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1.5MW光伏并网系统技术方案


1.5MW 光伏并网系统 技 术 方 案

北京市太阳能研究所集团有限公司

姜永:13164221676

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公司简介
北京市太阳能研究所集团

(以下简称北太所集团) 成立于 1979 年,是北京市政府直接批文成立的中国最早的太阳能专业研究机 构。时至今日,北太所集团已成为中国在太阳能行业最具研发实力 的、集科研、生产、销售于一体的高科技集团公司,并在国际上享 有较高声誉。 北太所 1979 年成立,1985 年率先实行企业化管理,1988 年成 立了第一家全资子公司,2004 年完成改制,2010 年引入战略投资, 2011 年制定九年发展规划,2012 扩张为集团。可以说,北太所集 团的发展历程, 是我国传统科研院所由国有体制向市场化转变的一 个完整的缩影。北太所集团现有的研究领域分为太阳能光热技术、 太阳能光伏技术、生物质燃料技术及相关材料科学研究,并在相关 领域处于技术领头羊位置。 经营业务涉及太阳能低温、 中高温应用、 太阳能光热电站建设、太阳能光伏电站建设、生物质技术应用、合
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同能源管理、全系统解决方案集成、装备制造及技术咨询、新能源 文化传播、地产置业等。 公司最大的资产是聚集了一批专门从事太阳能研究、 开发生产 的高级专业人才,诞生了 10 位享受国家政府津贴和国务院授予的 国家级有突出贡献专家,大专学历以上专业技术人员占 90%。北太 所集团产品出口全世界 80 多个国家和地区,其中热管式真空集热 管和平板集热器通过了欧洲 TUV 认证、欧洲 CE 认证、欧洲太阳能 产品认证、美国检测认证以及韩国、西班牙、法国、瑞士太阳能检 测认证,达到了德国工业标准 DIN4757。自 79 年成立以来,共获 国家专利 261 项,荣获国家和部、市级科技进步奖 45 项,尤里卡 发明奖一项。2010 年荣任首届“平板太阳能热利用专业委员会” 常务副会长单位。到 2011 年已累计技工贸总收入超过 41 亿元,出 口创汇近 2 亿美元。并培育成熟了桑普、桑达两个行业品牌,享誉 国内、国际市场。 2010 年,中能华辰集团以战略投资的形式入

主北太所, 新一届领导班子推出九年规划以培育桑普 “第一文化” , 将使北太所集团在技术和产业两方面同时向行业的顶峰迈进。

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一、相关规范和标准
1.1 光伏电池组件制造、试验和验收可参考如下标准: GB/T 6497-1986 地面用太阳电池标定的一般规定

GB/T 9535-1998(IEC61215) 地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型 GB/T 18210-2000 晶体硅光伏(PV)方阵 I-V 特性的现场测量 GB/T 18479-2001 地面用光伏(PV)发电系统概述和导则 GB/T 12632-1990 单晶硅太阳电池总规范 1.2 本并网逆变系统的制造、试验和验收可参考如下标准: GB/T 191 GB/T 19939-2005 包装储运图示标志 光伏系统并网技术要求

GB/T 20046-2006 光伏(PV)系统电网接口特性(IEC 61727:2004,MOD) GB/Z 19964-2005 光伏发电站接入电力系统技术规定 GB/T 2423.1-2001 电工电子产品基本环境试验规程 试验 A:低温试验方法 GB/T 2423.2-2001 电工电子产品基本环境试验规程 试验 B:高温试验方法 GB/T 2423.9-2001 电工电子产品基本环境试验规程 试验 Cb:设备用恒定湿热试验 方法 GB 4208 外壳防护等级(IP 代码)(equ IEC 60529:1998) GB 3859.2-1993 半导体变流器 应用导则 GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波

GB/T 15543-1995 电能质量 三相电压允许不平衡度
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1.3 升 压 系 统 制 和验收可参考如下标准: GB311.1~6—83 GB311.7—88 GB1207—86 GB1207—87 GB1984—89 GB1985—89 GB3906—91 中压输变电设备的绝缘配合,高电压试验技术 中压输变电设备的绝缘配合使用导则 电压互感器 电流互感器 交流中压断路器 交流中压隔离开关和接地开关 3~10KV 交流金属封闭开关设备

造、试验

GB7261—87 GB11032—89 GB50150—91 GB1094.1 GB1094.2 GB1094.3 GB1094.5 GB/T4942 GB15166.2

继电器及继电保护装置基本试验方法 交流无间隙金属氧化物避雷器 电气装置安装工程电气设备按接试验标准 电力变电器 电力变电器 电力变电器 电力变电器 第 1 部分 第 2 部分 总则 温升

