DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)研究與應(yīng)用分析

徐傳進，吳琪，林琳，羅健明

(四川東方電氣自動控制工程有限公司，四川德陽，618000)

DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)研究與應(yīng)用分析

徐傳進，吳琪，林琳，羅健明

(四川東方電氣自動控制工程有限公司，四川德陽，618000)

太陽能光伏發(fā)電在近年來得到了高速發(fā)展，已成為解決化石能源短缺和應(yīng)對氣候變化的重要途徑。文章在介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)行DC 1 000 V光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案在降低系統(tǒng)成本和提高系統(tǒng)效率方面極其有限的現(xiàn)狀，具體介紹了DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)，以及在降低系統(tǒng)成本和提高系統(tǒng)效率方面的優(yōu)勢，并給出了具體設(shè)計方案和分析了應(yīng)用前景。

光伏發(fā)電，DC 1 500 V，成本，效率

0 引言

在當(dāng)今油、碳等化石能源短缺，霧霾和溫室效應(yīng)等愈加惡劣的環(huán)境下，能源問題已經(jīng)成為關(guān)系到人類生存和發(fā)展的首要問題[1]，世界各國都加緊了發(fā)展新能源的步伐。而在新能源中，太陽能光伏發(fā)電以其取之不盡、用之不竭、就地可取、無需運輸、分布廣泛、無污染、利于生態(tài)等優(yōu)點[2]，已經(jīng)成為新能源領(lǐng)域中開發(fā)利用水平高、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、極具商業(yè)化發(fā)展條件的新型能源。

近年來，全球光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，以年均30%以上的速度快速增長，光伏發(fā)電的競爭力不斷提高，已成為全球最受重視的新能源發(fā)電技術(shù)。美國綠色能源市場研究機構(gòu)GTM公司初步數(shù)據(jù)顯示，2015年全球光伏裝機容量較2014年增加了34%，截至年底達到了約5 900萬千瓦。而我國在規(guī)范光伏開發(fā)秩序、開展光伏扶貧工程、推進分布式示范區(qū)建設(shè)等相關(guān)光伏產(chǎn)業(yè)利好政策的刺激下，截至2015年底，我國太陽能光伏發(fā)電累計并網(wǎng)容量達到4 158萬千瓦，同比增長67.3%，約占全球的1/5，超過德國成為世界光伏第一大國；而“十二五”期間，我國太陽能發(fā)電裝機容量年均增長177%。圖1為2010～2015年我國太陽能光伏發(fā)電逐年裝機容量情況表。

圖1 2010～2015年我國太陽能光伏發(fā)電逐年裝機容量

目前太陽能光伏發(fā)電裝機容量的高速增長，主要依賴于各國的財政補貼政策，然而隨著裝機容量急速上升、財政補貼逐年縮減、限電棄電問題日益突出等，實現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電的價格與傳統(tǒng)化石能源基本持平，真正實行光伏發(fā)電平價上網(wǎng)，已經(jīng)成為當(dāng)下光伏商業(yè)化進程中急需解決的問題——有效降低光伏系統(tǒng)的成本、提高發(fā)電效率仍將是未來光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心課題。

經(jīng)過近幾年光伏相關(guān)發(fā)電設(shè)備成本的急劇下降，包括光伏組件、逆變器等主要設(shè)備的降價空間已經(jīng)非常有限，從而使得從光伏系統(tǒng)設(shè)計層面來提高光伏系統(tǒng)效率、降低光伏系統(tǒng)成本，成為一條可行性的發(fā)展道路，DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計逐漸被業(yè)內(nèi)所研究與認可。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)是否與電網(wǎng)連接，可分為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，其中離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)直流電壓較低，裝機容量有限，直流側(cè)也不存在匯流問題，DC 1 500 V系統(tǒng)基本不適用于離網(wǎng)光伏系統(tǒng)，故本文只對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進行研究與分析。圖2所示為目前并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的DC 1 000 V光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本陣列單元組成結(jié)構(gòu)圖。

圖2 DC 1 000 V并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)基本陣列單元組成結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽能光伏組件、匯流箱、直流防雷配電柜、逆變器、變壓器以及其他輔助系統(tǒng)。其工作原理為:太陽能光伏組件利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，將光能轉(zhuǎn)化為電能，由于單塊組件所串聯(lián)和并聯(lián)的電池片數(shù)量有限，其輸出電壓（一般30～40 V）和電流（一般7～9 A）較小，故將多塊組件串聯(lián)以提高直流電壓，形成光伏組件串，再將多串組件串并聯(lián)匯入光伏匯流箱以提高直流電流，進而多個匯流箱并聯(lián)接入直流防雷配電柜，進一步提高直流電流，再通過光伏逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為工頻交流電，經(jīng)過變壓器升壓后與高壓電網(wǎng)連接并網(wǎng)。

