大型光伏電站方陣優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

周長(zhǎng)友，孫煒，朱國(guó)鋒

(1.南京中核二三能源工程有限公司，南京 210008； 2.北京乾華科技發(fā)展有限公司，北京 100038)

1 問(wèn)題的提出

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外光伏市場(chǎng)的變化，國(guó)內(nèi)對(duì)能源的需求日益加劇，與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)環(huán)境污染的問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。為了加強(qiáng)對(duì)環(huán)境污染的控制，我國(guó)積極發(fā)展清潔能源，對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電給予了大力支持，頒布了《太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》并提出了指導(dǎo)方針和目標(biāo)：到2015年年底，太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到21 GW以上，年發(fā)電量達(dá)到 2.5 GW·h，我國(guó)光伏電站建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展的新階段。

光伏方陣是光伏電站的重要組成部分，是光伏發(fā)電的基礎(chǔ)與核心，光伏方陣的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響著發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。為規(guī)范光伏電站設(shè)計(jì)，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部與國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，同年中國(guó)電力投資集團(tuán)公司印發(fā)了《光伏發(fā)電工程典型設(shè)計(jì)》，其中的案例太陽(yáng)山光伏并網(wǎng)電站一期工程設(shè)計(jì)具有典型設(shè)計(jì)的代表性。盡管光伏電站設(shè)計(jì)有了規(guī)范，但各地氣候條件、地理位置、核心設(shè)備配置等均有差異，因此，有很多文獻(xiàn)[3-6]研究針對(duì)某一案例或某一方面設(shè)計(jì)，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法?；谏鲜鏊悸?，本文對(duì)我國(guó)西部大型光伏電站的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，在組串設(shè)計(jì)、組件傾角、陣列間距等方面提出了改進(jìn)與優(yōu)化方法。

2 光伏方陣設(shè)計(jì)

在通常情況下，大型光伏電站可根據(jù)場(chǎng)地統(tǒng)一模塊化設(shè)計(jì)子方陣，子方陣容量為1 MW左右，布置形狀為長(zhǎng)寬相差不大的長(zhǎng)方形，逆變器室位于方陣中間，配置2臺(tái)500 kW逆變器和1臺(tái)1 000 kV·A的升壓變壓器。在子方陣中，組件以最佳傾角安裝，組串根據(jù)當(dāng)?shù)貧v史極限低溫計(jì)算后取最大值或最大偶數(shù)值，陣列間距應(yīng)滿足當(dāng)?shù)囟寥?9:00—15:00間光照度要求，其前后左右互不遮擋。在方陣典型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)以下幾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行研究。

2.1 最佳傾角與經(jīng)濟(jì)最優(yōu)傾角

一般說(shuō)來(lái)，光伏電站均以最佳傾角安裝，組件斜面接收到的輻射量最大，即光伏方陣發(fā)電量最大化，在不考慮其他因素時(shí)，光伏組件斜面接收的輻射量最大，單位組件輸出的電量最大，投資效益也應(yīng)最大。然而研究結(jié)果表明，光伏組件斜面接收輻射量最大化與投資效益最大化并不一致。其原因是有的地方土地并非無(wú)償使用，由于大型光伏電站占地面積巨大，根據(jù)不同緯度、陣列間距設(shè)計(jì)，1 MW光伏電站占地面積為2.0～2.6 hm2，幾十兆瓦的光伏電站土地費(fèi)用不可忽略。當(dāng)土地面積一定且組件傾角不同時(shí)，組件表面輻射量、陣列間距、安裝容量也不相同，組件傾角變化、輻射量變小、總發(fā)電量增加等多個(gè)因素之間存在一個(gè)平衡點(diǎn)，可通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析來(lái)確定經(jīng)濟(jì)最優(yōu)傾角，組件傾角從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行優(yōu)化，有助于提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)光伏電站的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，以工程經(jīng)濟(jì)財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率、投資回收期等指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，光伏組件具有經(jīng)濟(jì)最優(yōu)傾角。分析了新疆洛浦某20 MW光伏電站案例，在面積為46.9 hm2的場(chǎng)地上以不同的傾角以及組件間距安裝不同容量的光伏組件，技術(shù)經(jīng)濟(jì)人員對(duì)發(fā)電量、征地費(fèi)用、電價(jià)、貸款、土建及電氣設(shè)備等建筑安裝成本進(jìn)行了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)表1可以看出，各方案財(cái)務(wù)指標(biāo)均存在差異，在工程經(jīng)濟(jì)的幾個(gè)重要指標(biāo)分析中，傾角28°最具優(yōu)勢(shì)。由于傾角以5°為一個(gè)梯度，分析跨度較大，在不同角度時(shí)進(jìn)行曲線分析，可以確定最優(yōu)經(jīng)濟(jì)傾角在28°～30°之間，比輻射量最佳傾角低3°～5°，與參考文獻(xiàn)[5]結(jié)論基本一一致。需要明確的是，經(jīng)濟(jì)最優(yōu)傾角的確定與光伏電站容量、場(chǎng)地成本、緯度等多種因素相關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體項(xiàng)目具體分析。

