分布式光伏發(fā)電集成系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 劉建全

0 引言

光伏發(fā)電在我國發(fā)電行業(yè)占據(jù)的比例將逐年提高，我國中東部地區(qū)土地資源較為緊張，光伏發(fā)電主要以分布式發(fā)電為主。分布式光伏發(fā)電是一種新型的、具有廣闊發(fā)展前景的發(fā)電和能源綜合利用方式，它倡導(dǎo)就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)換、就近使用的原則，不僅能有效提高同等規(guī)模光伏電站的發(fā)電量，同時還有效解決了電力在升壓及長途運(yùn)輸中的損耗問題。

針對當(dāng)前的嚴(yán)峻形勢，國家能源局指定并下發(fā)了《2014年能源工作指導(dǎo)意見》，重點(diǎn)安排部署了包括：改善京津冀魯大氣環(huán)境，壓縮當(dāng)?shù)孛禾啃枨螅淮罅Πl(fā)展光伏分布式電站，確定2014年新增風(fēng)電裝機(jī)1800萬kW，新增光伏發(fā)電裝機(jī)1000萬kW(其中分布式占60%)的發(fā)展任務(wù)，本文著重探討分布式光伏發(fā)電的設(shè)計及優(yōu)化內(nèi)容。

1 分布式系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 設(shè)計原則

1.1.1 安全性

系統(tǒng)設(shè)計執(zhí)行我國的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，滿足安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理和維修方便的原則；電氣系統(tǒng)和電氣設(shè)備的設(shè)計應(yīng)全面考慮設(shè)備運(yùn)行及檢修人員的安全。

1.1.2 可靠性

系統(tǒng)設(shè)計充分考慮了可操作性和可靠性；易于運(yùn)行和檢修；相同(或相同等級)的設(shè)備和部件的互換性；環(huán)境條件保護(hù)，如對風(fēng)沙、振動和水等的防護(hù)。

1.1.3 高效性

系統(tǒng)設(shè)計注重各環(huán)節(jié)細(xì)節(jié)設(shè)計，所有元件應(yīng)恰當(dāng)配合，把各環(huán)節(jié)損耗降到最低，以保證系統(tǒng)的高效性。

1.1.4 一致性

在設(shè)計、施工方面，盡可能與業(yè)主、設(shè)計單位保持一致，設(shè)備顏色和技術(shù)條件均由業(yè)主方指定或確認(rèn)。

1.2 光伏電站系統(tǒng)方案

分布式并網(wǎng)光伏電站主要由太陽電池方陣、逆變器、交流電氣系統(tǒng)、微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成，通過一定的串并聯(lián)組合將太陽能組件的直流電經(jīng)過匯流箱、直流配電柜等電氣設(shè)備二次匯流后接入光伏并網(wǎng)逆變器，經(jīng)逆變后變成可供用戶側(cè)直接使用的交流電或再經(jīng)二次升壓后接入用戶側(cè)中高壓配電系統(tǒng)。太陽電池方陣及逆變器系統(tǒng)是光伏電站的核心。

1.3 板陣系統(tǒng)設(shè)計

1.3.1 系統(tǒng)直流電壓設(shè)計

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)直流側(cè)的最高工作電壓主要取決于逆變器直流側(cè)最高電壓，以及在直流回路中直流斷路器額定工作電壓。但設(shè)備的工作電壓與設(shè)備所處的工作環(huán)境和海拔高度有關(guān)，目前，光伏并網(wǎng)逆變器MPPT直流輸入電壓范圍一般在450～820 V之間，最大輸入電壓為1000 VDC。

1.3.2 組件串并聯(lián)設(shè)計

目前市場上主流的組件為250 W，在計算組件串聯(lián)數(shù)量時，根據(jù)組件的工作電壓和逆變器直流輸入電壓范圍，同時需考慮組件的工作電壓溫度系數(shù)、開路電壓溫度系數(shù)，合理確定最佳串聯(lián)數(shù)，以便各種情況下系統(tǒng)均能工作在最大功率電壓跟蹤范圍內(nèi)，從而獲得最大發(fā)電量輸出。

例如并網(wǎng)逆變器最大功率跟蹤電壓范圍為450～820 V，通過計算，選擇適合的串聯(lián)數(shù)為：16、17、18、19、20、21；另需考慮當(dāng)?shù)匕惭b的光伏組件最低溫度導(dǎo)致電池組件輸出電壓升高，一般選擇在MPPT中間電壓附近的工作電壓能保證系統(tǒng)盡可能多地工作在MPPT范圍內(nèi)；同時，考慮開路電壓變化，其組串開路電壓不得超過逆變器最高工作電壓，因此，通過合理的設(shè)計篩選，最終確定系統(tǒng)的最佳組串?dāng)?shù)。

1.4 匯流設(shè)計

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般采用二級匯流方式，在太陽電池組件方陣中直接安裝匯流箱，由匯流箱直接輸出符合逆變器輸入要求的路數(shù)、電流。屋面光伏電站可根據(jù)實(shí)際情況選擇16匯1、12匯1、8匯1的匯流箱。

