云南拓日科技有限公司 昆明 650106
摘要：在对电能质量要求苛刻的云南省博物馆新馆项目建设中，我们设计了一种利用国外小型并网逆变器构建的大型光伏并网系统，并在新型的拓扑结构中实现了防逆流控制。
关键词：逆变器 光伏并网系统 防逆流
中图分类号：TM615文献标识码：A
云南省博物馆新馆供电系统属于一级负荷，用电安全性及电能质量要求很高，在光伏发电系统的选型上，要求选用进口光伏并网逆变器。但国外品牌并网逆变器在设计时都是考虑如何让光伏发电尽量多地送到电网中，没有一个品牌考虑了防逆流功能。我们应用施耐德GT5.0小型光伏并网逆变器，采用一种新型的拓扑结构，结合后台能源管理系统，成功实现了防逆流控制，此种设计在国内分布式项目中尚属首例，对光伏应用市场的推动有重大意义。
1 设计依据及说明
云南省博物馆新馆位于昆明市广福路新宝象河左岸，是云南省文化标志性建筑，建筑面积6万余平方米。本项目是在屋面建设混凝土基础，架设热镀锌支架，安装常规单晶硅太阳能电池组件，装机容量为326.99kWp。利用小型单向并网逆变器将太阳能电池组件产生的直流电逆变为交流电，并入到博物馆接入的市电电网低压侧使用，进线上有10KV 两路电源进线，配置上有2 个配电室，配电室中有3台630KVA 变压器和1 台800KVA变压器。
项目地纬度25°01′，经度102°41′，海拔1892.4米，纬度底，海拔高，年辐射量为5417兆焦耳／平方米，年日照时间为2270.4小时，具有良好的日照条件。
为了更好地将建筑与艺术、建筑与高新技术相结合，努力创造绿色、环保、节能城市整体形象，云南省博物馆新馆在建筑屋顶安装太阳能光伏发电装置，使省博新馆建设成集节能、环保与高科技为一体的、充满现代气息的博物馆，具体而形象地表现太阳能资源利用，起到“可持续发展”的教育示范作用。充分利用太阳能，不仅有良好的生态效益、社会效益，而且有很好的经济效益。在建筑中积极应用太阳能，可以减少因耗用化石燃料而产生的污染物的排放量，对于减轻大气污染，保护生态环境，对云南重点文化建设项目发挥了十分重要的示范作用。
2 方案描述
总体方案是依据云南博物馆使用需求和当地气候条件，就云南省博物馆光伏发电提出的整体解决方案。考虑到项目实施后的可视性和安全性，本方案光伏发电设备安装在屋顶。电站通过多台单相5KW并网逆变器将直流电源转换为交流电源，通过交流配电系统并入380V用户低压电网，为用电负荷提供部分供电。为保证没有逆流向电网发送，系统采用发电功率检测群控技术，当有可能发生逆流时，自动停止部分功率接入，不让发电功率逆向输送，确保用电安全。
逆变器采用最大功率点跟踪(MPPT)技术，使光伏发电系统收益最大化。系统具备自适应保护特性，包括过压和欠压保护、频率保护。且它的抗孤岛效应保护功能可以在公用电网发生故障时，使逆变器自动停止向电网输电。
发电系统的运行状态和发电参数，如各组电池板的直流输出的电压、电流参数，逆变器输出的交流电压、电流、功率参数等通过电力仪表进行采集并可通过 Ethernet（以太网）上传给后台，并可对发电系统的的运行状态、发电数据进行查看和读取。在组件布置方案
单晶硅太阳电池组件构成核心发电单元，太阳能电池采用9块板串联，3串并联后通过光伏防雷汇流箱接入1台5KW并网逆变器，3台并网逆变器接入1组380V低压侧，15个KW构成电站的一个子系统，系统原理如图1所示：
根据现场情况，设计的布置方案如下：
采取太阳电池组件水平放置的方式，在有电梯间及楼梯间的顶部布置太阳电池组件，从四个楼梯间一出来就到达太阳电池组件的检修及参观通道。为确保不破坏建筑立面，太阳电池在支架上采取水平安装的方式。太阳电池组件整体安装高度离开屋面的高度为2.5米，太阳电池组件最高点的标高为32.5米，与建筑物外挑装饰板的标高33米相差0.5米，属于隐蔽式安装。
本方案共布置单晶硅太阳电池组件326.99KW，本方案的优点是布置成环型对称图案，非常美观，太阳电池板下方的空间较大，可以作一些空间利用。
