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1、浅谈并网运行光伏发电站系统集成 汤继东陈正国 擒美本 文主要介绍光伏发电站的 系统组成、各主要元件选择原 则、并网要 求、接地保护、主接线、并 网、经济核算及计算机测控等。前言 光伏发 电，即太 阳能发 电，之所 以常称光伏发 电，是有些半导体材料制成品，在 日光照射下，产生 伏打电池效应。即 P h o t o v o l t a i c(p v)，有的简称 p v 发 电系统。太阳能是人类利用 的可再生绿色能源之一，用 太 阳能发电对减少碳排放有重要意义。在我 国内 地，太阳能发 电站 已投入运行 的有多个 l O M w 级，5 0 M W 级也在积极筹建中。光伏发电，有并 网与离 网运
2、行两种。在偏远地 区，电 网伸人不到的区域，光伏电站离网运行，这 就要有贮能蓄电池与之配套。无阳光照射时，由蓄 电池贮能经逆变 向用户提供交流 电流。本文只谈 专向系统送 电的并 网太阳能发电系统集成问题。太阳能电池片，太阳能电池板，太阳能 电池板串 1 太阳能电池片 太阳能电池 片，亦称光伏 电池，所用材料 多种 多样，各有千秋，也各有 利弊。目前 大都 由硅材料 制作。如：单晶硅、多晶硅、无晶硅。太阳能电池 片的光生电的原理 就是半 导体材 料的 PN结的光生伏打效应(P h o t o v o l t a i c E f f e c t)。在纯净的硅晶体 中，自由电子与相对应的空穴数量
3、2 电气工程应 用 2 0 1 0 3 是相等的，如果在纯净硅中掺人能俘获电子 的硼或 镓、钼等元素，它就成为空穴型半 导体，称 P型半导 体。如果在硅 中加入能释放 电子 的磷，砷 等元素，它就能成为电子型的半导体，亦称 N型半导体。如 果这两种半导体作紧密接触，形成 P N结，由于两 边的电子空穴浓度不一样，互相 向对方扩散，在界 面处，P型半导体有多余电子，N型半导体有多余的 空穴。电子带负电，空穴带正 电。当扩散达 到动态 平衡后，在界面处建立稳 定的 内部 电场，亦称势垒 电场。电子空穴的扩散示意图，见图 1。n D+)f工 _ 一一+l，、一：+j j 图 1 光 生伏打 效应 示
4、意 图 图中小圆表示扩散带 电粒子，大圆表示光生带 电粒子。当阳光照射在 PN结后，由于光子的激发，P 型及 N型半导体中产生电子空穴对，电子 空穴对在内部势垒 电场作用下，电子 向 N区飘移，空穴 向 P区飘移，从而形成 与势垒电场相反 的电 场，即光生伏打电场。此电场抵消 内部势垒电场后 剩余强度也在使 P区带正电，N区带负 电，在 PN 结上产生电势，即光生伏打电势，当有外电路连接 P 及 N区后，在此电势作用下，有 电流沿 回路流动，从 而输出电能。带电粒子在无电场作用之下，因浓度不同相互 移动称之扩散，在 电场作用下移动称之为飘移。由此可知，硅太阳能电池基本单元就是 由掺杂 不同元素
5、的硅晶体结合后，形成 的 PN结。此结 分为P层与 N层，若以P层为基体则厚度较厚，一 般达到 0 5 m m以上，此层为基层区，在其上就是 N 层区了，也称为上层区，约为 0 5 1 x m厚，只能在基层 区上采用扩散的办法制成。上层 面接受 日光照射，亦称 照面。上下层均有电极引出，电极 由许多栅 状的丝状金属导体组成，栅状 电极再 汇集 于母线。栅状电极直径约 0 2 mm，母线 电极 直径 0 5 mm以 上，由此可见，P N结上下引出电极均有很细的金 属栅组成，在 PN结上层，又加盖 了一层反射膜，以便吸收更多的光能。为 了减少反射带来 的负面 影响，对单晶硅太 阳能电池 片，上层表
6、面作成绒状 面，即上面布满金字塔型微粒，使表面有绒布一样，使表面对光多次反射与折射，吸收更多的光能。绒 面的制作是靠采用化学腐蚀的方法完成的。P N结表面的栅状 电极大约 1 c m距离含有 4 根，并非采用铜丝嵌入表面，而是在硅晶片上用激 光刻槽解决，槽宽约 2 0 0 p,m，然后化学镀铜。为提高太 阳能 电池对光能的转化效率，在电池 背面采用真空蒸镀方法沉积一层 高反射率的金属 面，它能对透过 PN结 的光进行反射 回去，被 P N结充分吸收。太阳能电池片是组成太 阳能电池板的单体，一 个 PN 结 单 元，每 只 表 面 积 大 约 为 1 2 5 ra t a 1 2 5 mm。近百
