1项目背景简述

佛山市宝捷精密机械有限公司3.5MW屋顶分布式光伏发电项目位于广东省佛山市三水区创新西路宝捷精密机械有限公司屋顶,地理位置:东经112.998°,北纬23.239°,运行环境年平均气温21.9℃,年降水量1682.8mm,年平均日照1721.7h,项目安装光伏组件最大标称容量为3306.6kMp,采用275Wp多晶硅电池组件(1650mm×991mm×35mm)12024块,安装于厂区的厂房彩钢瓦屋面上,彩钢瓦屋面光伏组件沿屋面平铺。10KV光伏并网系统由太阳能光伏组件、逆变器(共配置41台70kM并网逆变器及2台50kM并网逆变器)、汇流箱(10台)、升压变压器(2台1250kVA及1台800kVA)、10KV并网柜、监控系统等主要设备组成。光伏系统电气结构示意图如图1所示。

2 光伏电站布局

佛山市宝捷精密机械有限公司屋顶一共被分成5个车间区域,光伏系统采取自发自用、余电上网模式,在用户侧并网,用户侧优先使用光伏系统电能,光伏系统多余电量输送到公共电网。在原有并网点,10kV冶创金属配电站将原有一套10kV单向关口计量表改为双向计量表,用以计量上网电量:在新建户外箱式高压室内新增一套10kV双向计量表,用以计量光伏发电电量:由供电部门安装计量装置。在5个车间屋顶的一次设备的布局设计中,主要考虑光伏阵列的倾角和间距问题,优化光伏阵列的排布,在有限的空间内获得年最优辐照量即目标函数为最大的平均发电率,再根据阵列的排布优化设计合理的直流汇流箱和逆变器排布,节省电缆用量并降低工程造价。

针对佛山宝捷屋顶分布式光伏发电效率的问题,根据光伏阵列的空间位置,对屋顶分布式光伏多晶硅电池组件位置、朝向、倾角进行优化设计,提高屋顶分布式光伏组串所接受的年辐照度,增加屋顶分布式光伏电站年发电量。如图2所示,假设屋顶所有的多晶硅电池组件具有同一物理属性,其多晶硅电池组件所在平面的单位法向量vm保持不变,且组件与屋顶平行水平放置。

显然,多晶硅电池组件的倾角y和朝向角9决定了其单位法向量所在的位置,其数学表达式为:

太阳光照射在光伏发电板的方向角,s由其所在的太阳方位角α和太阳高度角8决定,其数学表达式为:

太阳方位角a和太阳高度角8可以由太阳赤纬角e和时间角s计算得出,其数学表达式为:

式中:μ为佛山宝捷光伏电站所在的纬度。

故不考虑光伏发电板互相遮挡时,假定单块光伏组件在2022年第N天(N的最大值为365)的1时刻的辐照度为EN.t,则其数学表达式为:

式中:CN.t为第N天的1时刻太阳光照强度:s为单块光伏组件受光照的面积:7为方向角,s与多晶硅电池组件所在平面的单位法向量vm的夹角。

但在实际的工程项目中,不得不考虑光伏发电板的间距带来遮挡问题的影响,假如光伏发电板的间距较大,使得前后光伏发电板互不遮挡,即太阳光过前排光伏阵列的顶点时投射在后排光伏阵列的最低点边缘,此时虽然单块的辐照度具备最大值,但在屋顶有限的面积内光伏发电板前后的间距过大会导致屋顶排布的光伏发电板数量减少,其年平均发电量并不一定具有极大值:而前后间距过窄则会导致遮挡的部分阴影面积过大,单块光伏组件发电效率低。因此要进一步考虑前后光伏发电板的遮挡问题,如图3所示,第i块光伏发电板下边缘的中点坐标为p(xi,yi,:i),与第i+1块光伏发电板遮挡部分的阴影的4个角坐标为:

式中:l、o分别为光伏发电板的底边长与等斜高:n为光伏发电板数量。

其阴影部分的面积为s',其数学表达式为:

所以第i块光伏组件实际的辐照度为:

本文暂不考虑环境因素、并网条件、逆变器最大功率追踪算法、线路载流量等因素带来的影响,优化目标为宝捷光伏发电项目全年最大平均发电率,以此为目标函数,其数学表达式为:

对上述表达式采用粒子群搜索收敛法进行迭代求解,可以得出最优的倾角和朝向组合,朝向为南偏东659,倾角为329,间距的平均值为(4±0.6)m。

3接入系统规范设计

光伏电站自动化监控系统采用分层分布式结构,系统分为站控层和间隔层,监控网络设对时网,站控层采用单以太网,连接主机/操作员站、远动工作站等。在站控层设置远动工作站,并配置调度数据网接入设备:间隔层采用单以太网,按间隔配置,实现就地监控功能,连接本间隔单元的智能I/O设备等。

3.1调度自动化系统设计

光伏电站从计算机网络上直接获得站内全部运行数据,包括但不限于并网设备状态、并网点电压、电流、有功功率、无功功率、发电量、事故总信号等。与调度端的主站进行通信,将其所需的各个遥测、遥信和电能信息传给调度端,同时也可接收调度端发来的各种信息,并具有通道监视功能。尤其是并网点开关,具备三遥功能,并将所测结果移交至当地供电公司调度控制中心。

3.2继电保护装置设计

光伏电站在10kV线路保护方面,配置10kV微机型保护测控一体化装置一套,具有时限电流速断、过流、零序保护功能:另外,10kV并网柜设低频、低压解列装置一套,具有低频、低压解列功能,低频≤49.5Hz动作,动作时间0.3s,低压解列≤0.8Ue动作,动作出口时间1.8s。

在10kV箱式变压器保护方面,配置10kV箱变高压柜,采用微机保护测控一体化装置,保护具有带方向的电流速断、过流及零序保护,同时需具备失压跳闸及检有压闭锁合闸功能:10kV箱变低压柜采用微机保护测控一体化装置,保护具有带方向的电流速断、过流、零序保护及非电量保护,同时需具备失压跳闸及检有压闭锁合闸功能。

在逆变器保护配置方面,逆变器是并网光伏发电系统的重要电力电子设备,由其自控装置实时调整逆变器的输出,保证并网光伏发电系统与公共电网的同步运行。逆变器具备极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、过热保护、过载保护、接地保护、低频低压保护等功能,一旦发生并网电网交流电压或频率异常,逆变器的自控装置将按整定时间动作,将光伏发电系统与电网断开,自控装置将关闭(停)逆变器,主动防止孤岛效应,能够保障设备和人身安全,防止事故范围扩大。

3.3电能质量监测系统设计

光伏电站配置电能质量在线监测装置一台,在线监测可实现对供用电双方电能质量的连续监督,能反映各种电能质量指标特征及其随时间变化的规律,精确描述实际的电能质量问题,从而提供对电能质量进行综合治理的依据。电能质量在线监测装置安装在二次舱的公用屏内。

3.4计量系统设计

关口点电能表:采用带双Rs485口的多功能双向电子式电能表,有功0.5s级,无功2.0级,双表配置:CT:精度为0.2s级,变比为300/5:PT:精度为0.2级,变比为10/0+1。关口计量点设置在电力设施产权分界点,本项目设在计量柜(即G02柜),包括两个电能表和一个负荷管理终端,所有电能表均以Rs48.通信接口接入负荷管理终端。全站计量仪表安装在相应的10kV开关柜上,可通过负荷管理终端实现数据采集,接入计量自动化系统。

4结语

本文以佛山宝捷3.5.MW屋顶分布式光伏发电项目为基础,探讨了屋顶有限面积内多晶硅电池组件在位置、朝向、倾角等因素影响下的空间布局最优组合,所提数学方法在工程实际应用上具有一定的参考意义。接入系统设计方面,从调度自动化、继电保护、电能质量、计量四个方面提出解决方案,大大地缩短了屋顶分布式光伏电站并网的整体流程,在使光伏并网工作更加规范化的同时,对今后新能源并网工程的有序快速发展能够起到一定的引导作用。