3 并网系统设计
本并网光伏系统由太阳电池组件阵列、并网逆变器、电缆和光伏防雷汇流箱、交流配电柜等设备组成。系统与市电并网，光伏系统产生的电能直接输入到电网上，供本建筑负载使用，不足的电力需求部分由电网补充。在并网配置上采用多台5KW并网逆变器，逆变器采取并联运行方式。光伏逆变器其交流输出可自动跟随电网电压和频率。系统具备自适应保护特性，包括过压和欠压保护、频率保护。且它的抗孤岛效应保护功能可以在公用电网发生故障时，使逆变器自动停止向电网输电。对于光伏发电系统将直流转换成单相交流 AC220V 电后，每三台 GT5.0 作为一组，连接为三相输出；通过交流配电箱送并入到入公共 AC380V 低压电网,逆变器室外随电池板安装,，不占用室内面积，其原理如图2所示。
我们选用逆变器的最大输入直流电压600V，MPPT范围240－550V，需要9个组件串联。此时，在-10℃的最大开路电压为455V，最大功率点的工作电压为362V，25℃最大功率点的工作电压为320V，70℃结温工作时的最大功率点电压为267V，均在逆变器的最大工作电压及MPPT电压范围内，是适合的。
4 变压器接入设计
光伏并网系统在接入城市电网时，会对电网（接入点上网变压器）造成一定的影响，按业内常规设计要求是光伏并网系统接入容量不超过上级变压器的25%，这样的情况下对外部电网也好、内部网也好不会造成冲击。
限定容量主要是在正常情况下，不要产生逆流，若在系统中增加防逆流装置，对容量的限定可以放大到25%~30%。本系统采用了防逆流的措施，接入容量仍按不超过上级变压器的25%设计，确保光伏系统不对电网造成冲击及干扰。
5 监控监测系统设计
监控系统与全馆供配电系统、能源管理系统共用一个系统平台、软件，能够实现电站及供配电系统、能源管理系统的信号采集、数据处理、显示和分析、集中控制，并且可以提供以太网通讯接口，系统扩展，向上一级通讯。
监控系统是以监控软件、电力专用控制器为核心并采用以太网交换机、通信转换单、高可靠性的环境传感器等设备构成的电力数据采集与监控系统，并可在未来需要时扩展功能。
监控系统要求实现以下的功能：太阳能发电装置运行监视；事件，报表和数据记录；人机界面、运行管理。
5.1 太阳能逆变器
从后台工作站上可以对太阳能逆变器的运行状况进行实时监视。显示逆变器检测的实时的电压、电流、功率、频率等电气参数和设备状态（开/断，温度，工作/停止等），可以实现遥测功能。
5.2 交流配电箱
对交流配电箱的总断路器实现三遥功能（遥测，遥信，遥控）；
1）遥测功能
电气量：电流，电压，频率，功率，电能（双向）。
电能质量：总谐波畸变率（电流、电压）。
报警：可设定越限报警（电流或电压）。
2）遥信功能：
接点：断路器开关信息，故障信息。
3）遥控功能：
通过后台系统实现对断路器的控制，具有逆功率停机及恢复控制功能。
通过变压器微机保护判断逆功率，给出逐级跳闸信号；。
逆功率消失，检测实际负荷功率，当负荷功率为单组逆变器容量（15KW）的130%以上，延时5分钟后恢复的投入。
5.3 监控软件
系统按照无人值班模式进行设计，全中文Windows界面，监控系统能严格遵循行业标准和生产标准。
6 结语
本设计利用后台能源管理系统对博物馆内每一支路的电流方向及功率大小进行监控，对博物馆内负荷变化进行了实时预测，以15KW为一个光伏投入/切除的基本单位，确保光伏发电不对电网造成过大冲击，并实现了防逆流控制，从而保证了光伏发电系统的安全可靠性，为小型光伏并网逆变器在屋顶型分布式光伏系统中的应用探索了一条可行的道路。
第一作者简介
傅洪波（1971—），男，高级工程师，工程硕士，长期从事光伏系统应用技术及功能性新材料研究。
论文作者:傅洪波,普平贵,王伟
论文发表刊物:《防护工程》2017年第13期
论文发表时间:2017/11/15
标签：逆变器论文; 光伏论文; 电网论文; 系统论文; 电压论文; 逆流论文; 功率论文; 《防护工程》2017年第13期论文;