7、块这种 电池，排列于一块底面上，用粘合 方法固定其上。每只电池 片的上下 电极 采用 串并 联方法联结，实际上多为串联。然后整个电池板有 正负极引出线 引出，为防冰雹等 自然灾害损伤，上 面还有透光钢化玻璃 防护，周 围加铝合金边框，边 框与电池板间有防水胶密封条，使之防护等级达到 I P 6 5。太阳能电池板示意图，见图 2。图2 太阳能电池板结构示意图 l 一钢化玻璃盖板2 一 阳能 电池片3 一底板 4 一粘合剂5 一互连条6 一衬底7 一 引出电极 太阳能 电池片输 出电压约 为 0 5 V，功率 1 4 W。某型号太阳能电池板每块嵌人太阳能电池 7 2 只，每只电压0 5 V，峰值
8、wp=2 W，则峰值电流I m a x =2 0 5=4 A，若完全进行串联，则每只电池板电压 为 7 20 5=3 6 V，峰值 电流 4 A 不变，输 出功率 P ma x=3 6 4=1 4 4 W。峰值电压与电流常称为工作 电压与工作 电流。2 太阳能电池的选用 目前采用的太阳能电池通常为单晶硅太 阳能 电池及多晶硅太 阳能 电池，生产工艺 比较成熟，有 多年的运行经验。工业硅的纯度大约为 9 8 一 9 9 ，生产太 阳能 电池的硅材料要对工业硅多次提纯，其纯度要达到 7个 9，即 9 9 9 9 9 9 9 ，而生产 电子元件的硅纯度要 在 9个 9以上。除硅太阳能电池外，尚有化合
9、物太阳能电池、有机半导体太阳能电池、薄膜太阳能电池等。按结构不 同，又有同质结太阳能 电池、异质结 太阳能电池和多结太阳能 电池，所谓同质结，即 P N结所用的材料为同一种材料。在薄膜 电池 中，又有碲 化镉(C d T e)，硒铟 铜(C I S)，多晶硅薄膜太阳能电池等。衡量太阳能电池优劣的主要指标为：1)寿命长，要保用 2 5 年以上；2)机械强度高，要经得运输及运动 中的振动，要经得起自然灾害的袭击(如风灾、雹灾、沙尘暴)；3)成本低，价格低廉，目前做到多晶硅 电池 1 3 5 w，多晶硅稍贵；4)抗紫外线、红外线性能好(紫外，红外线不但 电 气工程 应用 2 0 1 0 3 3 能起
10、到光伏作用，反而对 电池有害)。据有关资料提供，在 2 0 0 6年世界太阳能电池产 量中，多晶硅 占4 6 4 ，单 晶硅 占 4 3 4 ，带硅 占 2 6，尊膜占 7 6。2 0 0 7年统计，薄膜 电池 占总 量 9 3 7 6 。经过多年研发，太 阳能电池效率逐步提高。单 晶硅 电池 已达 到 1 6 一2 0 ，多晶硅电池也达到 1 5 一1 8，尽管理论上最大效率可达 3 3。由此可见，晶体硅太阳能电池占主导地位。3 太阳能电池板及主要技术参数 在太阳能发电项 目上，太阳能电子板是最小 的 发电单元。太 阳能电子板，亦称太阳能电子组件，由多个太阳能电池板进行 串并联，组成太阳能电
11、池 板阵列。太 阳能电池板(即太 阳能电池组件)结构 示意图，见图 2。太阳能电池板尺寸大小是 由嵌入 太阳能电池 片的多少及个数决定，一般 而言，一块 电池板长约 1 5 0 0 2 0 0 0(mm)，宽 8 0 01 0 0 0(m m)，厚度 5 0 m m。太阳能电池板上所嵌入的太阳能电池 片，它是太阳能电池板的最小组成单元。太阳能电池的主要参数有开路 电压，短路电流 及填充因子，太阳能电池板的伏安特性如图3所示。图3 太阳能电池的短路特性 曲线 P 最大输出功率(W)I 。短路 电流(A)V 开路电压(V)I 最大工作电流(A)短路 电流 I 与最大工作电流相差不大，I。比 I 大