表1 新疆洛浦某項(xiàng)目不同傾角經(jīng)濟(jì)性分析

2.2 組串設(shè)計(jì)

在光伏方陣中，光伏組件串聯(lián)后再并聯(lián)，通過(guò)匯流箱輸入逆變器作為一個(gè)發(fā)電單元。組串中各光伏組件的電性能宜保持一致，光伏組件的串聯(lián)數(shù)應(yīng)按下列公式計(jì)算

(1)

(2)

式中：Voc為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下光伏組件開(kāi)路電壓；N為組串中串聯(lián)的光伏組件塊數(shù)；Vdcmax為逆變器直流端最大輸入電壓；Kv為光伏組件開(kāi)路電壓溫度系數(shù)；Vmpptmin以及Vmpptmax為逆變器最大功率跟蹤范圍最小和最大電壓；Vpm為光伏組件標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC)下工作電壓；Kv′為光伏組件工作電壓溫度系數(shù)；t為光伏組件工作條件下的極限低溫；t′為光伏組件工作條件下的極限高溫。

為增大組串的輸出電壓，減少線路損耗，組件串聯(lián)數(shù)量宜選用最大值，主要用公式(1)計(jì)算。在實(shí)際工程中，為方便支架設(shè)計(jì)及組件接線，組件串聯(lián)數(shù)量往往會(huì)選擇偶數(shù)值。影響組件串聯(lián)數(shù)量的因素主要有：項(xiàng)目所在地近30年歷史最低溫度(t)，逆變器最大直流輸入電壓(Vdcmax)、光伏組件的開(kāi)路電壓(Voc)以及開(kāi)路電壓溫度系數(shù)(Kv)共4個(gè)參數(shù)，忽略了其他因素。實(shí)際上，Voc是輻照度的函數(shù)，計(jì)算中采用的Voc是光伏組件標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(空氣質(zhì)量為1.5，測(cè)試太陽(yáng)電池的輻照度為1 000 W/m2，環(huán)境溫度為25 ℃)下測(cè)試的參數(shù)，而當(dāng)輻射量降低且其他條件不變時(shí)，Voc同時(shí)降低。從理論上來(lái)說(shuō)，Voc值隨輻射強(qiáng)度的增加呈對(duì)數(shù)方式增長(zhǎng)[7-8]。當(dāng)光伏電池處于開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)光生電流產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)就是開(kāi)路電壓。設(shè)I=0A(開(kāi)路)，Iph=Isc，則

(3)

(4)

式中：Iph為光生電流；Isc為參考溫度光照下的短路電流；I0為二極管反向飽和電流；Kt為短路電流溫度系數(shù)；TJ為光伏電池結(jié)溫溫度；Tr為參考熱力學(xué)溫度；G(t)為光照強(qiáng)度，W/m2；n為光伏電池的理想因子；k為玻爾茲曼常數(shù)，取值1.38×10-23J/K；q為電子電荷，取值為1.6×10-19C。

在可以忽略串聯(lián)、并聯(lián)電阻的影響時(shí)，Isc為與入射光強(qiáng)度成正比，在很弱的陽(yáng)光下，Isc≤I0，因此

(5)

在很強(qiáng)的陽(yáng)光下，Isc≥I0，

(6)

由此可見(jiàn)，在較弱陽(yáng)光時(shí)，硅太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓隨光的強(qiáng)度做近似直線變化，而當(dāng)陽(yáng)光較強(qiáng)時(shí)，兩者是對(duì)數(shù)關(guān)系；短路電流與輻射量呈線性關(guān)系，輻照度對(duì)晶體硅電池開(kāi)路電壓和短路電流的影響如圖1所示。

圖1 輻照度對(duì)晶體硅電池開(kāi)路電壓和短路電流的影響[8]

溫度是影響光伏組件開(kāi)路電壓的重要參數(shù)，當(dāng)溫度升高時(shí)，Voc線性減少，用公式表示為

Voc′=Voc[1+(t-25)Kv] ，

(7)

或者

Voc′=Voc+(t-25)kv。

(8)