屋頂匯流箱設(shè)計考慮戶外放置、防水、防銹、紫外線照射等，箱體從底部進(jìn)線，并配有接地線引接電纜孔，每路進(jìn)線均設(shè)有防水螺母、堵頭，箱體門部位安裝有密封條，各個合葉、連接處均有防水措施，確保防水等級為IP65。

1.5 電纜設(shè)計

1.5.1 電纜選型說明

分布式光伏系統(tǒng)所涉及的電線電纜設(shè)計依照項(xiàng)目招標(biāo)文件和GB 50217-2007《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》及GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定選擇相關(guān)電線電纜技術(shù)、規(guī)格參數(shù)。

1.5.2 直流電線電纜的選擇

直流電線電纜的選擇與光伏電站使用的環(huán)境、光伏方陣串并聯(lián)方式、直流電線電纜的長度，以及使用方式息息相關(guān)。本項(xiàng)目夏天溫度高，加之直流側(cè)系統(tǒng)最高工作電壓約為900 V，所以組串需使用耐候性好、耐壓1000 V的導(dǎo)線，額定工作溫度為-60～180 ℃，所選電纜為0.6/1 kV，選用型號為：1 kV電纜 2PFG1169-1×4 mm2。這種電纜具有防火的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)體質(zhì)地柔軟適合復(fù)雜地形，符合光伏項(xiàng)目特性，能長期在戶外環(huán)境下工作。

1.5.3 交流電力電纜的選擇

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)交流電纜的選擇必須遵循GB 50217-2007 《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》的要求，交流電纜宜采用交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜；二次電纜中用于集成電路、微機(jī)保護(hù)的電流、電壓和信號接點(diǎn)的控制電纜，應(yīng)選用阻燃型屏蔽電纜[1]。

1.5.4 電纜敷設(shè)

屋頂上部電纜采用穿管或橋架敷設(shè)，保護(hù)管的內(nèi)徑不小于電纜外徑的1.5倍[2]，屋頂至配電室之間采用橋架敷設(shè)。

1.6 光伏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

光伏電站配置監(jiān)控系統(tǒng)一套，負(fù)責(zé)監(jiān)控廠區(qū)全部逆變器、防逆流、匯流箱、環(huán)境監(jiān)測儀及智能電度表等帶智能接口的設(shè)備信息。

電氣監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)控布置于低壓配電室內(nèi)的電氣設(shè)備(包括開關(guān)柜、逆變器等)。光伏電站的監(jiān)控系統(tǒng)采用高可靠性工控機(jī)進(jìn)行集中控制和數(shù)據(jù)采集，具有遙測、遙信功能。 LCD液晶屏顯示，可測量和顯示光伏發(fā)電各系統(tǒng)的各類參數(shù)；逆變器、高低壓開關(guān)柜、升壓變的電壓和電流、光伏發(fā)電各系統(tǒng)的工作狀態(tài)、每一個光伏組串直流側(cè)的電壓和電流，交流輸出電壓和電流、功率、功率因數(shù)、頻率、故障報警信息及環(huán)境參數(shù)(如輻照度、環(huán)境溫度等)，二氧化碳減排量，統(tǒng)計和顯示日發(fā)電量、總發(fā)電量等信息，并形成可打印報表。通過鍵盤可實(shí)現(xiàn)對開關(guān)進(jìn)行遙控，對逆變器進(jìn)行遙調(diào)。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲查詢功能，可方便地歸檔查詢。

1.7 太陽能支架系統(tǒng)設(shè)計

1.7.1 太陽能支架設(shè)計

屋頂一般分為混凝土屋面和彩鋼瓦屋面兩種結(jié)構(gòu)形式，混凝土屋面一般采用最佳傾角的結(jié)構(gòu)形式；彩鋼瓦屋面一般采用平鋪的結(jié)構(gòu)形式。太陽能光伏方陣的支架安裝既要依據(jù)建筑一體化的美觀和承力要求，又要滿足支架結(jié)構(gòu)簡單、安裝調(diào)試和管理維護(hù)方便的要求。

太陽電池板支架的設(shè)計要使其滿足結(jié)構(gòu)性良好和防腐蝕性能，以及并網(wǎng)發(fā)電要求。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范查得當(dāng)?shù)?0年一遇基本風(fēng)壓，50年一遇基本雪壓，可計算出支架和組件承受的極限風(fēng)速。

1)彩鋼板屋面結(jié)構(gòu)形式：考慮到建筑一體化的美觀效果，將電池板及支架平鋪于帶傾角的彩鋼板屋面。安裝時利用鋁結(jié)構(gòu)夾具，將組件鋁合金結(jié)構(gòu)支架支撐在屋頂?shù)牟输摪謇邨l上，上面鋪設(shè)太陽能組件。此種安裝形式結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試和管理維護(hù)都很方便。