12、约大 1 0 左右，很少能大 5 0 ，例如型号 P B 2 9 0 电池板其参数如下：4 电 气工程 应 用 2 0 1 0 3 W。=2 9 0W U=3 7V U=4 6 8 8 V I =8 4 2 A I =7 8 2A 由此不难算出，短路电流只比最大工作电流大 7 7 ，开路电压 比最大工作电压增大 2 6 7 。上述参数是在环境温度 2 5 q C，太 阳能辐射照度 1 0 0 0 W m 条件下测试。随着环境温度升高，电流会微增，增 加幅度为+0 0 3 K，而电压会随环境温度下降能升高，变化 幅度为 一 0 3 6 K，K为温升数值。上述型号的电池，若在冬天环境温度 一 2
13、0 时，与标准温度 2 5 C相差 4 5 C。一2 0 C时开路电压增 加为：46 8 8 X0 3 6X4 5=7 5 9V 此时开路电压为 4 6 8 8+7 5 9=5 4 4 7 V (上述数值是在日辐照度 皆为 l O 0 0 W m 计算 得出)填充因子为：F F=PmI s e UO e P m越接近 U o c l s e值，特性曲线越呈矩形，输 出 功率越大，一般情况，F F略大于 0 7。短路电流与工作电流相差无几，原 因很简单，太阳能电池与平时用的蓄电池无 可比性，蓄电池贮 蓄电能，但 内阻很 小，一但 短路，所蓄 能量瞬 时释 放，短路电流可达额定放 电电流十几倍 至
14、几十倍，太阳能电池不存蓄 电能，它对太阳光 能即时转换。这样，若太阳光提供能量 不变，短路 电流也不会增 大很多。由于太 阳能有些特性：，无法也无必要对太阳能 电池板提供过载及短路保护。太 阳能 电池在一定 程度上可看成恒流源。在上述实例产品 中，有人在 电池板 回路中装有 熔断器，熔丝电流为 1 5 A，而短路电流才 8 4 2 A无法 对短路进行保护。有人设想，最大工作电流为 7 8 2 A，熔丝 电流采 用 8 A或微断开关脱扣器采用 8 A，当短路电流达到 8 4 2 A时岂不完成保护作用吗?实际上也有很大局 限性。短路电流 8 4 2 A是在光辐照度达 1 0 0 0 W m 2 条
15、件测试得的，当早上、傍晚或者阴天、冬天，光照达 不到上述之值，短路电流也达不到上述之值。例如，当日照能量降为 5 0 0 W m 2 时，短路电流只能达 4 2 A 左右，8 A的微断或 8 A的熔丝又如何保护其短路。由此可见，空气开关或熔断器无法对单个太 阳 能电池板或太阳能电池板 串进行过载或短路保护。既然如此，为何在 回路 中加保护 电器 呢，这主要防 止其它太阳能电池串向短路点汇流(非环流)，从而 避免事故的扩大，此点在下文中还要详细说明。4 太阳能太 阳板(或称太阳能 电池组件)常 见故障及应对措施 太 阳能电池板常见故障有：1)电池板 中太阳能电池电极 间连线断裂，造成 原因是接头
16、太多，接头脱落，封装不好，电极脱落。若一只电池板内有 7 2只硅太阳能电池片，当这些 电 池全部串联时，包括电极引出端，连线达 7 3条之多。在任一点处脱落及断裂时，整个太 阳能电池板电极 不通。当用太阳能电池板组成阵列时，又有多个太 阳能电池板串起来，组成太 阳能电池板串。如果每 串有 1 8只太阳能电池板，这样，这一串有 1 8 7 2=1 2 9 6只太 阳能电池片串联起来，在 串联线 中只要有 一处断裂或接触不 良，此串太 阳能电池板全部无法 使用 了。造戚电极连线断裂的原 因也有可能遭受雷击，雷击击穿或损坏太阳能电池板，电池之间的连线也 不能幸免。2)太阳能电池板的“热斑”效应损坏
17、当串联回路 中的某一块太 阳能电池板被物体 遮住阳光，此太阳能 电池板两极 电压下降，会 消耗 此串人其它电池板 的能量，造成被遮太阳能电池板 发热严重而损坏，此现象称之为热斑效应。为避免热斑效应破坏太 阳能电池板，应避免物 体遮住其 中任一块电池板的阳光，另外还可以采用 串联或并联二极管 的办法阻止其它太阳能电池板 向其供电。由于采用此法后，二极管有压降及能量 损失，增加了造价，目前采用此法的具体项 目不多。5 太阳能电池板串 多个太阳能电池板正负极互相连接，即电池板 互相串联，称电池板串。电池板 串的电流与每只太 阳能电池板电流相 等。电池板串两端 电压等于各 个电池板电压之和，太阳能电池
