(中国电建集团江西省电力建设有限公司)
[摘 要] 本文针对非洲偏远地区电力供应现状，以某社区为例，提出了离网型微电网设计方案，通过方案设计、发电量估算、系统成本及经济性分析论证方案合理性、技术可行性及工程的经济性，可为类似工程提供借鉴和参考。
[关键词] 离网型；微电网；设计；经济性分析
0 引言
非洲部分偏远地区电网覆盖薄弱，大部分区域的居民无法获得稳定电力供应，通过对某国人口大国的现场调查，有一半的居民处于缺电状态，人均发电量处于世界最低水平。在S州G市某社区日最大用电负荷功率为599.45kW，日均用电时间为18h，日均用电量为4736.93kWh，其中每天居民用电4570.5kWh、商业用电7.7kWh、生产用电100.2kWh，且系统白天时的用电量很少，约90%的光伏发电电能由蓄电池白天存储、夜间提供居民用电，需设计一套光伏+储能离网供电方案解决当地用电需求。
1 总体设计
1.1设计思路
1）系统满足最长阴雨天供电需求。
2）配置柴油发电机组，用于发电补充，保证部分用电负荷的基本用电需求。
3）系统供电量不足时，动态切机减载，保证重要负荷的供电，延长系统的供电时间。
4）选择倾角时，要求一年中最好太阳辐照与最差太阳辐照差值最低，各月份太阳辐照变化平缓，并以此来计算光伏容量及发电量。
5）蓄电池组容量不但能均衡最好太阳辐照与平均太阳辐照时当天的发电量差值，同时也能储存负荷当晚的用电需求且保证一定的富余容量，保证能满足一定的阴雨天自给需求。
6）交流输出分三个回路，按负荷重要性可以独立供电，储电量不多或柴油发电机发电补充时可以优先保重要负荷的供电稳定。同时也可通过智能电表远程切除非重要负荷，待系统光伏供电充足时自动恢复。
1.2设计特点
1.3 光伏方阵容量
考虑本系统日均用电量为4736.93kWh，约90%的电能需蓄电池在白天时存储光伏发电量供夜间用电负荷使用。光伏阵列所发电能直接经逆变器供给用电负荷使用时发电效率为81.2%、经蓄电池存储的电能在通过逆变器供给用电负荷使用时发电效率为73.1%。
为使离网光伏发电站满足相应电能的输出，应考虑天气差、太阳辐照较低的情况下也能保证系统的供电可靠性，同时也许考虑组件自身性能衰减导致的系统发电量降低的情况，故需再额外计入1.1倍的可靠系数。则系统需求的太阳能电池组件的最低功率如下表1：
表1 光伏方阵容量
1.3 蓄电池组容量
蓄电池组的容量除了能储存当晚居民用电量的同时，还能把光照好时系统当天多发的电能也能存储起来供负载使用，考虑蓄电池放电深度为70%，同时结合逆变器94%的转换效率，则系统需求的蓄电池组的容量如下表2所示：
表2 蓄电池组容量
考虑项目的经济，选用2V/1000Ah的铅碳电池，本项目直流系统额定电压为384V，故需要192节2V的单体铅炭蓄电池串联，18组电池组并联，因此蓄电池设计容量为6912kWh。
1.4 柴油发电机组容量
系统负载正常用电负荷曲线如下图1，可知系统主要用电量为居民夜间用电，夜间全程基本保持用电功率在200kW左右，同时在夜间零点前有6个小时用电负荷超过200kW，最高达599kW。
图1 系统负载正常用电负荷曲线
结合系统用电负荷特性，设计配置200kW容量的柴油发电机组作为补充电源。
2 方案设计
2.1 主要设备选型及配置
2.1.1 光伏组件选型
根据目前国内市场研究，单晶硅、多晶硅太阳电池由于制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点，被广泛应用于大型并网光伏电站项目，综合考虑组件价格、效率、技术成熟性、市场占有率，以及采购订货时的可选择余地，本工程推荐选用多晶硅太阳能组件规格为280Wp，根据光伏方阵容量与组件功率计算，本工程需采用4320块组件，该区域历史低温8℃，极端高温46℃，组件运行时结温超过60℃，根据以下公式计算
本工程光伏组件选择为17-21块组件串联。本工程选18组一串。
2.1.2 光伏控制器选型
