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【独家】分布式光伏发电系统设计原则及影响设计的因素
  • 2017-05-26 15:42:46
  • 浏览:4833
  • 来自:周志敏

摘要:本文简述了分布式发电定义和发电方式,论述了分布式光伏发电系统设计原则,分析了影响分布式光伏发电系统设计的因素。

关键词:分布发电 设计原则 影响因素

1.分布式发电

分布式发电(Distributed Generation,简称DG)是由美国在1978年的公共事业管理政策法中提出,公布后便得以推广应用,并很快被其它国家接受。目前分布式发电站美国有6000多座;英国有1000多座;日本有近5000座,总容量超过600MW。2006年欧盟国家的分布式供电系统达到1.5万个左右。

美国计划到2020年有50%以上的新建商用或办公建筑使用分布式供电系统,并且在2020年将15%的现有建筑改由分布式电源供电。上海、北京、广州等大城市,10多年前就尝试分布式供电,已有成功范例。2005年,我国首个分布式电力技术集成工程中心落户广州,标志着我国分布式供电技术进入实质性发展阶段。冷热电三联供技术应用最广泛,发展前景较好,我国大部分地区的住宅、商业大楼、医院、公用建筑、工厂等,都有供电、供暖及制冷需求,而且很多地方配有自备发电设备,这些都为冷热电三联供提供了市场。

分布式发电的定义是:区别于集中发电、远距离传输、大互联网络的传统发电形式,直接配置在配电网或者负荷附近的、发电功率在几千瓦至数百兆瓦(也有的建议限制在30~50MW下)的小型模块化,能够经济、高效、分散式、可靠运行的发电单元,所产生的电力除由用户自用和就近利用外,多余电力送入当地配电网。

分布式发电多种多样,因资源和用能需求而异,发电方式包括太阳能、风能、生物质能(含生活垃圾)、地热能、天然气等。主要包括:以液体或气体为燃料的内燃机、微型燃气轮机发电,太阳能发电(光伏电池、光热发电),风力发电,生物质能发电等。与传统的集中式发电方式相比,分布式发电具有投资较少、发电方式灵活、环保性能好等优点。将分布式发电应用于传统的电力系统,既可以满足电力系统和用户的特定要求,又可以提高系统的灵活性、可靠性和经济性。现在的分布式发电多采用新型发电技术。根据发电容量的规模大小,分布式发电可以分为以下4个层次:微型:5kW以下;小型:5kW~5MW;中型:5MW~50MW;大型:50MW~300MW。

集中与分布相结合的发电方式可以充分发挥两种发电方式的优势,目前采用的主要形式是将投资省、发电方式灵活、与环境兼容的分布式发电与大电网联合运行,从而提高整个电力系统运行的灵活性、可靠性和安全性。

对于分布式发电,国外起步较早,目前已经进行了一系列的研究和试验。在国内,对分布式发电的研究起步较晚,目前主要是对具体的发电方式的研究比较多,对于分布式发电与传统电力系统之间的相互影响以及相应的对策研究比较少。

分布式发电通常接入中压或低压配电系统,传统的配电系统被设计成仅具有分配电能到末端用户的功能,而未来的配电系统有望演变成一种功率交换媒体,即它能收集电力并把它们传送到任何地方,同时分配它们。因此,将来它可能不是一个“配电系统”,而是一个“电力交换系统”。分布式发电具有分散、随机变动等特点,大量的分布式电源的接入,将对配电系统的安全稳定运行产生极大的影响。

2.分布式光伏发电系统设计原则

分布式光伏发电系统的设计包括两个方面:容量设计和硬件设计。分布式光伏发电系统容量设计的主要目的就是要计算出分布式光伏发电系统在全年内能够可靠工作所需的太阳能电池组件和蓄电池的数量。同时要注意协调分布式光伏发电系统工作的最大可靠性和成本两者之间的关系,在满足的最大可靠性基础上尽量地减少分布式光伏发电系统的成本。分布式光伏发电系统硬件设计的主要目的是根据实际情况选择合适的硬件设备:包括太阳能电池组件的选型,支架设计,逆变器的选择,电缆的选择,控制测量系统的设计,防雷设计和配电系统设计等。在进行分布式光伏发电系统设计的时候需要综合考虑软件和硬件两个方面。针对不同类型的分布式光伏发电系统,软件设计的内容也不一样。独立分布式光伏发电系统,并网分布式光伏发电系统和混合分布式光伏发电系统的设计方法和考虑重点都会有所不同。