18、板串以两根导线向 一级汇流箱输出电能。二并网太阳能发电站配套设备及元件的 选用 1 电线 电缆 从太阳能电池板至逆变器的分支及主回路，皆 为直流回路，因此所需电线电缆有人主张采用直流 专用型，对此笔者不予苟 同。用于交流回路的电线 电缆改用在直 流 回路，耐压能力可提高近 1 5倍。由于无趋肤效应，用在直流回路 比交流 回路载流能 力更强。由此可见，用于交流 回路 的电线电缆改用 直流回路是无任何问题的。用于太 阳能电站 电线电缆应有特殊要求，而不 必在交流还是直流上纠缠不清。太 阳能 电站管线 部分裸露在空中，因此要求耐恶劣环境，如在环境 温度 一 4 0 及+7 5 也能保证2 5 年的使
19、用寿命，在 海拔 2 0 0 0 m以上也能满足绝缘耐压要求，要有抗紫 外线的能力，也就是在紫外线长 时间照射下，不 至 于加速老化。耐酸碱、耐凹痕、阻燃，能与标准接头 连接。有人认为，线路不是穿管埋地或在太 阳能电池 板下敷设，怎能受到日光照射呢，这点不难解释，回 路比较长，不可能在全程上皆埋地或皆在电池板下 敷设，只要有一点裸露在外界，这点 因老化而损坏，等于此回路发生故障，线路上任何一处薄弱环节，都影响整个 回路的寿命。有抗恶劣气候性能，有耐 紫外线 功能，当然符 合耐压及载流能力要求是必备条件。满足上述要 求的电缆，不宜称是直流电缆还是交流电缆，而应 称为太阳能发电专用电缆。2 一级汇
20、流箱与二级汇流柜 按照能量传输 的方向，逐级称一级及二级。有 人把一级汇流箱称为汇流箱，二级汇流柜称之为直 流防雷 配 电箱，笔 者对此不 予苟 同。它们都 是汇 流，把太 阳能逐级汇流成总，不存在配电问题，也不 至于因为加了浪涌保护器就称其防雷配电箱，就像 电气工程应 用 2 0 1 0 3 5 中压断路器柜，柜虽装有避雷器，也不称之 为中压 避雷柜一样。笔者之所 以称二级汇流柜而非二级 汇流箱，因为二级 汇流 回路 多，容量 大，柜体 积较 大。因此称其为柜，它与箱并无实质的区别。一级汇流箱 汇流的是一个子方阵的太 阳能 电 力，一个子方阵通常包含 几个太阳能电池板串，根 据所需电压的大小
21、，每 串可串接十几个太阳能电池 板。例如每 串 l 8只电池板，每只电池板开路 电压为 4 0 V，1 8只串联后组成回路正负极问电压为 1 8 X 4 0 =7 2 0V。如果有 6个电池板 串接人一只汇流箱，每 串有 l 8只电池板，汇流箱内集 中 6个分支 回路，然后再 以一个总开关 向二级汇流柜集 中电能。这样一 只 汇流箱汇集了 6 X 1 8=1 0 8只太阳能电池板的电能。、?L 流箱里每 回路 皆装熔 断器，前 文 已提及，这 熔断器无法保护太阳能电池串的过载无短路，只能 作用是防止 完好 回路向故障短路点汇 流而造成事 故扩大。对本 回路短路，它却无能为力，因为它处 于太阳能
22、电池板线路的末端，其原理分析见图 4。L 箱 一 图4 太阳能电池板子陈列及与之 匹配的汇流箱 图 4为汇流箱与相应 的太阳能 电池板子方阵 接线方案。由图4可以看出，当电池板串的正负极 在 D点发生短路后，本回路的熔断器 1 对切除故障 无能为力，因为短路 电流 I l s c 不流经熔 断器 1，但其 它正常 回路 电流 I：。至 I n s e皆向 D点汇流，从 而使 熔断器 1 的熔丝熔 断，避免了短路牵连到正常工作 的完好回路。产生汇流现象不光是回路有短路发生，若 一个 电池串有某块电池板短路或 因故障电压降低，电池 串之间的两端电压不等，电压高的电池串的电流会 6 电 气工程 应用
23、 2 0 1 0 3 向电压低的电池串的回路返流。连接太阳能电池板的正负引 出极有专用带插 接头的电缆，这 样当电池板 之间串联 时，只要正负 引线插接 即可，另外 一极返 回至汇流箱 的一 根电 缆，可穿管沿 电池板支架敷设，最好避免直 接暴露 在阳光下。由于短路电路小，电池板可忍受长时间 的短路故障。由于每回路 两根电缆不 处于同一保 护管内，沿不同路径至汇流箱，基本上可避免短路 的发生。因此，有 的一级 汇流箱取 消了保护装置，只对回路实施绝缘监测。熔断器切除不 了回路短路 电流，只能起到其它 回路 电流不向短路点汇流。如此看来，每 回路 串人 一只二极管也可起到相 同的功能，采用二极管
