大型太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

顧章平

（上海正泰電源系統(tǒng)有限公司）

0 引言

很久以來，人們普遍認(rèn)為未來可再生綠色能源中非常理想的清潔能源是太陽能，太陽能光伏發(fā)電是一種綠色環(huán)保可再生新能源發(fā)電技術(shù)，世界各個(gè)國家紛紛持續(xù)推動(dòng)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變技術(shù)將會(huì)成為基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)技術(shù),與此同時(shí),新的挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)。光伏發(fā)電大規(guī)模發(fā)展將導(dǎo)致電網(wǎng)潮流的復(fù)雜化和性價(jià)比降低，電網(wǎng)故障保護(hù)問題也更加難以應(yīng)對(duì)。這使得大型分布式和電站型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，智能光伏逆變柜的建模研究與最小單元并網(wǎng)逆變模塊的標(biāo)準(zhǔn)化成為必然。隨著新電改引入競爭機(jī)制與上網(wǎng)電價(jià)下調(diào)整（1元下調(diào)到0.72元），光伏收益的下滑，加速淘汰沒有綜合競爭力的企業(yè)，改進(jìn)占據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)成本17%～20%的光伏逆變智能柜的性能，發(fā)展1000 kW智能逆變柜作為標(biāo)椎化并網(wǎng)逆變模塊，作為光伏發(fā)電并網(wǎng)大型系統(tǒng)的串并組合的最小單元。在行業(yè)內(nèi)技術(shù)上，研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化并網(wǎng)逆變模塊具備綜合成本低、更高效率、更安全可靠、壽命更長特性的先進(jìn)技術(shù)，成為大型太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究關(guān)鍵。

1 設(shè)計(jì)要求與依據(jù)

根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩須庀蠛?實(shí) 際 需 要、NB／T 32004-2013《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范》、所 設(shè) 計(jì) 的1000kW光伏并網(wǎng)逆變柜的主要技術(shù)指標(biāo)見表1，符合電力轉(zhuǎn)換設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)UL508C。

1000kW光伏并網(wǎng)逆變柜的逆變器選擇滿足：1000kW的三相智能逆變器模塊IPM應(yīng)具有輸入較寬的電壓范圍，適應(yīng)日照強(qiáng)度和負(fù)載的變化，保證交流電壓、波形、幅值及相位、平滑無擾動(dòng)穩(wěn)定、滿載或在額定功率10%要求轉(zhuǎn)換效率90%以上的輸出；在故障時(shí)逆變器自動(dòng)從主網(wǎng)解，瞬時(shí)過載能力和各種保護(hù)功能和能力；采用大電流500kW IGBT并聯(lián)成為1MW集中式光伏逆變器其規(guī)格參數(shù)見表1所示。

2 1000kW光伏逆變智能柜的電氣原理設(shè)計(jì)

本文采用1000kW的三相智能逆變器模塊IPM并聯(lián)技術(shù)為核心、系統(tǒng)硬件電路按線路從下往上配置光伏組件PID效應(yīng)仰制、GFDI接地故障檢測(cè)中斷裝置、預(yù)充直流與交流換流器裝置、一對(duì)并聯(lián)直流EMI濾波器與交流EMC濾波器、并網(wǎng)三相主隔離變壓器接升壓變，逆變柜與一次回路設(shè)備用的單相隔離變壓器、多個(gè)直流與交流接觸器和微型斷路器、交直流電流傳感器、交流電流互感器、電壓采楊、隔離開關(guān)、浪涌保護(hù)器、熔斷器、溫度采集器、變壓器溫控儀等控制開關(guān)器件、最小開關(guān)損耗發(fā)波、電路散熱、孤島檢測(cè)及控制通訊技術(shù)器件組成，并以匯流直流柜、智能逆變柜、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、交流柜和控制柜構(gòu)成逆變智能柜，如圖1所示。設(shè)計(jì)1000kW光伏逆變智能柜的電氣電路硬件系統(tǒng)（見圖2）。光伏智能逆變柜主要對(duì)電氣性能、系統(tǒng)安全性、防雷接地、電磁和靜電屏蔽、并網(wǎng)全額上網(wǎng)的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控（見圖3）、高壓上網(wǎng)的SGV無功補(bǔ)償?shù)冉岛奶嵝У南到y(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)既要滿足系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性，又要滿足負(fù)載用電需求、可以長期可靠運(yùn)行[2]。