2)混凝土屋面結(jié)構(gòu)形式：混凝土屋面采用最佳傾角的結(jié)構(gòu)形式，支架安裝于混凝土基礎(chǔ)上。

太陽電池組件支架結(jié)構(gòu)采用Q235型鋼結(jié)構(gòu)，表面采用熱鍍鋅處理，保證結(jié)構(gòu)具有良好的防腐蝕效果；用不銹鋼材質(zhì)螺栓緊固，確保支架能抵御極限風(fēng)速的載荷，電池板安裝時設(shè)有2.0 cm的泄風(fēng)口，確保支架的穩(wěn)定。

組件支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案：通過專用鋁合金壓塊固定組件，單側(cè)壓塊組合適用于只有一塊組件邊需要固定的情況，雙側(cè)壓塊組合適用于左右均有組件需要固定的情況。

1.7.2 支架設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)

1) 貫徹“安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用、符合國情”的電站建設(shè)方針。

2) 全面執(zhí)行國家的相關(guān)政策、法規(guī)。

3) 總體規(guī)劃布置：結(jié)合廠房結(jié)構(gòu)條件，采用集中布置，安裝便捷。

1.7.3 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

太陽電池組件支架結(jié)構(gòu)采用國標(biāo)型鋼結(jié)構(gòu)，表面采用熱鍍鋅處理，保證結(jié)構(gòu)具有良好的防腐蝕效果，結(jié)構(gòu)采用不銹鋼螺栓緊固，確保支架能抵御23 m/s風(fēng)速的載荷，電池板安裝時設(shè)有2 cm的泄風(fēng)口，確保支架的穩(wěn)定。彩鋼板屋面支架樣圖如圖1所示，混凝土屋面支架樣圖如圖2所示。

圖2 混凝土屋面支架樣圖

2 項(xiàng)目優(yōu)化設(shè)計

2.1 組件接地

由于組件安裝在屋頂上，極易遭受雷電襲擊，同時由于光伏組件的鋁合金邊框有一層氧化膜，組件通過壓塊與支架連接后由于氧化膜的原因，相互間的接觸電阻很大。支架接地后，不能保證組件邊框也能可靠接地，接地電阻不能滿足要求；加之屋頂面積大，如果遭遇雷電侵?jǐn)_，組件就會被擊壞，甚至導(dǎo)致逆變器受損，所以項(xiàng)目設(shè)計中要求對組件邊框采用4 mm2接地黃綠線將所有組件分別與支架做可靠連接，光伏方陣接地應(yīng)連續(xù)、可靠，接地電阻應(yīng)小于4 Ω[3]。

2.2 組件的接線形式

對于屋頂項(xiàng)目，本文中組件的接線形式采用跳接方式，此種接線方式不但節(jié)省線纜，而且在線纜變短后也降低了線損，提高了發(fā)電量，詳細(xì)的接線方式如圖3所示(此種接線方式特變電工新疆新能源股份有限公司已申請專利)。

圖3 組串接線示意圖

建議屋頂電纜敷設(shè)橋架采用梯形橋架，光伏屋面采用梯形腳架，光伏直流電纜將可直接通過橋架底部進(jìn)入橋架，省去槽式橋架需開孔并使用柔性軟管連接后光伏電纜再進(jìn)入橋架的工序，施工極為方便。另外，電纜固定在梯形橋架中幾乎不會受到陽光直射的影響，同時有利于電纜散熱(之前發(fā)生過因橋架內(nèi)溫度過高造成電纜燒毀的情況 )。

2.3 匯流箱選型

目前主流匯流箱設(shè)計一般考慮帶防反二極管，對光伏組串進(jìn)行反接保護(hù)。但經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)防反二極管的發(fā)熱量很大，考慮到屋面電站的通風(fēng)散熱條件較荒漠電站差，特別是國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)過屋面組件自燃的情況，建議分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇不含防反二極管的匯流箱，保證匯流箱的溫度在可控范圍內(nèi)。

3 總結(jié)

隨著我國這幾年對清潔能源的重視，分布式光伏電站建設(shè)必將成為新能源領(lǐng)域里一個重要的發(fā)展方向。如何在工程設(shè)計中既保證質(zhì)量與安全，又通過優(yōu)化設(shè)計節(jié)約成本成為設(shè)計工作者的研究方向。本文所采用的分布式光伏系統(tǒng)優(yōu)化方案在分布式光伏建設(shè)中的設(shè)計選型及優(yōu)化建議，在保證了設(shè)計安全的要求下，大幅縮短了施工工期，降低了工程成本，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。對以后大型分布式光伏并網(wǎng)電站建設(shè)中的設(shè)計及設(shè)備選型也提供了建設(shè)性的意見。

[1]任元會，卞凱生，姚家祎. 工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].北京: 中國電力出版社, 2005, 577.

[2] GB50217-2007,電力工程電纜設(shè)計規(guī)范[S].

[3] GB50797-2012,光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范[S].