24、可省 掉熔断器。不论是熔断器，还是 二极 管，不能 向主控室发 出回路故障信号，使故障长期存在，不能及时排除。如果采用带辅助接点的微型直流断路器，则可以向 主控制发出故障信号，以便维护人员及时排除故 障。采用直流微型断路器，也无必要采用三极或四 极的，因为一级汇流箱每回路的电流为电子板串的 电流。由于电池板 串联，其电流与每只电池板的电 流相 同，采用二极直流断路器即可，主要额定 电压 符合 即可。直流断路器还有一个好处，那就是随时 可切除所在 回路，如果采用熔断器，正常工作时，拔 除熔断体比较困难，也就是断路器主要是起隔离与 操作功能了。采用熔断器时，切记不可用交流熔断 器用于直流回路，因为
25、直流不过零，切 除回路 电流 困难，应当采用直流专用熔断器。二级汇流柜一般情况下，汇集十几只一级汇流 箱的电流，经总开光向逆 变器输人直流电源，经逆 变器转化为工频交流后送人地方电网。二级汇流柜中每输入回路多装二极管，防止 回 路之间的环流及系统反送电，保护多采用直流塑壳 断路器，以便 回路的操作及保护，但它与一级汇流 箱存在同样 问题，即保 护很难配合，短路 电流与最 大工作电流相近，对保护元件动作值不易确定，且 保护范围局限性很大。主要原 因保护器只能装于 电源 的末端，这样失掉 线路保护作用。不论是一级 汇流箱还是二级汇流柜，都应加浪涌保护器对雷电 过电压进行保护 3 逆变器的选取 逆变
26、器名称并不确切，有的称功率变换器或静 态变换器，它是太阳能并网电站的核心设备。它要 满足输入侧直流参数要求，又要满足电网的参数要 求，寿 要在 2 O年之上，效率 要达 到 9 0 以上，功 率因素接近于 1 且维持稳定。直流电压 电流来 自太 阳能 电池板方阵，因太 阳 能电池板串中所串人 的太 阳能 电池板个数不同，输 入的直流电压变化很大，从而使逆变器直流输入 电 压也不 同，为适应不 同的电池板 串，要求直流额定 输入电压范 围要大，如某 型逆 变器，直流输人 电压 为 4 0 0 9 0 0 V。在交流侧，国家对电网电质量要求为：电压偏差+7 一 一1 0 ；电压不平衡度为 2 ，短
27、时不超 4 ；直流分量 1；谐波畸变：3 9次 4；1 11 5次 2 ；2 8次 1；曾畸变率 1 1 0 V n或欠 电压 8 5 V n，频率误差超过 0 5 H Z，或向电网输 出电 流谐波畸变大于 5 ，或 向电网输 出直流分量大于 1 时，应与电网脱开。另外，有过流保 护及过欠 电压保护，适合 功率 大范围的变动，向系统送 电的逆变器，要有 弧岛运 行保护，即逆变器处于非弧岛运行。所谓非弧岛运 行，即电网发生短路或 断开时，逆变器退 出运行，不 向电网输送 电能，这也 防止 系统停 电维修时，由逆 变器送 电而造成人身安全事故，因此，要有逆功率 保护断路器，还要有通讯接口及远传数据
28、功能。目前所用逆变器造成上网困难，主要谐波畸变 率达不到地方电网要求，一般 出厂试验，谐波畸变都 很难达到国家规定，但实际运行时，由于各逆变器谐 波的叠加及运行条件的变化，往往又超过国家标准。对逆变器还有一个很重要的要求，即它能调整 太阳能电池板方阵的输出电流及电压，即随机跟踪 最大功率的输入。对于处于不同 日光照射条件的子方阵，各子方 阵经汇流箱汇流后，其 电压电流各不相 同，逆变器 应对不同子方 阵的输 出分别进行实时最大功率跟 踪，因此要选用 多组 串逆 变器，也就是此种逆变器 直流输人端有多个输人端，每个输入端应对所接 子 方阵实行最 大功率跟踪。对 于处于同 日照条件下 的太阳能各子
