并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

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摘要：從理論角度介紹了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，包括光伏組件的裝機(jī)容量設(shè)計(jì)、并網(wǎng)逆變器的配置、電氣設(shè)計(jì)、系統(tǒng)接入電網(wǎng)設(shè)計(jì)和安裝支架的設(shè)計(jì)，并通過設(shè)計(jì)實(shí)例闡述了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)；光伏組件；并網(wǎng)逆變器

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是指太陽能發(fā)電設(shè)備發(fā)出的電能通過并網(wǎng)設(shè)備直接發(fā)送到市電電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)作為分布式發(fā)電的一種主要供電單元，需要與市電電網(wǎng)保持相同的運(yùn)行參數(shù)，使電網(wǎng)能安全、可靠地運(yùn)行。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)相比獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣組成來說結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它只需要有發(fā)電單元（光伏組件組成的方陣）、并網(wǎng)設(shè)備（并網(wǎng)逆變器）、升壓設(shè)備及其他輔助設(shè)備即可。光伏電池組件利用光電效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)變成直流電能，經(jīng)逆變器逆變后，根據(jù)光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定、光伏電站容量確定光伏電站接入電網(wǎng)的電壓等級(jí)，由變壓器升壓后接入公共電網(wǎng)。其技術(shù)難點(diǎn)主要在于：a)并網(wǎng)逆變器需要工作于最大功率點(diǎn)附近；b)跟蹤電網(wǎng)參數(shù)并與之保持一致。目前，國家對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的管理模式分為兩種：a)分布式光伏電站。它的建設(shè)位置可以是工商業(yè)及民用屋頂、農(nóng)業(yè)大棚、荒山荒坡、灘涂、湖泊水面等距離用電單元較近的地方，生產(chǎn)出的電量可以是全額上網(wǎng)銷售，也可以采取“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的運(yùn)行模式。b)集中式地面光伏電站。這種電站一般建在綿延的山地、戈壁沙灘等非農(nóng)業(yè)耕地，裝機(jī)容量比分布式光伏電站的容量大，生產(chǎn)的電能經(jīng)過逆變升壓后就近并入輸電電網(wǎng)。由于國家對(duì)所產(chǎn)電能的管理方法不同，這兩種類型的電站所產(chǎn)生的電能的經(jīng)濟(jì)效益也有較大的區(qū)別。

1并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖1是并網(wǎng)光伏電站的結(jié)構(gòu)示意圖，系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)需要嚴(yán)格按照業(yè)主的要求及相關(guān)技術(shù)規(guī)定完成。

1.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)

光伏電池組件利用光電效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)變成直流電，經(jīng)逆變器逆變后，根據(jù)光伏電站容量與Q/GDW1617—2015《光伏發(fā)電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》來確定光伏電站接入電網(wǎng)的電壓等級(jí)，可以直接接入或者由變壓器升壓后接入公共電網(wǎng)。對(duì)于按照分布式發(fā)電管理的光伏電站，它的裝機(jī)容量可以根據(jù)電站的場(chǎng)地面積來確定，也可以根據(jù)業(yè)主的用電需求來確定，還可以根據(jù)業(yè)主擬投入資金量來確定。這幾種方式可以靈活運(yùn)用，但是第二種方式，可以通過精確的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)投資收益的最大化，尤其對(duì)于工商業(yè)屋頂電站來說，收益較戶用電站投資收益高60%以上，投資回收期大大縮短。因此，大型工業(yè)廠房、商業(yè)建筑、體育場(chǎng)館、學(xué)校醫(yī)院等公共建筑屋頂光伏電站的開發(fā)在中國具有較廣闊的市場(chǎng)。農(nóng)村及鄉(xiāng)鎮(zhèn)自有房屋可根據(jù)屋頂面積及結(jié)構(gòu)形式安裝小規(guī)模屋頂電站，國家通過出臺(tái)光伏扶貧政策、銀行貸款和引進(jìn)社會(huì)資金等方式推廣屋頂光伏電站的投資和建設(shè)。電站裝機(jī)容量可以用電腦軟件或者手機(jī)APP進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。大型地面電站的裝機(jī)容量，需要結(jié)合地形地貌和地質(zhì)結(jié)構(gòu)做詳細(xì)設(shè)計(jì)，尤其在荒山荒坡和丘陵地帶，由于地勢(shì)起伏，每一位置的朝向不同，設(shè)計(jì)和排布組件的工作非常復(fù)雜。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的不同之處是前者不需要設(shè)置儲(chǔ)能設(shè)備，不需要針對(duì)負(fù)載來進(jìn)行裝機(jī)容量設(shè)計(jì)，只需要根據(jù)安裝場(chǎng)地地理位置、地形地貌、可用面積等進(jìn)行組件排布。如果是工商業(yè)屋頂電站，為了實(shí)現(xiàn)電站投資收益的最大化，需要對(duì)用電負(fù)載進(jìn)行綜合考慮，使發(fā)電量與用電量達(dá)到高度同步及匹配。案例分析：新疆哈密地區(qū)進(jìn)行光伏電站建設(shè)初步設(shè)計(jì)，2000畝（1.33km2）非農(nóng)業(yè)用地，地勢(shì)較平坦，選用A品牌組件額定功率250Wp，外形尺寸1650mm×960mm，組件排布方式如圖2所示，每組20個(gè)組件串聯(lián)后進(jìn)入?yún)R流箱。系統(tǒng)以1MWp容量作為一個(gè)光伏發(fā)電單元，每個(gè)單元包含200串組件。經(jīng)PVsyst軟件設(shè)計(jì)，支架選用固定最佳傾角40°安裝。初步估算，電站可裝機(jī)規(guī)模為50MWp，包含50個(gè)1MWp容量的光伏發(fā)電單元。

