四川德昌阿月太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程總體方案設(shè)計(jì)

王 俊， 張 事 坤， 趙 越

(1.國電大渡河新能源投資有限公司，四川 成都 610041；2.中水顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550081)

四川省德昌縣位于四川省西南部，縣城附近常年平均氣溫為18 ℃，全年日照總輻射5 600 MJ/m2，常年日照數(shù)為2 147.4 h，全年日照百分率為51%～68%，平均每天日照4.2～8.7 h，是四川省太陽輻射富集地區(qū)之一。該縣緊鄰G5高速公路，交通便利，電網(wǎng)完善，較為適合開發(fā)太陽能光伏發(fā)電項(xiàng)目。本工程總裝機(jī)容量為10 MWp，采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)方案。

1 太陽能電池組件的選擇

1.1 太陽能電池類型的選擇

目前，太陽能電池的種類主要分為單晶硅電池、多晶硅電池和薄膜電池。由于國內(nèi)薄膜電池生產(chǎn)廠家較少，規(guī)模較小，商業(yè)化生產(chǎn)的薄膜電池平均轉(zhuǎn)換效率較低(約6%左右)；而晶硅電池國內(nèi)生產(chǎn)廠家多，且晶硅電池平均轉(zhuǎn)換效率較高(單晶硅電池為16%～20%，多晶硅電池為15%～18%)，故該電站未采用薄膜電池，推薦選用晶硅電池。

晶硅類電池中的單晶硅電池和多晶硅電池最大的差別是單晶硅電池的光電轉(zhuǎn)化效率略高于多晶硅電池，但單晶硅電池造價(jià)相對較高，故該電站選擇采用多晶硅太陽能電池。

1.2 多晶硅太陽能電池選型

由于本工程系統(tǒng)裝機(jī)容量為10 MWp，組件用量多，占地面積大，組件安裝量大，故設(shè)計(jì)優(yōu)先選用單位面積功率大的電池組件，以減少占地面積，降低組件安裝量。采用不同規(guī)格多晶硅電池組件組成10 MWp電池方陣的組件用量比較情況見表1。

表1 不同規(guī)格多晶硅電池組件組成的10 MWp電池方陣組件數(shù)量比較表

由表1的比較情況可以看出：采用230 Wp組件和280 Wp組件組成10 MWp光伏陣列所使用的組件數(shù)量均較少。組件數(shù)量少意味著組件間連接點(diǎn)少，施工進(jìn)度快且故障幾率減少，接觸電阻小，線纜用量少，系統(tǒng)整體損耗相應(yīng)降低。

另外，通過市場調(diào)查得知，國內(nèi)主流廠商生產(chǎn)的多晶硅太陽能組件規(guī)格以200 Wp到280 Wp之間居多。在綜合考慮組件效率、技術(shù)成熟性、市場占有率以及工程投資等因素后，本工程推薦選用多晶硅太陽能組件規(guī)格為280 Wp。

2 電池陣列的運(yùn)行方式設(shè)計(jì)

2.1 電池陣列的運(yùn)行方式分類

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，光伏組件陣列的運(yùn)行方式對發(fā)電系統(tǒng)接收到的太陽總輻射量有很大的影響，從而影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力。光伏組件的運(yùn)行方式分為固定式、傾角季度調(diào)節(jié)式和自動(dòng)跟蹤式三種型式，其中自動(dòng)跟蹤式又分單軸跟蹤式和雙軸跟蹤式。

2.2 電池陣列運(yùn)行方式的比較

根據(jù)對已建工程進(jìn)行調(diào)研得到的數(shù)據(jù)，若采用單軸跟蹤方式，系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電量可提高約18%；若采用雙軸跟蹤方式，系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電量可提高約25%。在此條件下，以固定安裝式為基準(zhǔn)，對1 MWp光伏陣列采用三種運(yùn)行方式進(jìn)行比較后的情況見表2。