针对市面产品，本项目选择直流母线电压为384V的MPPT光伏控制模块，不同系统可以根据实际需要进行模块化拼装或扩容。单个控制模块主要性能参数如下表1-3所示。
表3 光伏控制器参数表
本工程共安装280Wp的多晶硅光伏组件4320块，光伏组串数为18，每台光伏控制器有4个60A的MPPT模块，每个模块可接入6路18串的光伏组串。经计算取整得出本系统共选择10台标准的光伏控制器并联使用，容量共计1209.6kWp。
2.1.3 逆变器选型
考虑本系统用电负荷特性及分类，系统主要负荷为居民生活用电，日用最大电功率599.45kWp。同时考虑用电负荷的同时使用率及少量感性负荷的使用对系统的冲击（如电风扇、冰箱或空调的压缩机），并结合离网逆变器的过载能力，故本系统选择1台250kW和1台400kW的离网逆变器并联使用，系统逆变器总额定输出容量为650kVA，总额定输出功率为585kW，125%满载维持时间为10min。
2.2 直流配电柜设计
系统采用10台光伏控制器、18台标准储能单元、1组柴油发电充电机、以及2台离网逆变器，需设计一台直流配电柜。直流配电柜的配置满足以下要求：
1）直流防雷配电柜配电容量满足输入端光伏组件容量的要求。
2）直流输入回路配有可分断的直流断路器和防反二极管，直流断路器使用国内外知名品牌产品，额定电流4000A，设200A输入端及保护断路器1回、400A输入端及保护断路器28回。
3）直流输出回路设1000A输出端及保护断路器1回以及1500A输出端及保护断路器1回。
4） 直流输出回路配置光伏专用直流防雷器，直流避雷器使用国内外知名品牌产品。
5）直流输出回路配置1000V直流电压显示表。
6）根据实际情况自行设计直流柜内风扇规格及风道。
7）柜体内的所有二极管温升小于55℃。
2.3 交流配电柜设计
系统采用1台250kW和400kW的逆变器并联使用，一台200kW的柴油发电机做临时补充，预计系统出线回路3回。因此，设计一台交流配电柜，内设三相交流母线一组，额定工作电压400V AC、额定电流1500A，设400A输入端及保护断路器1回、500A输入端及保护断路器1回、设800A输入端及保护断路器1回，以及500A输出端及保护断路器3回。交流配电柜可保证某输出回路故障时而不影响其他回路的供电，另设置相应浪涌保护功能。
3 发电量计算
光伏阵列所发电能直接经逆变器供给用电负荷使用时，相应发电效率为81.3%。
经蓄电池存储的电能在通过逆变器供给用电负荷使用时，相应发电效率为73.1%。
3.1 系统首年发电量
3.2 系统25年发电量
该区域离网光伏发电站光伏装机容量1209.6kWp，首年发电量185.086万kWh，25年累计发电量4209.029万kWh，运营期年均发电量168.361万kWh，年有效利用小时数为1391.8h。
4 系统成本及经济性分析
4.1 系统成本
系统成本包括设备采购成本、运输成本，建筑工程、机电安装、辅材费用、系统调试、项目管理费、资金成本、设计费用、合理利润等。各项成本构成见下表，单价为设备单瓦，配网单价为单位长度价，设备已含运费、税金、保险等费用，同时该国境内建设成本较在中国境内建设成本上浮3%。本工程静态投资1283.77万元。
4.2 经济分析
经项目测算，本系统在第11年完全回本，整个系统约投入1495.87万元，运营25年后收益2837.38万元，另有蓄电池组的残值约124.4万元。整个电站发电收益5514.39万元。
5 结束语
综上所示，该设计从方案设计、发电量计算、系统成本及经济性分析各方面综合考虑，项目可行、方案合理、成本最优。
论文作者:邹胜萍,吴昌垣,谢光辉,汪志斌,郭清华,熊建英
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/6
标签：光伏论文; 系统论文; 发电量论文; 蓄电池论文; 逆变器论文; 容量论文; 断路器论文; 《电力设备》2018年第22期论文;