一般廠家提供的組件參數(shù)均為STC條件下的測(cè)試結(jié)果，理論上可通過(guò)光伏電池的數(shù)學(xué)物理模型以及廠家提供的組件參數(shù)模擬出不同輻照度和溫度條件下的組件I-V曲線以及計(jì)算相關(guān)的特性參數(shù)[9]。PVsyst軟件中也有類(lèi)似功能，輸入不同輻照度和溫度的工況條件，可得出組件在該工況下的輸出參數(shù)。廠家提供的光伏組件資料基本都含有組件在不同輻照度下的I-U曲線圖，如圖2所示。

圖2 晶硅組件在不同輻照強(qiáng)度下的I-U曲線

根據(jù)光伏組件的弱光測(cè)試曲線，光伏組件正常工作的輻射量范圍為200～1 000 W/m2，當(dāng)輻射量低于200 W/m2時(shí)，光伏組件的Voc急劇下降，同時(shí)由于逆變器有一個(gè)工作啟動(dòng)閾值，在較低的輻射量下不能啟動(dòng)工作。由于逆變器早上啟動(dòng)時(shí)是低輻照度低溫，其他時(shí)間啟動(dòng)時(shí)輻照度和溫度都已增大，此時(shí)光伏組件的結(jié)溫會(huì)比環(huán)境溫度高。因此考慮早上逆變器啟動(dòng)時(shí)，低輻照度下的現(xiàn)在市場(chǎng)主流的60片電池片(峰值功率為250 W檔)光伏組件的Voc輸出比STC測(cè)出的Voc參數(shù)小2～3 V(PVsyst軟件中光伏組件數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù))，此時(shí)光伏組串可串聯(lián)的組件數(shù)量會(huì)增加。為了計(jì)算方便，同時(shí)符合工程實(shí)際情況，擬選用200 W/m2時(shí)的Voc參數(shù)計(jì)算。以尚德STP250S組件為例，在極限低溫為-20 ℃應(yīng)用時(shí)，查找數(shù)據(jù)得，標(biāo)準(zhǔn)條件下(STC)1 000 W/m2時(shí)Voc為37.3 V，200 W/m2時(shí)Voc為34 V，系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓Vdcmax為1 000 V，組件開(kāi)路電壓溫度系數(shù)-144 mV/℃， 尚德組件低溫低輻射量時(shí)Voc計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 尚德組件低溫低輻射量時(shí)Voc

由表2可知，200 W/m2，25 ℃時(shí)的Voc和公式(8)計(jì)算得到的低輻照度低溫時(shí)的Voc與軟件模擬得到的Voc基本一致，誤差僅有0.3%，計(jì)算方法比較可靠，進(jìn)一步計(jì)算組串N，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 采用不同輻射量Voc計(jì)算組串N

當(dāng)光伏組件工作時(shí)，組件的結(jié)溫就會(huì)高于環(huán)境溫度，且低輻照度時(shí)Vpm輸出同樣比STC測(cè)出的Vpm小，因此組串工作狀態(tài)輸出電壓仍可滿足逆變器最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)范圍的電壓上限。另外，光伏組件的衰減促使光伏組件Voc，Vpm減小，某型號(hào)光伏組件衰減測(cè)試見(jiàn)表4。考慮光伏組件的老化和功率衰減的因素，可以將組件串聯(lián)數(shù)量?jī)?yōu)化。通過(guò)以上分析，光伏組串的組件數(shù)量可采用低輻照度200 W/m2，25 ℃時(shí)的Voc計(jì)算。

表4 某型號(hào)光伏組件衰減測(cè)試

當(dāng)組串N=24時(shí)，在1 MW的光伏電站設(shè)計(jì)中，由于組串并聯(lián)數(shù)量的減少，支架數(shù)量、匯流箱配置和直流電纜長(zhǎng)度均會(huì)相應(yīng)減少，因此,在大型電站中會(huì)凸顯效益。

2.3 固定支架布置形式

由于固定支架比單、雙跟蹤支架投資少，維護(hù)簡(jiǎn)便，在大型光伏電站中應(yīng)優(yōu)先采用。固定支架一般根據(jù)光伏組件的規(guī)格型號(hào)、布置方式、光伏組串中組件數(shù)量并考慮安裝場(chǎng)地特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)分析組串在支架單元上排布方式對(duì)支架、樁基電纜等的成本影響。

通常一個(gè)或多個(gè)組串布置在一個(gè)支架單元上，以某組串22塊組件(長(zhǎng)900 mm×寬165 mm)設(shè)計(jì)為例，組串布置方式有以下幾種。