29、方阵，不存在要求采用 多路输入逆变 器，即多组串逆变器。但对于敷于建筑物上的太阳 能方阵，由于屋顶与侧墙，向阳坡 与背 向坡等敷设 位置的差异，应分别组成 子方阵，对应 逆变器不 同 的直流输入端。4 隔离变压器或升压变压器 逆变器输 出交流，要经变压器与市 电并 网，通 过此变压器，达到与 电网的电压一致。如果变压器 的变 比为 1：1，此变压器称之为隔离变压器，有 人把 升压变压 器也称 之为隔离 变压器 或联络 变压器。其中一侧绕组要“”型接法，以便对三次谐波进行 过滤。逆变器交流侧一般为 2 7 0伏，因此要变压器 输 出电网的标准电压，用户才能使用或并网。有时两台逆变器对应于一台升压
30、变压器，此变 压器要分绕组的，即两输入端，一个输出端，是否采 用三绕组的分绕组变压器要进行技术经济分析后 才能确定。5 太阳能电池板支架 简易支架可用角钢制作，也可用板材制成型钢 作为支架。支架有：1)固定支架；2)水平单轴跟踪；3)倾斜单轴跟踪；4)双轴跟踪支架。跟踪支架均为 自动调节，使之 电池板吸收最多 的太阳光能。控制系统有 的根据季节及纬度，用软 件编程实现，有的进行实时跟踪。凡是 自动跟踪支 架价格不菲，有的为 固定支架 的 5倍，且故障率较 电气工程应 用 2 0 1 0 3 7 高。对固定支架而言，价廉是最大的优点，可靠性 也更无问题。抗风速一般达 4 2 m s，但 吸收太阳
31、光 能效率最低，早上与傍 晚根本无法实现 13光与太 阳 能电池板平面法线平行。自动跟踪支架不但本体价格 贵，而所用电机供 电网络及控制 系统 投资也很 贵且施工 安装麻 烦。不论是单轴跟踪还是两轴跟踪，支架皆采用单柱支 撑，无疑会削弱它的抗风能力。为了转动太阳能电 池板时互不影响，各支架间要保持较大距离，也就 是在布置相同的电池板，它比固定支架要 占用较大 的 面积。e 线槽及电缆桥架 支线在太阳能电池板下明敷，进人一级汇流箱 穿管埋地敷设，进二级汇流柜及逆变器的电缆用桥 架敷设，也可用电缆沟。三 常见 的几个问题之我见 1 接地系统问题 太阳能电站接地 问题应分逆变器输 出的交 流 侧及输
32、人端的直流侧。交流侧多为交流 2 7 0 V，经升 压变升压后进入系统电网，交流 2 7 0 V系统，对应 的 升压变压的低压侧，升压变压器多为从 Y接线，即低压侧为“”型接线，为中性点不接地系统，即为 I T系统。高压侧多为中性点接地系统，也有可能为 中性点接地 系统，不论何 处接地 系统，其工作与保 护接地一律按常规进行，这里不必多赘述。直流接地系统与低压交流接地系统相似，也分 为 T N S、T NCS、T N C及 1 T r、I T系统，但对太 阳能发电站来说，直 流系统 多采用悬孚 系统，即 中 性点或正极，负极均不接地。这样，不 论正极 或负 极接地，均能继续工作，但这是带故障运
33、行，要配以 绝缘监测装置，以免长期存在故障，发展成两极接 地故障。每 台逆变器对应 的直流系统 应有一套绝 缘装置。2 雷击的防护问题 1)接地系统 对于敷设于建筑物上 的太阳能 电池方阵，它的 防雷与建筑物合为一体，也 即建筑物 的防雷也 即电 池方阵的防雷，其防雷做法按以往建筑物防雷规范 8 电气工程应 用 2 0 1 0 3 执行即可。对于裸露在露天的大 面积太阳能电池方阵，应 侧当别论。对交流升压变 电站，按电力规程防雷法 则进行。如高压侧为 3 5 k V或 1 1 0 k V，且主变容量在 1 0 0 0 0 k V A者，根据当地雷暴 日数，有时要设独立避 雷针，架空 线要避雷
34、线，总之，按变 电站 防雷规程 实行。对于太阳能电池方阵，采用独立避雷针做法有 时不大可行，例如一座 1 0 MW 光伏发 电站，占地面 积 4 0 01 0 0 0亩，要很 多避雷 针才行，投资非 常可 观，况且避雷针的阴影不可避免地要遮挡一部分太 阳能电池板，为形成热斑效应埋下隐患。笔者建议，电池板 串的各个支架用扁钢连成一 体(焊接)，用扁钢埋地绕分方阵一周，(分方阵对应 于一台逆变器)且各级汇流箱接地连成一体，(汇流 箱有外壳及浪涌保护器 的接地)，不必另打垂直接 地极，因为对大面积接地来说，垂直接地极接地效 果很小，况且 电池板支架 的基础也属于接地极 的一 部分，环型接地 又有均压