1.2并網(wǎng)光伏電站的逆變器選用

光伏組件裝機(jī)容量確定后，需要依據(jù)容量選擇并網(wǎng)逆變器。并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心機(jī)構(gòu)，它的作用是將光伏陣列生產(chǎn)的直流電能轉(zhuǎn)變成AC220V或者AC380V的電能，同時(shí)跟蹤電網(wǎng)電能的電壓、頻率、相位等參數(shù)。日照變化的不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致直流電流及直流電壓的瞬時(shí)變化，逆變器通過跟蹤最大功率技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輸出電能的穩(wěn)定。另外，為了保證安全工作，逆變器還應(yīng)具備一定的保護(hù)功能以及防孤島效應(yīng)的監(jiān)測(cè)與控制功能。逆變器首先用傳感器對(duì)交流電網(wǎng)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后將采樣結(jié)果傳送給微處理器的A/D轉(zhuǎn)換器，處理器將處理結(jié)果與采樣的電流信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，將得到的偏差經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后送到PWM脈寬發(fā)生器，保證匯入電網(wǎng)電流的功率因數(shù)近似等于1。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的跟蹤，同樣需要用傳感器對(duì)光伏系統(tǒng)輸出的電壓和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果相乘即可得到光伏系統(tǒng)的輸出功率，然后通過PWM調(diào)節(jié)輸出占空比來達(dá)到跟蹤最大功率的目的，在得到穩(wěn)定的直流電后，再經(jīng)過電力電子器件逆變轉(zhuǎn)換和高次諧波過濾，經(jīng)過電流源的跟蹤控制后匯入交流電網(wǎng)。地勢(shì)平坦的地面電站、屋頂電站等組件安裝方向與日照均勻的電站一致，由于組件輸出參數(shù)基本一致，應(yīng)該選用集中式并網(wǎng)逆變器。而山地、丘陵地區(qū)的電站由于依地勢(shì)而建，組件的朝向略有差別，每串組件的輸出參數(shù)有所差別，應(yīng)選用組串式并網(wǎng)逆變器，每一串光伏陣列對(duì)應(yīng)一個(gè)逆變器，組串之間的差異互不影響，能最大程度地增加發(fā)電量。逆變器的功率按照組件容量選擇即可。由于新疆哈密地區(qū)項(xiàng)目地地勢(shì)平坦，選用集中式逆變器，每1MWp光伏發(fā)電單元接2臺(tái)500kW逆變器，整個(gè)光伏電站共需要100臺(tái)500kW逆變器。

1.3電氣設(shè)計(jì)

電氣設(shè)計(jì)分為一次部分設(shè)計(jì)和二次部分設(shè)計(jì)。一次部分設(shè)計(jì)應(yīng)包括電力電量平衡、建設(shè)的必要性及其在配電網(wǎng)中的地位和作用、電壓等級(jí)與接入電網(wǎng)方案、潮流計(jì)算、短路電流計(jì)算、無功補(bǔ)償、電能質(zhì)量、方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和電氣參數(shù)要求等。二次部分設(shè)計(jì)應(yīng)包括系統(tǒng)繼電保護(hù)、自動(dòng)控制裝置、調(diào)度自動(dòng)化、電能量計(jì)量裝置及電能量遠(yuǎn)方終端和通信系統(tǒng)。技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T29319—2012《光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》的有關(guān)規(guī)定[1]。光伏電站監(jiān)控設(shè)備是電站運(yùn)行的統(tǒng)一管理平臺(tái)，它將光伏電站的逆變器、匯流箱、輻照儀、氣象儀、電表等設(shè)備通過數(shù)據(jù)線連接起來，對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或本地電腦，使用戶可以在電腦或者手機(jī)上實(shí)時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)，方便電站管理人員和用戶對(duì)光伏電站運(yùn)行數(shù)據(jù)的查看和管理，無需到現(xiàn)場(chǎng)逐臺(tái)查看設(shè)備狀況，大量節(jié)約人力成本，更有利于進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、曲線生成、數(shù)據(jù)分析等，便于遠(yuǎn)程管理。