(1)豎向1排22塊組件，單排串聯(lián)為一個(gè)組串。支架、樁基與電纜用量比其他形式較多，不適用大型電站，常用于屋頂電站。

(2)豎向2排11塊或2排22塊組件，雙排成串。豎向2排11塊組件的布置在大型光伏電站中最為常用，雙排成串U型串聯(lián)接線方便，支架單元東西長(zhǎng)11 m，當(dāng)建設(shè)場(chǎng)地紅線范圍不規(guī)則時(shí)，應(yīng)用比較靈活。將2個(gè)安裝豎向2排11塊組件的支架單元組合為一個(gè)支架單元，即為2排22塊組件，支架單元東西長(zhǎng)約22.2 m，在長(zhǎng)度方面仍然便于安裝和檢修維護(hù)。例如寧夏中衛(wèi)某20 MW光伏電站項(xiàng)目，以2排22塊布置為主，2排11塊為輔，在滿足載荷要求的情況下，2排22塊布置時(shí)支架基礎(chǔ)采用2排7根樁基，2排11塊時(shí)支架基礎(chǔ)采用2排4根樁基，因此,對(duì)于44塊組件來(lái)說(shuō)，2排22塊布置比2排11塊布置樁基將減少1/8，支架東西間距的減少也帶來(lái)方陣面積的減少和電纜用量的減少，節(jié)約了成本。在實(shí)際應(yīng)用中，豎向2排22塊組件比2排11塊組件更為經(jīng)濟(jì)。

(3)橫向雙2排11或橫向4排11，雙排分別串聯(lián)成串。此類(lèi)型布置，經(jīng)濟(jì)性比豎向雙排布置稍低，但橫向四排支架略顯龐大，施工操作不易，在電站中很少使用。

通過(guò)以上分析，以及山西大同某項(xiàng)目支架不同布置形式、樁基材質(zhì)和直徑相同經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，比較結(jié)果見(jiàn)表5，可知支架單元上光伏組件豎向2排22塊布置經(jīng)濟(jì)性較好?？紤]到施工便利因素，豎向2排11塊布置方式在場(chǎng)地起伏以及邊界不規(guī)則時(shí)更有靈活性。如果電站地勢(shì)起伏與邊界不規(guī)則，建議采用2種支架統(tǒng)籌考慮。

表5 支架與樁基經(jīng)濟(jì)性比較

2.4 陣列南北和東西向間距

光伏陣列的南北向間距以及東西向間距決定了光伏方陣的面積，直接影響土地成本和電纜成本。一般的設(shè)計(jì)原則是冬至日當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)09:00—15:00之間，光伏陣列前、后、左、右互不遮擋。GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出平整場(chǎng)地光伏陣列不被遮擋的陣列中心間距公式

(9)

式中：l為組件斜面長(zhǎng)度；θ為組件傾角；?為項(xiàng)目所在地緯度。光伏陣列間距示意圖如圖3所示。

圖3 光伏陣列間距示意圖

由于大型電站因所占面積很大，自然場(chǎng)地基本都會(huì)存在地形起伏，且土石方平整既不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保。參考文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)了適合坡度場(chǎng)地的間距計(jì)算公式，優(yōu)化了設(shè)計(jì)方法。

(10)

式中：DE-W為相鄰東西陣列的中心距(陣列長(zhǎng)度加相鄰間距)；iE-W為東西方向的坡度；iN-S為南北方向的坡度，定義北坡為正，南坡為負(fù)；日照間距系數(shù)R=cosβ/tanα，β和α分別為項(xiàng)目所在09:00時(shí)的太陽(yáng)方位角和太陽(yáng)高度角。光伏陣列的中心間距為陣列斜面投影d1與間距d2之和，d=d1+d2=d1+lcosθ+d2。

坡度場(chǎng)地的由于面積較大，起伏不定，坡度的分析選取可以兼顧道路豎向設(shè)計(jì)，采用子方陣分區(qū)域設(shè)計(jì)，比如“網(wǎng)格法”。網(wǎng)格法是用100 m×100 m或200 m×200 m等不同長(zhǎng)寬的方形或矩形網(wǎng)格將場(chǎng)地分區(qū)，計(jì)算每一個(gè)小格四周的坡度，選取較大的坡度計(jì)算陣列間距，對(duì)于坡度不同的區(qū)域，光伏陣列的間距可適當(dāng)取不同的間距值。本方法適用于坡度復(fù)雜場(chǎng)地，例如，中間高四周低的山坡場(chǎng)地和高低不平的灘涂場(chǎng)地。當(dāng)場(chǎng)地沒(méi)有東西向坡度時(shí)，即場(chǎng)地為正南坡或正北坡，分不同區(qū)域計(jì)算南北坡度，然后分區(qū)域間距設(shè)計(jì)。