35、 之效。由此可见，水平接 地带足够满足要求。2)雷击 电池板危害分析 万一雷击 电池板，是太阳能 电池板短路还是开 路呢?这两种可能均存在，如果雷击造成电池正负 极短接，造成所在电池板串两端电压降低，其它完好 电池板串向此汇流。笔者认为，造成开路的可能性更 大，因为一块太阳能电池板，其上百块电池片串连接，电池片的正负之间串联线也有近百处，电池板与电池 板组成的电池板 串，也都是串联，只要任一处连接线 因雷击断开，整个电池串的回路也就断开。电池片正负极均有密密麻麻的铜线条汇成，通 过带屏蔽的电缆与汇流箱浪涌保护器相连，这对防 感应雷是有作用 的。如果直击 雷击 中太 阳能电池 板，由于太阳能 电
36、池片正负极导线非常细，加之与 装在汇流箱内浪涌保护器相距较远，浪涌保护器对 直击雷无能为力，因此，浪涌保护器主要 防感应雷。一级汇流箱浪涌保护器额定通流能力不小于 4 0 k A (8 2 0 1x s)，二级汇流柜浪涌通流能力可为 2 0 k A。3)其它注意事项 电缆采用金属屏蔽或穿金属保护管，对 防感应 雷固然有利，但有时也许没有多大必要。进入一级 汇流箱的一个电池板 串的回路，它是 电池串的正负 极的二 导线，其中一根是电池板 自带插 口插头导 线，它们是手拉手插接 串联；另一根穿保 护管进人 一级汇流箱，如果保护管敷设于 电池板支架上切处 于电池板的遮护之下，也就是线路处于支架保护之
37、 下，此时导线是否屏蔽，是否穿金属管，对 防雷来说 意义并不太大了。如果电池板金属支架边沿高出电池板，对防直 击雷非常有利，但这会增加支架 的钢材消耗量。如 果在支架上装避雷短针，对直击雷 防护更 有利，但 也非常难看，目前尚未见到此种做法。目前投产 的大型太 阳能发 电站 多在中国西北 地区，这种地 区干旱少雨 少雷暴，对雷击 的危害 尚 未形成突出矛盾及问题。因此，大型太阳能发电站 的防雷问题还要继续 探讨，如太阳能 电池板方 阵属几类 防雷设备，接地 电阻应 当多少等有待规定。1 直流回路的保护及绝缘线的选型 前文已分析，短路 电流与最大工作 电流相差无 几，如P B一 2 9 0 型光
38、伏电池，最大工作电流7 8 2 A，短路电流 8 4 2 A，相差不足 8，有 的保护用熔断器 熔丝电流选用 1 5 A，且置于一级汇流箱 内，绝对保护 不了本 回路的短路故障。如果作 为操作 电器，那也 是不妥 的，如果 防止其 它电池 串向短路点汇流(非 环流)，每 回路装 一个二极管即可。若一级汇流箱 装微断，此微断带有辅助接点，可 向主控室发信号。微断有操作 功能，有隔离功能(要有厂家制造有隔 离功能的微断)，有防止汇流情况 的发生，不过直流 微断要满足电压要求，价格过高。绝缘导线分直 流与交流无 意义，只要 电压符合 载流能力及压降满足，机械强度满足，且适应环境 恶劣气候 即可。有人
39、 建议采用插接 头接 连的专用 直流电缆，笔者认 为无此必要。电缆接头可在接线 盒中进行，接头可用热缩导管闭封，在保护管内禁 止导线有接头。如果每个电池串的两根导线进人一级汇流箱采用 分管敷设，汇流箱内正极母线与负极母线分开一定距 离，这样基本上不存在电池串正负极间短路的可能。2 太阳能电池板支架的布置 太 阳能发电站对应太阳能电池阵列，整个阵列 由一个或几个分阵列组成，每个分 阵列对于一台二 级汇流箱，一 台或 两 台二 级汇 流箱对应 一 台逆 变 器。每个分阵列又分几个 子阵列，每个子阵列 由多 个太 阳能电池板串组成，每个子 阵列对应一 台一级 汇流箱。电池板串是把支架上的电池板串联而
40、成，每个 电池板上嵌入近百只太阳能电池片。由此可见，太阳能 电池阵列全部是 由电池支架 及上的电池板组 成，支架上放 电池板，但对整个 阵 列而言，若阵列是一个集 团军，一只 电池板支架 可 看做一个士兵。电池板支 架排列非 常重要。要使 电池板受光照最充 足，占地面积最少，所用 电缆最 少，相互之间不要互相遮挡。太阳能电池板 中间的间距，原则是上午 9点，下 午 3点，电池板间不应被遮挡光线，这与所处的纬度 不同，太阳能电池板支架 高度不同而不 同。这要通 过几何绘图及三角函数计算获得。在北京某处的 纬度，当固定支架距地 2 m高时，间距约为 5 9 m。为运输方便，子阵列之间宜 留 4 m