在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，除組件、匯流箱、逆變器、變壓器等主要設(shè)備外，還需其他如監(jiān)控系統(tǒng)、有功無功補償系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，但本文主要分析研究DC 1 500 V系統(tǒng)與常規(guī)DC 1 000 V系統(tǒng)的優(yōu)缺點，只涉及直流相關(guān)的組件、匯流箱、直流防雷配電柜、逆變器和它們之間的連接電纜，故對其他輔助系統(tǒng)不做深入介紹。

2 DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用基礎(chǔ)

由并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理可知，系統(tǒng)的直流電壓主要由光伏組件串的組件塊數(shù)決定。在目前常用的DC 1 000 V光伏發(fā)電系統(tǒng)中，與之配套的光伏組件、匯流箱、直流防雷配電柜、逆變器及電纜等，設(shè)計直流電壓均為DC 1 000 V。因此，設(shè)計與研究DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)，其前提是相關(guān)配套設(shè)備已滿足DC 1500 V系統(tǒng)要求。

2.1 太陽能光伏組件

太陽能光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是光伏發(fā)電系統(tǒng)中成本和價值最高的部分，其作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能。

1 500 V系統(tǒng)電壓會降低組件電氣的安全性和可靠性，同時增大PID等風(fēng)險。因此制作1 500 V光伏組件主要考慮背板局放、電連接器和電絕緣等影響組件可靠性和安全性的因素，其難點主要在材料選取上，相關(guān)組件廠家主要采取以下方式來解決此問題。

（1）材料升級:背板PET中間層加厚；

（2）接線盒升級:線纜、連接器、電器間隙以及爬電距離均需滿足1 500 V認證要求；

（3）組件結(jié)構(gòu)方式升級:

常規(guī)背板型結(jié)構(gòu):玻璃+1 500 V背板+EVA（POE）+鋁框+1 500 V接線盒。

雙玻型結(jié)構(gòu):玻璃+EVA（POE）+玻璃+1 500 V接線盒（無框）。

目前一些組件廠商已經(jīng)相繼推出了1 500 V認證的產(chǎn)品，如英利、晶澳、中電光伏等主流組件廠商，為DC 1 500 V系統(tǒng)的應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。

2.2 匯流箱與直流防雷配電柜

匯流箱和直流防雷配電柜的作用都是為了減少太陽能光伏組件陣列與逆變器之間的連線，同時起到分級關(guān)斷功能。

DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)DC 1 000 V光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，當(dāng)光伏系統(tǒng)電壓升至1 500 V后，對系統(tǒng)的安全性能要求也更高了，直流電和交流電不同，沒有過零點，一旦出現(xiàn)漏電，將會造成大的事故。因此根據(jù)斷路器的額定工作電流、額定工作電壓、分斷能力三大指標，來選擇一款合適的1 500 V直流開關(guān)對提升整個系統(tǒng)的安全性至關(guān)重要。

目前IMO、歐普、PROJOY、施耐德等均有符合相關(guān)要求的直流斷路器。

2.3 逆變器

光伏逆變器將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一。

1 500 V系統(tǒng)電壓對光伏逆變器要求更高，主要考慮絕緣、電氣間隙以及電壓升高后可能帶來擊穿放電等問題，因此逆變器需要采用更復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計和更高電壓等級的功率器件以及直流開關(guān)設(shè)備。

目前陽光電源、SMA等廠家均推出了適用于DC 1 500 V的光伏專用逆變器。

隨著符合DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)要求的太陽能光伏組件、匯流箱、直流防雷配電柜、逆變器等主要設(shè)備的研發(fā)成功，DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)具備了設(shè)計和應(yīng)用的基礎(chǔ)。

3 DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢

與DC 1 000 V光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢:

（1）可以有效提高光伏系統(tǒng)效率

光伏系統(tǒng)功率為式（1）:

其中U為系統(tǒng)直流電壓，I為逆變器直流輸入電流。

由式（1）可知，直流系統(tǒng)電壓由1 000 V提高到1 500 V，直流輸入電流I減小。系統(tǒng)線損由式（2）計算:

導(dǎo)線截面積不變，導(dǎo)線電阻R不變，故線損P損降低，從而提高了系統(tǒng)效率。

（2）可以有效降低系統(tǒng)成本

當(dāng)直流系統(tǒng)電壓提高到1 500 V時，組件串可串聯(lián)的組件塊數(shù)增加，在相同功率的系統(tǒng)中，相比DC 1 000 V光伏發(fā)電系統(tǒng)，DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)所需的匯流箱及組件與匯流箱的連接電纜數(shù)量均減少，從而降低了系統(tǒng)的成本。

（3）有效應(yīng)對組件效率提高帶來的系統(tǒng)開路電壓提高的挑戰(zhàn)

由于轉(zhuǎn)換效率的提升，組件每提升5 W功率，峰值和開路電壓會線性提升0.3 V。在目前的DC 1 000 V系統(tǒng)的組網(wǎng)方案中，可以測算光伏組件達到480 W功率時系統(tǒng)開路電壓能超過DC 1 500 V，直流低壓側(cè)最高電壓極限為DC 1 500 V。故DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計研究可以應(yīng)對組件效率提升對直流系統(tǒng)電壓的要求，可以享受較長期的研發(fā)成果。