表2 1 MWp 陣列各種運(yùn)行方式比較表

經(jīng)對固定式和跟蹤式兩種運(yùn)行方式進(jìn)行初步比較，考慮到本工程規(guī)模較大，固定式初始投資較低且支架系統(tǒng)基本免維護(hù)，而自動(dòng)跟蹤式雖然能增加一定的發(fā)電量，但初始投資相對較高且后期運(yùn)行過程中維護(hù)工作量較大，運(yùn)行費(fèi)用亦相對較高，根據(jù)以上綜合分析，本工程推薦選用固定式運(yùn)行方式。

3 逆變器的選擇

本工程系統(tǒng)容量為10 MWp，從工程運(yùn)行及維護(hù)考慮，選用容量大的逆變設(shè)備，可在一定程度上降低投資并提高系統(tǒng)的可靠性；但逆變器容量過大，則在一臺(tái)逆變器發(fā)生故障時(shí)，將造成發(fā)電系統(tǒng)損失發(fā)電量過大。因此，本工程推薦選用容量為500 kW的逆變器，逆變器型號(hào)為SG500 KTL。該類型并網(wǎng)逆變器采用專用DSP控制芯片，主電路采用IGBT模塊組裝，運(yùn)用電流控制型PWM有源逆變技術(shù)，可靠性高，保護(hù)功能齊全且具有電網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)正弦波電流、無諧波污染供電等特點(diǎn)。

4 太陽能電池陣列的設(shè)計(jì)

4.1 太陽能電池陣列最佳傾角及方位角的確定

對于固定式陣列的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，應(yīng)選擇光伏組件陣列最佳傾角，使傾斜面上的輻射總量達(dá)到最大，從而達(dá)到光伏電站年發(fā)電量最大的目標(biāo)。

一般情況下，太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的方陣傾角一般等于當(dāng)?shù)鼐暥鹊慕^對值，該傾角通常可使全年在方陣表面上的太陽輻射能達(dá)到最大，適于全年工作系統(tǒng)使用。本項(xiàng)目中固定安裝系統(tǒng)的方陣傾角經(jīng)過RETScreen能源?！夥?xiàng)目軟件優(yōu)化，并綜合考慮節(jié)約用地的原則，本次采用固定的太陽能支架方陣傾角為28°。

固定的太陽能支架方位角是指輸入垂直照射到方陣表面上的光線在水平地面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€間的夾角，一般將正南方向定為零點(diǎn)，故太陽能陣列的方位角為0°。

4.2 太陽能電池陣列子方陣的設(shè)計(jì)

4.2.1 太陽能電池組件的串、并聯(lián)設(shè)計(jì)

太陽能電池組件串聯(lián)的數(shù)量由逆變器的最高輸入電壓和最低工作電壓以及太陽能電池組件允許的最大系統(tǒng)電壓決定。太陽能電池組串的并聯(lián)數(shù)量由逆變器的額定容量確定。

本工程所選500 kW逆變器的最高允許輸入電壓Vdcmax為880 V，輸入電壓MPPT的工作范圍為450～820 V。280 Wp多晶硅太陽能電池組件的開路電壓Voc為44.8 V，最佳工作點(diǎn)電壓Vmp為35.2 V，開路電壓溫度系數(shù)為-0.33%/K。電池組件串聯(lián)數(shù)量計(jì)算公式：

INT(Vdcmin/Vmp)≤N≤INT(V/Voc)

式中Vdcmax為逆變器輸入直流側(cè)最大電壓；Vdcmin為逆變器輸入直流側(cè)最小電壓；Voc為電池組件開路電壓；Vmp為電池組件最佳工作電壓；N為電池組件串聯(lián)數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，多晶硅串聯(lián)光伏電池?cái)?shù)量N為：15≤N≤18。根據(jù)逆變器最佳輸入電壓以及電池板工作環(huán)境等因素進(jìn)行修正后，最終確定的太陽能電池組件的串聯(lián)數(shù)為16(串)。按上述最佳太陽能電池組件串聯(lián)數(shù)計(jì)算，多晶硅電池每一路組件串聯(lián)的額定功率容量=280 Wp×16=4 480 Wp；多晶硅電池計(jì)算并聯(lián)的最大路數(shù)N=5 500/4.48=122(路)?？紤]到逆變器的額定容量為500 kW，本次取每個(gè)逆變器并聯(lián)112路。