第 3 部分 绝缘水平和绝缘试验 第 5 部分 承受短路的能力

外壳防护等级(1P 代码) 交流中压熔断器 限熔断器

二、 1MW 光伏电站系统图

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三、 系统介绍
根据系统设计要求,1.5MW 光伏电站接入 15KV 中压电网实现并网发电,本系统按照 3 个相同的 500KW 并网发电单元进行设计,并且每个单元均采用一次升压设计方案,即从 0.27KV 升压至 15KV。 3.1 电池板选型.方阵效率.方阵角度.方阵辐射量.方阵排列。 (1)单晶硅光伏组件与多晶硅光伏组件的比较 单晶硅太阳能光伏组件具有电池转换效率高,商业化电池的转换效率在 17%左右,其 稳定性好,同等容量太阳能电池组件所占面积小,但是成本较高。 多晶硅太阳能光伏组件生产效率高,转换效率略低于单晶硅,商业化电池的转换效
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率在 13%-15%,在寿命 定的效率衰减,但成本较低。 两种组件使用寿命均能达到 25 年,其功率衰减均小于 15%。

期内有一

(2)根据性价比本方案推荐采用多晶 240WP 太阳能光伏组件,该电池板开环电压 37.5V,工作电压 29.5V,考虑到逆变器的耐压和最佳效率,选择 20 节电池板串联,开路 电压 750V,工作电压 590V, (3)功率为并网光伏系统效率计算 并网光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率、逆变器效率、交流并网等三部分组 成。 一:光伏阵列效率η 1:光伏阵列在 1000W/m2 太阳辐射强度下,实际的直流输出功率 与标称功率之比。光伏阵列在能量转换过程中的损失包括:组件的匹配损失、表面尘埃 遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响、最大功率点跟踪精度、及直流线路损 失等,取效率 85%计算。 二:逆变器转换效率η 2:逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比,取逆变器 效率 95%计算。 三:交流并网效率η 3:从逆变器输出至高压电网的传输效率,其中主要是升压变压 器的效率,取变压器效率 95%计算。

四:系统总效率为:η 总=η 1×η 2×η 3=85%×95%×95%=77% (4)倾斜面光伏阵列表面的太阳能辐射量计算 从气象站得到的资料,均为水平面上的太阳能辐射量,需要换算成光伏阵列倾斜面 的辐射量才能进行发电量的计算。 对于某一倾角固定安装的光伏阵列,所接受的太阳辐射能与倾角有关,较简便的辐 射量计算经验公式为: Rβ =S×[sin(α +β )/sinα ]+D 式中:Rβ ——倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量 S ——水平面上太阳直接辐射量 D ——散射辐射量 α ——中午时分的太阳高度角
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β ——光伏阵列

倾角

根据当地气象局提供的太阳能辐射数据,按上述公式计算 不同倾斜面的太阳辐 射量,具体数据见下表:

表 10 不同倾斜面各月的太阳辐射量(KWH/m2)
倾角β 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10 月 11 月 12 月 全年 30° 136.5 146.7 193.1 180.4 247.8 241.6 230.7 226.2 196.3 181.9 142.3 127.4 2251.3 34° 140.5 149.8 194.7 180.2 245.6 238.5 228.1 225.2 197.6 185.5 146.6 131.7 2264.7 36° 142.3 151.1 195.3 179.9 244.3 236.7 226.5 224.5 198 187.1 148.5 133.7 2268.4 38° 144 152.3 195.8 179.4 242.7 234.7 224.7 223.5 198.2 188.4 150.3 135.5 2270 40° 145.6 153.4 196.1 178.9 240.9 232.5 222.7 222.3 198.2 189.6 151.9 137.2 2270 42° 147 154.3 196.2 178.9 239 230.1 220.5 220.9 198.1 190.6 153.4 138.8 2268 44° 148.3 155.1 196.1 178.2 236.9 227.5 218.1 219.3 197.7 191.4 154.7 140.3 2263 46° 149.4 155.7 196 177.4 234.5 224.8 215.5 217.5 197.2 192 155.9 141.6 2257 50° 151.4 156.5 195.1 176.4 229.3 218.7 209.8 213.3 195.5 192.6 157.8 143.8 2239