據(jù)報(bào)道，最新建設(shè)的某些光伏電站陣列間距有進(jìn)一步增大的趨勢(shì)[10]。在陽(yáng)光能源格爾木二期項(xiàng)目中，每排組件的間距從一期的5.7 m增加至6.0 m，以減少陰影的影響。華能格爾木三期也將10 MW子方陣間距從5.7 m增加至6.0 m，以對(duì)比不同間距下的發(fā)電量。有必要指出的是，陣列間距的增大會(huì)減少早上和傍晚時(shí)陣列遮擋時(shí)間，同時(shí)帶來(lái)發(fā)電量增加與電纜量增加，與前面傾角經(jīng)濟(jì)優(yōu)化減小間距減少占地面積相比，各有利弊，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)建議根據(jù)可利用面積以及目標(biāo)裝機(jī)容量等條件技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后選擇。

光伏陣列的東西間距不同于南北間距，規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定間距大小以及計(jì)算方法。東西方向間距的大小同樣影響光伏方陣的占地面積以及電纜長(zhǎng)度用量，因此比較重要。在平整的場(chǎng)地上，東西向光伏陣列的組件安裝高度一致，不會(huì)相互遮擋。對(duì)山地布置或地形坡度較大的場(chǎng)地，應(yīng)考慮陣列中支架單元東西方向高度變化所引起的陰影遮擋，并在設(shè)計(jì)中采取針對(duì)性措施。當(dāng)場(chǎng)地坡度較大時(shí)，應(yīng)考慮東西相鄰2個(gè)陣列的落差，除保證冬至日09：00東邊陣列不遮擋西邊陣列或15：00西邊陣列不遮擋東邊陣列外，還應(yīng)進(jìn)一步考慮夏至日相鄰陣列是否遮擋，這是由于夏至日太陽(yáng)輻照度在09：00之前與15：00之后仍然很高，應(yīng)對(duì)這一部分輻射量提高利用率。例如，通過(guò)PVsyst模擬寧夏中衛(wèi)市某光伏電站(37.3°N)，光伏陣列西側(cè)比東側(cè)高0.5 m，東西間距0.5 m，雖滿足冬至日15：00左右不遮擋時(shí)，但夏至日15:30左右就會(huì)出現(xiàn)左右遮擋而前后陣列沒(méi)有形成遮擋。當(dāng)東西間距為1 m時(shí)，夏至日出現(xiàn)左右遮擋的時(shí)間為16：30左右，如圖4所示的東側(cè)支架上西端剛出現(xiàn)陰影。因此，根據(jù)東西光伏陣列的高度差來(lái)考慮東西間距有實(shí)際意義，根據(jù)實(shí)際工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在平整場(chǎng)地時(shí)，建議東西向間距為0.3～0.5 m，在預(yù)留作為檢修通道用時(shí)，可設(shè)計(jì)為1 m，坡度場(chǎng)地相鄰陣列存在高差時(shí)，東西向間距為相鄰陣列的高差2倍以上為宜，在夏季可以減少早晚時(shí)間的遮擋以利用更多的光照。

圖4 PVsyst夏至日16:30陣列陰影模擬

3 結(jié)論

本文從安裝傾角、組串?dāng)?shù)量、直流電纜接線等方面研究了大型光伏電站的方陣優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)研究結(jié)果，得出如下結(jié)論：

(1)大型光伏電站應(yīng)根據(jù)安裝容量和場(chǎng)地成本進(jìn)行具體分析，選擇經(jīng)濟(jì)最優(yōu)傾角比選擇組件傾斜面輻射量最佳傾角更有利于提高投資效益。

(2)提出了光伏組串設(shè)計(jì)采用低輻照度低溫條件的計(jì)算方法，根據(jù)該計(jì)算方法可增加組串中組件數(shù)量，以減少電纜壓降并減少電纜量。

(3)分析了組件在支架上的安裝方式和支架選型，選用豎向2排22塊組件布置方式在支架、樁基方面經(jīng)濟(jì)性較高。

(4)大型光伏電站建設(shè)場(chǎng)地面積巨大，有一定起伏，且本文提出采用“網(wǎng)格法”通過(guò)分區(qū)域計(jì)算陣列南北間距，并提出針對(duì)東西相鄰陣列存在較大高差時(shí)，除滿足冬季09:00—15:00之間不遮擋外，應(yīng)兼顧夏季提高輻射量利用。

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