在进行分布式光伏发电系统的设计之前,需要了解并获取一些进行计算和设备选择所必需的基本数据:如分布式光伏发电系统安装的地理位置,包括地点、纬度、经度和海拔;该地区的气象资料,包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以及散射辐射量,年平均气温和最高、最低气温,最长连续阴雨天数,最大风速以及冰雹、降雪等特殊气象情况等。要求所设计的分布式光伏发电系统具有先进性、完整性、可扩展性、智能化程度,以保证系统安全、可靠和经济。

1)先进性。随着国家对于可再生能源的日益重视,开发利用可再生能源已经是新能源战略的发展趋势。根据当地太阳日照条件、电源设施及用电负载的特性,选择利用太阳能资源建设分布式光伏发电系统,既节能环保,又能避免采用市电铺设电缆的巨大投资(远离市电电源的用电负载),是具有先进性的电源建设方案。

2)完整性。太阳能分布式光伏发电系统包括:太阳能电池组件、蓄电池、控制器、逆变器等部件,分布式光伏发电系统可以独立对外界提供电源,与其它用电负载和市电电源配套,形成一个完整的离网和并网的分布式光伏发电系统。分布式光伏发电系统应具有完善的控制系统、贮能系统、功率变换形态、防雷接地系统等构成一个统一的整体,具有完整性。

3)可扩展性。随着太阳能光伏发电技术的快速发展,分布式光伏发电系统的功能也会越来越强大。这就要求分布式光伏发电系统能适应系统的扩充和升级,分布式光伏发电系统的太阳能电池组件应为并联模块结构组成,在系统需扩充时可以直接并联加装电池板模块,控制器或逆变器也应采用模块化结构,在系统需要升级时,可直接对系统进行模块扩展,而原来的设备器件等都可以保留,以使分布式光伏发电系统具有良好的可扩展性。

4)智能化程度。所设计的太阳能分布式光伏发电系统,在使用过程中应不需要任何人工的操作,控制器可以根据太阳能电池组件和蓄电池的容量情况控制负载端的输出,所有功能都由微处理器自动控制,还应能实时检测太阳能分布式光伏发电系统的工作状态,定时或实时采集分布式光伏发电系统主要部件的状态数据并上传至控制中心,通过计算机分析,实时掌握设备工作状况,对于工作状态异常的设备,发出故障报警信息,以使维护人员可提前排除故障,保证供电的可靠性。

分布式光伏发电系统设计必须要求具有高可靠性,保证在较恶劣条件下的正常使用,同时要求系统的易操作和易维护性,便于用户的操作和日常维护。整套分布式光伏发电系统得设计、制造和施工要具有低的成本,设备的选型要标准化、模块化,以提高备件的通用互换性,要求系统预留扩展接口便于以后规模容量的扩大。

3.影响太阳能光伏系统设计的因素

设计一个完善的太阳能分布式光伏发电系统需要考虑很多因素,进行各种设计,如电气性能设计、防雷接地设计、静电屏蔽设计、机械结构设计等,对地面应用的独立分布式光伏发电系统来说,最主要的是根据使用要求,决定太阳能电池方阵和蓄电池的容量,以满足正常工作的需求。分布式光伏发电系统总的设计原则是在保证满足负载用电需要的前提下,确定最少的太阳能电池组件和蓄电池容量,以尽量减少投资,即同时考虑可靠性及经济性。

独立的太阳能光伏系统的设计思路是,先根据用电负载的用电量,确定太阳能电池组件的功率,然后计算蓄电池的容量,但对于并网的太阳能分布式光伏发电系统又有其特殊性,需要确保分布式光伏发电系统运行的稳定性和可靠性,所以在设计时需要注意以下事项:

1)太阳照在地面太阳能电池方阵上的辐射光的光谱、光强受到大气层厚度(即大气质量)、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等的影响,其能量在一日、一月和一年内都有很大的变化,甚至各年之间的每年总辐射量也有较大的差别。太阳能分布式光伏发电系统在哪个地区使用,该地日光辐射情况,太阳能电池使用地的经度与纬度。了解并掌握使用地的气象资源,比如月(年)平均太阳能辐照情况、平均气温、风雨等资料,根据这些条件可以确定当地的太阳能标准峰值时数(h)和太阳能电池组件的倾斜角与方位角。

2)由于用途不同,耗电功率、用电时间、对电源可靠性的要求等各不相同。有的用电设备有固定的耗电规律,有些负载用电则没有规律。而太阳能光伏系统输出功率(W)的大小直接影响着整个系统的参数。太阳能电池方阵的光电转换效率,受到太阳能电池本身的温度、太阳光强和蓄电池浮充电压的影响,而这三者在一天内都会发生变化,所以太阳能电池方阵的光电转换效率也是变量,因而太阳能电池方阵的输出功率也随着这些因素的改变而出现一些波动。

3)太阳能光伏系统工作的时间(h),是决定太阳能光伏系统中太阳能电池组件大小的核心参数,通过确定工作时间,可以初步计算负载每天的功耗和与之相应的太阳能电池组件的充电电流。

4)太阳能光伏系统使用地的连续阴雨天数(d)的参数,决定了蓄电池容量的大小及阴雨天过后恢复蓄电池容量所需要的太阳能电池组件功率。确定两个连续阴雨天之间的间隔天数D,是决定系统在一个连续阴雨天过后充满蓄电池所需要的电池组件功率。

5)蓄电池组是工作在浮充电状态下,其电压随太阳能电池方阵发电量和负载用电量的变化而变化。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。

6)太阳能电池充放电控制器、逆变器由电子元器件组成成,它本身运行时具有能耗影响其工作的效率,控制器、逆变器选用元器件的性能、质量等也关系到耗能的大小,从而影响到分布式光伏发电系统的效率。

这些因素相当复杂,原则上需要对每个发电系统单独进行计算,对一些无法确定数量的影响因素,只能采用一些系数来进行估量。由于考虑的因素及其复杂程度不同,采取的方法也不一样。

设计太阳能分布式光伏发电系统的任务,是在太阳能电池方阵所处的环境条件下(即现场的地理位置、太阳辐射能、气候、气象、地形和地物等),选择的太阳能电池方阵、蓄电池、控制器、逆变器构成的电源系统既要具有高的经济效益,又要保证系统的高可靠性。

地球上各地区受太阳光照射及辐射的变化周期为一天24h,处在某一地区的太阳能电池方阵的发电量也在24h内周期性的变化,其规律与太阳照在该地区辐射的变化规律相同。但是天气的变化将影响太阳能电池方阵的发电量。如果有几天连续阴雨天,太阳能电池方阵就几乎不能发电,只能靠蓄电池来供电,而蓄电池深度放电后又需尽快地将其补充。设计中应以气象台提供的太阳每天总的辐射能量或每年的日照时数的平均值作为设计的主要数据。由于一个地区各年的数据不相同,为了可靠性应取近十年内的最小数据。根据负载的耗电情况,在日照和无日照时,因均需由蓄电池供电,所以气象台提供的太阳能总辐射量或总日照时数对决定蓄电池的容量大小是不可缺少的数据。

对太阳能电池方阵而言,负载应包括系统中所有耗电装置(除用电器外还有蓄电池及线路、控制器、逆变器等)的耗用量。太阳能电池方阵的输出功率与组件串并联的数量有关,串联是为了获得所需要的工作电压,并联是为了获得所需要的工作电流,根据负载所消耗的电量,对适当数量的太阳能电池组件,经过串并联即组成所需要的太阳能电池方阵的输出功率。

【责任编辑:ada.sun】
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