41、宽 的沙石路，当逆变器，升压变及高低压龟气装于一台箱式变电 站内，应 留有 6 m宽的水泥通道，与系统联 网有大型 变电设备时，也应考虑相应 的运输通道。上述各种 运输通道当然可兼做消防通道。四主接线系统 1 一级汇流箱主接线 前文所 述，分 支 回路 可用 微 断作操 作保 护 电 器，若支路较少，由于处于电路末端且短路电流与 最大工作电流不相上下，且基本上不可能发生短路 故障，因此分支路不设操作保护电器也是允许的。接线图，如 图5所示。电气工程 应 用 2 0 1 0 3 9 图5 a 一级汇流箱主接线+一 十 一 十 一 1 由 f 1 i 一!图 5 c 十 一+一+一 7 I2 、一
42、 一 一 f-一 J 图 5 d +馈线总开关正负极分别采用一只双极开关，为 增大开断能，两极串接，操作时同步操作以利开断。之所以正负分别接人开关，是为了正负极间拉开间 距，不易产生短路故障。(尤其是弧问短路)为检查 接地故障及为操作及保护，支路宜用微断。1 O 电 气工程 应 用 2 0 1 0 3 2 二级汇流柜主接线 二级汇流柜电气主接线见图 6。图6 二级汇流桓主接线 之所以称为“柜”，是因为它容量大，回路多，柜 体大，与“箱”无本质区别。二级汇流柜汇流来自一 级汇流箱的电流，为防止一级汇流箱输出回路发生 正负极短路后，其它完好回路向故障点汇流，在二 级汇流柜每分支回路串人二极管，或者
43、加操作保护 电器，亦能避免向故障点汇流现象出现。浪涌保护采用全模式，正对地、负对地及正负之 间过电压均可保护，电回路电压为 I O 0 0 V时，电压保 护水平不大于 2 8 k V。3 逆变器交流侧主接线 1)对于升压变压器来说，若高压侧为 6一 l O k V，且 发 电站有 多台逆变器及 多台升压变压 器 时，6 一 l O k V可用环网接线。这样一方面可以看作 以双路电缆向系统送电，而且投资省、体积小，在箱 变内即可装下，接线图见图7。图7 交流高压侧采用环罔柜 2)交流高压侧采用中置柜，耳 具有测量及计量功能 由于采用中置柜，体积大，台数多，箱变内已放 置不下，只得另建变电所 了。
44、由于带有计量及测 一、r，一 十 一 1r：=一，+、。一 一 ；十 图 一-、。T 一 量，可以测得逆变器向电网输送的电能及功率。接 线图见图 8 进 线 计 蕊 P T 馈线 王 口 惑 玎 露 喜 笠 理，盐 黼 图8 交流高压侧采用带计量及测量的中置柜 3)交流侧带有应急电源接线 为了取得可靠电源，可从逆变器与升压变取得。当逆变器维修或夜 间无阳光时，可从系统取得电源。当系统 维修 时，可从逆 变器 获得 电源。接 线 图见 图 9。光 伏 阵 列 萼 挛 霭 一 一 f n 。隔离变。一一一 一 P一 一，、一、。3 王川：用于大型同步发电机出口及厂用变分支的大容量快 速开断装置 J
45、)，水电电气。2 0 0 1 年版。4 王胜涛、郝海燕：大容量高速开关装置在电力系统中的应 用与节能(J)，赛尔电气应用。(原载 电气传动 自 动4 5)2 0 0 9 年第5 期)(上接 1 2页)除。对直流汇流柜各回路监视及投切，根据辐照情 况，可灵活投切某 台逆变器。对于一级汇流箱，由于过 于分散，且数量繁 多，对箱内分支 回路监测 意义不大，且 网络费高 昂，宜 不考虑。如果太 阳能 电池板 支架采用光照跟踪支 架，要纳入计算机监控系统。汇流箱。汇流柜开关量信号，应取 自开关的辅 助触点，为实现对开关遥控，开关要有分离脱扣及 2 4 电气工程应 用 2 0 1 0 3 电动合闸机构。为实现计算机监控，逆变器要有通信接口。2 安保 电站周围要有保安照明及摄像头，在主控室监 视器进行监视 3 消防 消防要与当地消防部门协商且通过认可，一般 要设自动消防报警及灭火装置。脯 罄 一