表1 1000kW光伏并網(wǎng)逆變柜的主要技術(shù)性能表

2.1 光伏方陣電氣設(shè)計(jì)

本論文的大型光伏電站系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過光伏發(fā)電單元系統(tǒng)中的N組光伏電池組串（光生伏特），與N組匯流箱串接后，接入1臺(tái)直流柜、直流柜（直流電能）接入1臺(tái)IPM（直流變交流）, 1臺(tái)IPM與交流升壓系統(tǒng)（交流電能）、交流升壓系統(tǒng)再接入高壓電網(wǎng)（用戶或升壓并網(wǎng)），1臺(tái)IPM在于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器連接，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器由溫度儀和輻照儀提供數(shù)據(jù)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器由計(jì)算機(jī)控制、計(jì)算機(jī)接入光伏云網(wǎng)絡(luò)，光伏云網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)連接，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程四遙信及無線控制作為1000kW最小光伏發(fā)電模塊的方案見圖1。

2.2 太陽能電池組件的選擇

STC標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)試（輻照1000W/m2）電池溫度25C°，大氣質(zhì)量AM1.5使用ClassAAA級(jí)高性能太陽模擬器（IEC60904-9）,測(cè)試不確定度在±3%范圍內(nèi)；電池片數(shù)60（6×10），電池片類型多晶156×156cm；測(cè)試ES250PAFW，ES255PAFW，ES260PAF電性參數(shù)對(duì)比所示，ES260PAF電性參數(shù)為最高(組件效率15.98%，最大系統(tǒng)電壓1000V，峰值功率260～265W，短路電流9.36A，開路電壓38.4V，峰值功率電流8.67A，峰值功率電壓30V功率溫度系數(shù)-0.48，開路電壓溫度系數(shù)-0.33，短路電流溫度系數(shù)0.02，最大保險(xiǎn)絲額定電流15A，額定電池工作溫度47±2C°)。

NOCT條件下測(cè)試（輻照800W/m2）電池溫度20C°，風(fēng)速1m/s，大氣質(zhì)量AM1.5使用ClassAAA級(jí)高性能太陽模擬器（IEC60904-9）,測(cè)試不確定度在±3%范圍內(nèi)；經(jīng)與ES250PAFW，ES255PAFW，ES260PAF電性參數(shù)對(duì)比所示，ES260PAF電性參數(shù)為最高。

太陽能電池組件選擇電性參數(shù)綜合指標(biāo)最佳的260WP多晶硅組件，可以有效降低太陽能發(fā)電站的工程造價(jià)。

2.3 太陽能電池組串及組串并聯(lián)數(shù)量

當(dāng)前應(yīng)用于集中式逆變器的大型發(fā)電系統(tǒng)組件單個(gè)功率一般在 250～500W左右，綜合工程所在地緯度，滿足滑雪要求，電站型的光伏組件選用選擇方位角選為0°，傾角選為 38°固定式安裝。

光伏陣列間距設(shè)計(jì)滿足，前后排光伏組件不產(chǎn)生陰影為標(biāo)準(zhǔn)[3]，在最小光伏發(fā)電模塊設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足以下準(zhǔn)則：

光伏電池組串工作溫度滿足-21.4°到70°，太陽能電池組串串聯(lián)數(shù)量按電池組件串并聯(lián)組合計(jì)算公式計(jì)算，組串輸出端電壓范圍與逆變器的輸入電壓范圍一致，組串并聯(lián)總功率應(yīng)略大于逆變器的額定功率。

光伏陣列間距設(shè)計(jì)滿足，前后排光伏組件不產(chǎn)生陰影為標(biāo)準(zhǔn)，

式中，φ為地緯度；β為組件傾角；L為兩塊組件總長。

組成光伏方陣列的光伏組件串聯(lián)數(shù)量設(shè)計(jì)：

式中，Vmpptmin 為跟蹤最大功率的電壓最小值（V）；Vmpptmax 為跟蹤最大功率的電壓最大值（V）；Vpm為跟蹤智能光伏組件電壓（V）；KV為跟蹤智能光伏組件的電壓溫度系數(shù)；N為跟蹤智能組件串聯(lián)數(shù)（N取整）；t為跟蹤智能組件工作極限低溫（℃）；t' 為跟蹤智能組件工作極限高溫（℃）。