(5)、太阳能光伏组件串并联方案 太阳能光伏组件串联的组件数量 Ns=880/37.5±0.5=24(块),这里考虑温度变化系 数,取太阳能电池组件 20 块串联,单列串联功率 P= 20×240Wp=4800Wp; 单台 500KW 逆变器需要配置太阳能电池组件串联的数量 Np=500000÷4800≈104 列, 1.5 兆瓦太阳能 240*20=4.8KW,对于 500K 的系统,共 500/4.8=104 组,电池板 20*104=2080 块。光伏电伏阵列单元设计为 312 列支路并联,共计 6240 块太阳能电池组 件,实际功率达到 1497.6KWp。 (6)、太阳能光伏阵列的布置 一 :光伏电池组件阵列间距设计 为了避免阵列之间遮阴,光伏电池组件阵列间距应不小于 D: D=0.707H/tan〔arcsin(0.648cosΦ -0.399sinΦ )〕 式中Φ 为当地地理纬度(在北半球为正,南半球为负),H 为阵列前排最高点与后排组
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件最低位置的高度 根据上式计算,求得:D=5025 ㎜。 取光伏电池组件前后排阵列间距 5.5 米。

差)。

5500

5500

1735

1735

二:太阳能光伏组件阵列单列排列面布置见下图:

3.2 直流汇流箱 在本系统中,选用 16 汇 1 的汇流箱,每 16 组接一个汇流箱,每个 500KW 的并网单 元共 104 组,需配置 7 台汇流箱,则整个 1.5MWp 并网发电单元需配置 21 台汇流箱。

1735

00 27

00 27

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3.3 直流配电柜 每台 BNSG-500KTL 并网逆变器配置 1 台 500K 的直流防雷配电柜, 整个 1.5MWp 并网 系统需配置 3 台直流防雷配电柜。 3.4 并网逆变器 每个 500KW 并网发电单元配置 1 台 500KW 并网逆变器,整个 1.5MW 系统共配置 3 台 500KW 并网逆变器。 3.5 0.27/10KV 升压装置 每个 500KW 并网发电单元配置 1 台 0.27/15KV、500KW 升压变,整个 1.5MW 系统共配 置 3 台 0.27/15KV、500KW 升压变。 3.6 监控装置 为了实时监测并网发电系统的运行状态和工作参数,采用 RS485 通讯方式实现,整 个系统共需配置 1 套多机版监控软件。 为了实时监测现场的环境情况:如风速、风向、日照强度和环境温度,系统配置 1 套环境监测仪。

四、光伏阵列防雷汇流箱
本系统共需 21 台一级汇流箱,此汇流箱均为 16 汇 1,型号为 SPVCB-16M。 4.1 性能特点 该汇流箱具有以下特点: 1) 防护等级 IP65,防水、防灰、防锈、防晒、防盐雾,满足室外安装的要求; 2) 可同时接入 18 路电池串列,每路电池串列的允许最大电流 10A; 3) 每路接入电池串列的开路电压值可达 880V; 4) 直流输出母线的正极对地、负极对地配有光伏专用防雷器,选用菲尼克斯品牌防
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雷器,其额定 电流≥15KA,最大电流≥30KA; 5) 汇流后输出配有 ABB 品牌直流断路器; 6) 每路直流输入端均配有耐压等级为 1200V 的防反二极管。 4.2 原理框图 汇流箱

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光伏阵列防雷汇流箱

熔断器

电池串列1(+) 电池串列1(-) 电池串列2(+) 电池串列2(-) 电池串列3(+) 电池串列3(-) 电池串列4(+) 电池串列4(-)

S1+ S1熔断器

S2+ S2熔断器

+

S3+ S3熔断器 断路器

直流输出(+) 直流输出(-)

S4+ S4-

熔断器

电池串列N(+) 电池串列N(-)

SN+

防雷器

SN接地

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4.3 技术参数 光伏阵列防雷汇流箱的技术参数如下: 型号 直流输入路数 直流输出路数 直流输入的正负极线径 直流输出的正负极线径 直流输出最大电流 防护等级 体积(宽×深×高) 重量 BH10A-18 18 路 1路 4mm2 35mm2 180A IP65 670×500×202mm 40KG

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4.4 设备图片

五、直流防雷配电柜
本系统共配置 2 台均为 500K 的直流防雷配电柜,配电柜安装在室内,主要是将汇流箱 输出的直流电缆接入后进行汇流,再经电缆与并网逆变器连接,方便操作和维护。 5.1 性能特点 主要性能特点如下: 1) 每台直流防雷配电柜按照 500KW 配电单元设计,与 500KW 并网逆变器匹配; 2) 每路直流输入侧都配有可分断的直流断路器和防反二极管,其中断路器选用 ABB 品牌; 3) 直流输出侧配置菲尼克斯光伏专用防雷器, 其额定电流≥15KA, 最大电流≥30KA; 4) 直流母线输出侧配置 1000V 直流电压显示表和 1500A 直流电流显示表;