4.2.2 太陽能電池組串單元的排列方式

一個(gè)太陽能電池組串單元中太陽能電池組件的排列方式有多種。但是，為了接線簡單，線纜用量少，施工復(fù)雜程度低，在工程計(jì)算的基礎(chǔ)上，對多晶硅電池的排列進(jìn)行了分析。

經(jīng)過綜合分析，將1組多晶硅太陽能電池組串(每串16塊)每塊橫向放置，排成4行4列。為減少風(fēng)壓，組件與組件之間留有間距為30 mm的空隙。太陽能電池組串單元排列方案見圖1。

圖1 太陽能電池組串排列圖

4.2.3 太陽能電池陣列行間距的計(jì)算

太陽能陣列必須考慮前、后排的陰影遮擋問題，并通過計(jì)算確定陣列間的距離或太陽能電池陣列與建筑物的距離。一般的確定原則：冬至日當(dāng)天早晨9∶00至下午15∶00(真太陽時(shí))的時(shí)間段內(nèi)，太陽能電池陣列不應(yīng)被遮擋。計(jì)算公式如下：

光伏陣列間距或可能遮擋物與陣列底邊的垂直距離應(yīng)不小于D：

D= cosA×H/ tan [sin-1(sinφsinδ +cosφcosδcosh) ]

式中D為遮擋物與陣列的間距，m；H為遮擋物與可能被遮擋組件底邊的高度差，m；φ為當(dāng)?shù)鼐暥龋琩eg；A為太陽方位角，deg；δ為太陽赤緯角，deg；h為時(shí)角，deg。

經(jīng)計(jì)算后得到：本工程電池陣列行間最小距離為7 m。

4.2.4 逆變器室的布置

本工程采用10個(gè)1 MWp多晶硅電池方陣，280 Wp多晶硅電池板總數(shù)量為35 840塊，光伏發(fā)電系統(tǒng)總?cè)萘?35 840×0.23 kWP=10 035.2 kWp。采用每座逆變器室裝設(shè)2臺(tái)500 kW逆變器、2面直流配電柜，逆變器室位于2個(gè)500 kWp發(fā)電單元的中間，15個(gè)電池組串(部分為14個(gè)電池組串)經(jīng)一個(gè)匯流箱匯流接至逆變器上，10 MWp多晶硅電池方陣共需要10座逆變器室，以達(dá)到節(jié)約土建投資的目的。

5 太陽能電池陣列匯流箱的設(shè)計(jì)

本工程1 MWp多晶硅電池方陣的并聯(lián)路數(shù)為224，需設(shè)置20路匯流箱13或14個(gè)，整個(gè)10 MWp的電池陣列需要20路匯流箱135個(gè)。太陽能電池組串按單元接入防雷匯流箱并經(jīng)電纜接入直流配電柜，然后經(jīng)并網(wǎng)逆變器逆變成0.27 V交流電源接入箱式變電站。兩路交流電源經(jīng)1臺(tái)1 000 kVA雙分裂變升壓至35 kV，然后再通過光伏電站升壓站內(nèi)的主變壓器升壓至35 kV送至電網(wǎng)。

6 結(jié) 語

綜上所述，通過對該項(xiàng)目進(jìn)行系統(tǒng)工程總體設(shè)計(jì)并經(jīng)過分析優(yōu)化，從而使該項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)方案更加科學(xué)合理，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將得到進(jìn)一步提高。該項(xiàng)目如成功實(shí)施，將給四川地區(qū)太陽能開發(fā)利用起到示范效果。