本設(shè)計(jì)選用太陽能電池組串多晶硅光伏 260Wp組件的25℃時(shí) MPPT 電壓時(shí)為 32.0V，太陽能電池組串開路電壓為 38.7V，開路電壓溫度系數(shù)為-0.33%/℃。當(dāng)逆便器輸入電壓1000V，工作溫度為-21.4℃、太陽能電池組串光伏組件串聯(lián)數(shù)為 24、組串開路電壓為 925V、工作電壓為 736.9V；并網(wǎng)逆變器的直流側(cè)輸入MPPT為500～860Vdc電壓范圍。

2.4 太陽能電池方陣直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽能電池方陣直流匯流箱采用12路輸入；采用光伏專用電纜PV1-F 1X4每路串接1個(gè)額定電流In≥1.42Isc（短路電流），且In≥工作溫度-21.4℃下的開路電壓 Voc的直流熔斷器；直流匯流箱的直流熔斷器接額定電流Imax≤In＜1.42Isc的分路直流斷路器，直流匯流箱出口側(cè)直流電纜2×70和ZR-YJV22-1KV 2×35、2×50作為主電纜，接最大放電電流 40kA，額定電壓為1000Vdc，標(biāo)稱 放電電流為 20kA的具備防失效報(bào)警防雷器，直流電壓值小于 DC1000V的四極斷路器與電池方陣負(fù)極串聯(lián)，電池方陣正極與四極斷路器串聯(lián)，出口側(cè)接由RS485通訊口與大于IP65的外殼防護(hù)等級(jí)， 實(shí)現(xiàn)太陽能電池方陣直流匯流箱的隔離短路故障、電器元件狀態(tài)、每路電流、輸出總功率、母線電壓、總電流與異常報(bào)警的200m以內(nèi)的數(shù)據(jù)采集檢測(cè)通訊功能。

3 1000kW光伏逆變智能柜的電氣并網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)計(jì)

1000kW光伏逆變智能柜的電氣并網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)計(jì)如圖3所示。

4 太陽能發(fā)電量測(cè)算

4.1 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的效率分析

如表2所示，1000kW光伏逆變智能柜80%并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)效率包括：3.5%的太陽輻照損失，2%組串失配損失，4%溫度效應(yīng)折減，3.5%的交、直流 線路損耗，其他設(shè)備老化損耗，2%的逆變器工作效率，1%的維修期檢修發(fā)電損耗，變壓器效率等。

表2 光伏系統(tǒng)的各項(xiàng)效率取值分析

4.2 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的發(fā)電量計(jì)算

舉例： 采用1100kVA/550kVA、 13MW最佳傾角布置的并網(wǎng)的光伏電站，全額上網(wǎng)。1000kW光伏逆變智能柜根據(jù)以下公式預(yù)測(cè)光伏電站發(fā)電量：

L=Wtη

式中，L為全年光伏并網(wǎng)逆變電站發(fā)電量，kWh；t為日照小時(shí)；W為光伏并網(wǎng)逆變電站裝機(jī)容量；η為光伏逆變系統(tǒng)總效率；前面計(jì)算80%。

本設(shè)計(jì)1000kW光伏逆變智能柜選用光電轉(zhuǎn)換效率≥15.8%的50000 塊260Wp 多晶硅光伏組件，功率衰降25 年不大于20%，10年不大于10%，每路組串22塊正南方位安裝廠房屋頂組成總直流輸出略大于13MW的電力。1000kWp智能并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)+升壓站主變+SGV無功補(bǔ)償接高壓電網(wǎng)，降損提容，提效降本，年平均發(fā)電量不小于1515.183704萬kWh。

5 1000kW直流系統(tǒng)及通訊電源系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

直流系統(tǒng)及通訊電源系統(tǒng)原理如圖4所示。

6 結(jié)束語

大型太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，經(jīng)河北客戶光伏發(fā)電站接入應(yīng)用，驗(yàn)證該優(yōu)化設(shè)計(jì)研究方案，以1000kW三相光伏并網(wǎng)智能逆變器柜為主回路和控制通訊電路的原理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，硬件電路設(shè)計(jì)選型正確和可行，光伏逆變效率高、成本低、電網(wǎng)兼容性優(yōu)良、使用可靠性高、安裝維護(hù)方便、具有經(jīng)濟(jì)性價(jià)比高特性；大型光伏電站的建設(shè)能緩解所在地區(qū)電網(wǎng)缺電現(xiàn)象，能發(fā)揮節(jié)能及環(huán)保作用，對(duì)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的貢獻(xiàn)巨大。