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5.2 原理框图如下图所示

直流防雷配电柜
断路器 二极管

直流输入1 直流输入2 直流输入3

+

断路器 二极管

断路器 二极管

+

断路器 二极管

+

电压表

电流表

V

A 直流 - 输出
+

直流输入4 +

-

断路器

防雷器 二极管

+ 直流输入N-

接地

六、并网逆变器
整个 1.5MWp 系统共需配置 3 台 BNSG-500KTL 并网逆变器。 6.1 性能特点 BNSG-500KTL 并网逆变器采用美国 TI 公司专用 DSP 控制芯片,主电路采用日本三菱 IGBT 模块组装,运用电流控制型 PWM 有源逆变技术,可靠性高,保护功能齐全,且具有 电网侧高功率因数正弦波电流、无谐波污染供电等特点。 该并网逆变器的主要性能特点如下: ●采用美国 TI 公司 DSP 芯片进行控制;
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●采用日本三菱 IGBT 模块,增强系统的可靠性; ●光伏电池组件的最大功率点跟踪技术(MPPT); ●具有直流输入手动分断开关,交流电网手动分断开关,紧急停机操作开关; ●具有先进的孤岛效应检测方案及完善的监控功能; ●具有过载、短路、电网异常等故障保护及告警功能; ●宽直流输入电压范围,整机效率高达 98.7%; ●并网逆变器正常工作允许电网三相线电压范围为:AC230V~AC310V,频率范围为: 48-52Hz; ●人性化的操作界面,英文菜单,可显示设备的各项运行数据、实时故障数据、历 史故障数据、总发电量数据和历史发电量数据,以及设备的工作状态。 ●可提供 RS485 远程通讯接口,遵循 Modbus 通讯协议; 6.2 电路结构

直流断路器 + 直流EMI 滤波器 + 直流断路器 + 直流EMI 滤波器
LCL滤波器

交流主接触器

交流断路器

交流EMI 滤波器

三相全桥IGBT主功率电路

交流防雷器

接地

BNSG-500KTL 并网逆变器主电路拓扑结构 如上图所示,BNSG-500KTL 并网逆变器的的主电路拓扑结构,并网逆变电源通过三相 桥式变换器,将光伏阵列输出直流电压变换为高频的三相斩波电压,并通过滤波器滤波 变成正弦波电压接着通过外置的三相变压器隔离升压(根据接入电网要求,变压器另配) 后并入电网发电。为了使光伏阵列以最大功率发电,在直流侧使用了先进的 MPPT 算法。

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6.3 技术参数 型 号 BNSG-500KTL 无工频变压器

隔离方式 直流输入 推荐太阳电池阵列功率 最大太阳电池阵列功率 最大阵列开路电压 太阳电池最大功率点跟踪(MPPT)范围 (输入电压范围) 最大输入电流 交流输出 输出额定交流功率 最大交流输出功率 最大交流输出线电流 额定输入输出时电流谐波含量(THD) 额定输入时输出功率因数 最大效率 欧洲效率 电网额定电压 允许电网电压范围(三相) 输出额定电压 电网频率波动范围 系统 夜间自耗电 自动投运条件 断电后自动重启时间

500KWp 550KWp 900Vdc 450Vdc~880Vdc 1200A

500KW 550KW 1070A <3% >0.99 98.5% 98.3% 270V 230VAC~310VAC 270VAC 47.5~51.5Hz

<100W 直流输入及电网满足要求,逆变器自 动运行 3min 直流、交流过压及欠压保护,交流过、

保护功能

欠频保护,过载保护,短路保护,漏 电保护,过热保护,防孤岛保护等

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通讯接口 电气绝缘性能 直流输入对地 直流与交流之间 使用环境温度 使用环境湿度 允许最高海拔 冷却方式 噪音 防护等级 显示方式 显示界面 语言种类 机械参数 尺寸(宽×深×高) 重量

RS485 1500VAC,1 分钟 1500VAC,1 分钟 -25℃~+55℃ 0~95%,不结露 6000 米(超过 2000 米需降额使用) 强制风冷 ≤60dB IP20(室内)

触摸屏 中英文

1600×800×2060 1800KG

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6.4 设备图片

BNSG-500KTL 光伏并网逆变器

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6.5 设备结构图:

吊装门

DC LIGHTNING PROTECTION DISTRIBUTION CABINET

观察窗

观察窗

温控器

合 页

BNSG-500KTL 光伏并网逆变器

七、监控系统
7.1 系统介绍 本系统采用 RS485 总线通讯方式实现远程通讯功能,这是一种非常通用可靠的通讯 方式,支持多种通讯协议,可与电力监控进行通讯。用户可以通过上位机监控软件,方 便直观地查看当前逆变器的运行数据和运行状态,同时可以查询历史数据和故障数据。 整套系统安装 1 套多机版监控软件,可集中监控 20 台逆变器的工作状态,需数据采 集器 1 台。

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7.2 监控内容 (1)光伏并网系统的监测软件可连续记录运行数据和故障数据如下: ? 实时显示电站的当前发电功率、日发电量、累计总发电量。 ? 可查看每台逆变器的运行参数,主要包括: A、直流电压 B、直流电流 C、直流功率 D、交流电压 E、交流电流 F、当前发电功率 G、逆变器频率 H、时钟 I、日发电量 J、累计发电量 ? 监控所有逆变器的运行状态,采用声光报警方式提示设备出现故障,可查看故障 原因及故障时间,监控的故障信息至少包括以下内容: A、电网电压过高; B、电网电压过低; C、电网频率过高; D、电网频率过低; E、直流电压过高; F、逆变器过载; G、逆变器过热; H、逆变器短路; I、逆变器孤岛; J、通讯失败;

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(2)监控装置可每隔 5 分钟存储一次电站所有运行数据,可连续存储 20 年以上电站所 有的运行数据和所有的故障纪录。 (3)可长期 24 小时不间断运行在中文 WINDOWS 2000,XP 操作系统。 (4)监控主机同时提供对外的数据接口,即用户可以通过网络方式,异地实时查看整 个电源系统的实时运行数据以及历史数据和故障数据。 (5)显示单元可采用大液晶电视,具有非常好的展示效果。

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八、环境监测仪
本系统配置 1 套环境监测仪 ( 如下图所示 ) ,用来监测现场的环境情况:

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该装置由一体化风速风向传感器、日照时数传感器、测温探头、控制盒、稳压电源 及支架、气象环境监测纪录仪等组成,适用于气象、军事、船空、海港、环保、工业、 农业、交通等部门测量水平风参量及太阳辐射能量的测量。可测量环境温度、风速、风 向和辐射强度等参量,其 RS485 通讯接口可接入并网监控装置的监测系统,实时记录环 境数据。 1、新型一体化风速风向传感器。 采用便携式防水防震结构设计,可在野外全天候使用,检测精度高,低功耗环保节 能设计。该仪器广泛用于环保,气象,农业,林业,水利,建筑,科研及教学等领域。 风速、风向传感器技术参数如下: 项 目 起动风速 测量范围 精 确 度 分 辩 率 距离常数 输出信号形式 工作电压 工作电流 加热器功率 抗风强度 最大高度 最大回转半径 环境温度 环境湿度 2、日照时数传感器 日照时数定义: 为太阳直接辐照度达到或超过 120W/m2 时间段的总和, 以小时为单位, 取一位小数。日照时数也称实照时数。日照传感器主要有:直接辐射表、双金属片日照
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风向
≤0.4m/s 0~75m/s

风速
≤0.4m/s 0~360° ±3° 2.8125° ≤1.5m 七位格雷码(或电位器) DC5V(或 12V)

±(0.3+0.03V)m/s 0.1m/s ≤3m 脉冲(频率) DC5V(或 12V)

5mA
无加热

70mA

>80mS
270mm 113mm -40℃~+55℃ 100%RH 252 mm 440mm

传感器与旋转式日照传感器等。 灵敏度 时间响应 内阻 稳定性 余弦 光谱范围 温度特性
信号输送距离 信号输出 7-14?V/W/m2 小于 10 秒(99%) 400Ω ± 2% ≤+10%(晴天太阳高度为 10° 时,对理想值的偏差

0.3-3.0
± 2%(-20℃~+60℃) 150 米 0~20mV

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序 号

名称 电池组件 及支架

型号规格 ZJ-240 JN-240 SPV-16 SDCPG-3(500KW) SG500K3 SPS-PVNET EBOX746-EFL 三星 19 寸 SSYW-01

数量 6240 个 6240 块 21 台 3台 3台 1套 1台 1台 1台

1 3 3 4 5 6 7 8

太阳电池组件 光伏阵列防 雷汇流箱 直流防雷 配电柜 光伏并网 逆变器 多机版监 控软件 工控机 液晶显示器 环境监测仪

9 10 11 12 13

15KV 升压站 系统的防雷和接地装置 土建及配电等基础设施 系统连接电缆线及防护材料 总价

10/0.4KV(1MWp) - - -

1套 1套 若干 若干

九、主要设备清单

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十:案例及图片

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