1.4系統(tǒng)接入電網(wǎng)設(shè)計(jì)

國家能源局對(duì)6MW以內(nèi)光伏電站實(shí)施電力業(yè)務(wù)許可豁免政策，項(xiàng)目不納入電力業(yè)務(wù)許可管理范圍。電站業(yè)主向當(dāng)?shù)仉娏旧暾?qǐng)，由電力公司出具并網(wǎng)方案即可并網(wǎng)。6MW以上的都必須由省電力勘探設(shè)計(jì)院出具接入方案，由電力公司召集專家進(jìn)行評(píng)審才能接入電網(wǎng)。光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓為交流380V，根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓確定升壓方案，選擇升壓變壓器。保護(hù)配置采用負(fù)荷開關(guān)加高遮斷容量后備式限流熔斷器組合的保護(hù)配置，既可提供額定負(fù)荷電流，又可斷開短路電流，并具備開合空載變壓器的性能，能有效保護(hù)變壓器。另外，接入方案中需要設(shè)置雙向電能計(jì)量表，計(jì)量數(shù)據(jù)作為售電及用電的計(jì)量依據(jù)。由于哈密50MWp光伏電站項(xiàng)目地處哈密風(fēng)電基地二期項(xiàng)目景峽區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)間帶內(nèi)，該項(xiàng)目以多回35kV集電線路送至景峽五A風(fēng)電場(chǎng)110kV升壓站，與景峽第一風(fēng)電場(chǎng)A區(qū)、B區(qū)共用一個(gè)升壓站。

1.5并網(wǎng)光伏電站的支架設(shè)計(jì)

光伏電站的支架分為固定式支架和跟蹤式支架。固定式支架不能跟隨日照的相對(duì)位置而改變對(duì)日仰角，應(yīng)該根據(jù)電站的緯度采取一定的傾斜角度安裝，以保證光伏組件全年獲取較大的輻照量。跟蹤式支架分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤。單軸跟蹤可以隨季節(jié)變換而改變對(duì)日仰角，雙軸跟蹤除了改變仰角之外，還可以隨日出日落而改變每一個(gè)時(shí)段的角度，以保證每一時(shí)刻都面向陽光，最大限度地獲取輻照量。據(jù)計(jì)算，采用最佳傾角單軸跟蹤可以提高年總發(fā)電量的26%，雙軸跟蹤可以提高全年發(fā)電量的32%[2]。支架的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足GB50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，在選用材料、結(jié)構(gòu)方案和構(gòu)造措施的過程中，以及在運(yùn)輸、安裝和使用的過程中，滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剛度要求，并符合抗震、抗風(fēng)和防腐等要求。本項(xiàng)目中，支架選用固定式安裝支架，傾角以最大發(fā)電量?jī)A角40°安裝，前后排間距7.2m。

250MWp地面電站發(fā)電量和效益分析

新疆哈密地區(qū)50MWp電站，建設(shè)用地約2100畝（1.4km2），工程投資約2.5×108元，平均每年可發(fā)電7.67631×107kW•h，電上網(wǎng)電價(jià)按0.4元/(kW•h)（發(fā)改價(jià)格〔2019〕761號(hào)《國家發(fā)展改革委關(guān)于完善光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)機(jī)制有關(guān)問題的通知》）計(jì)算，電站每年可得售電收益3.070524×107元。項(xiàng)目在產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)還將產(chǎn)生社會(huì)效益，每年可節(jié)約26838.735t標(biāo)準(zhǔn)煤，減排CO257503.424t，減排SO22300.463t，減排灰渣21468.48t，減排氮化物458.337t，減排粉塵383.097t。項(xiàng)目具有非常明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，為可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

3結(jié)語

光伏并網(wǎng)電站的設(shè)計(jì)，涉及地理、氣候、電氣、機(jī)械、管理和政府財(cái)政等領(lǐng)域及部門。每一個(gè)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)對(duì)電站的經(jīng)濟(jì)效益、使用壽命、運(yùn)行安全都是至關(guān)重要的，設(shè)計(jì)者應(yīng)該熟練應(yīng)用專業(yè)技術(shù)，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

［1］國家電網(wǎng)公司，中國電力科學(xué)研究院，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，等.GB/T29319—2012光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

［2］韓國棟，胡蘭平，楊富程，等.不同安裝方式光伏發(fā)電系統(tǒng)輻射量計(jì)算分析［J］.云南電力技術(shù)，2017(3)：8-10.

作者：林異鳳 任家智 單位：山西能源學(xué)院