系統(tǒng)效率提高、系統(tǒng)造價下降對目前光伏設(shè)備市場具有非常大的意義，而有效應(yīng)對組件效率提高對系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)，也是極具前瞻性的研究。因此，DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計研究具有實際經(jīng)濟效益和廣泛的應(yīng)用前景。

4 DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用分析

4.1 設(shè)計思路

為了直觀地比較DC 1 500 V相對于DC 1 000 V光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢，本文針對1 MW光伏發(fā)電陣列單元，分別采用DC 1 000 V和DC 1 500 V進行系統(tǒng)設(shè)計，考慮組件開路電壓和短路電流溫度系數(shù)，首先確定組件串中組件的塊數(shù)，再選擇匯流箱和直流防雷配電柜，進而選擇合適的逆變器，并配置各設(shè)備之間的電纜。由于兩種設(shè)計方案只存在直流部分的差別，故本文對交流及其他輔助系統(tǒng)部分不做涉及。

4.2 DC 1 000 V光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

本方案采用280 Wp的單晶光伏組件，其技術(shù)參數(shù)如表1所示，并選用陽光電源SG500MX逆變器2臺，其最大輸入開路電壓為1 000 V，MPPT電壓范圍為460～850 V。

表1 280 Wp的單晶光伏組件技術(shù)參數(shù)表

由表1可知:280 W組件的開路電壓Voc= 44.86 V，開路電壓溫度系數(shù)為-0.31%/℃，考慮溫度因數(shù)，在-20℃環(huán)境溫度中單塊組件的開路電壓為式（3）:

在逆變器的最大輸入開路電壓條件下，可串聯(lián)的組件數(shù)計算為式（4）:

因此，可選用19塊電池組件組成組件串接入發(fā)電系統(tǒng)，串聯(lián)后每串光伏組件串功率為:19× 0.28 kWp=5.32 kWp。故1 MW光伏發(fā)電陣列單元需配置188個電池串列，實際總功率為1 000.16 kWp，相應(yīng)的需要配置16路智能光伏匯流箱12面，8路直流防雷配電柜2面，同時組件串與匯流箱連接電纜選用1×4規(guī)格約16 km，匯流箱與直流防雷配電柜連接電纜選用2×70規(guī)格700 m，直流防雷配電柜與逆變器之間選用1×300規(guī)格150 m。

4.3 DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

針對DC 1 500 V系統(tǒng)方案，采用滿足1 500 V直流電壓的280 Wp的單晶光伏組件，其技術(shù)參數(shù)除最大系統(tǒng)電壓為1 500 V以外，其他與表1所示一致，并選用陽光電源為DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)專門研發(fā)的SG1000 HV逆變器1臺，最大輸入電壓1 500 V，MPPT電壓范圍780～1 200 V。

根據(jù)4.2中計算方法可得，可選用29塊電池組件組成組件串接入發(fā)電系統(tǒng)，串聯(lián)后每串光伏組件串功率為:29×0.28 kWp＝8.12 kWp。故1 MW光伏發(fā)電陣列單元需配置124個電池串列，實際總功率為1 006.88 kWp，相應(yīng)的需要配置16路智能光伏匯流箱8面，8路直流防雷配電柜1面，同時組件串與匯流箱連接電纜選用1×4規(guī)格約10 275 m，匯流箱與直流防雷配電柜連接電纜選用2×70規(guī)格480 m，直流防雷配電柜與逆變器之間選用1×185規(guī)格150 m。

4.4 成本對比分析

由4.2和4.3部分的直流系統(tǒng)設(shè)計，結(jié)合現(xiàn)行光伏系統(tǒng)基本造價，可得如表2所示的1 MW基本陣列單元的成本對比表。

表2 直流系統(tǒng)主要設(shè)備清單及成本對比表

由表2可以得出，DC 1 500 V光伏系統(tǒng)設(shè)計方案價格比DC 1 000 V低0.097元/W，考慮相應(yīng)土建和工程量，該數(shù)據(jù)約為0.11元/W。因此，采用DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)可節(jié)約電站成本約1.38%。

4.5 效率對比

由4.2和4.3中設(shè)計所得的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合式（2）所示的線損計算公式，可得如表3所示的電纜損耗分析表。

表3 直流系統(tǒng)電纜損耗分析表

由于光伏逆變器效率相同，由表3可知，DC 1 500 V光伏系統(tǒng)設(shè)計方案效率比DC 1 000 V高0.316%。

5 總結(jié)

隨著太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和裝機容量的不斷上升，依靠財政補貼始終不是長遠之路，而提高光伏系統(tǒng)效率、降低光伏系統(tǒng)成本，真正實現(xiàn)光伏發(fā)電平價上網(wǎng)，是未來光伏產(chǎn)業(yè)的核心研究方向。

在目前光伏產(chǎn)業(yè)各設(shè)備成本降價空間極其有限的情況下，本文研究的DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案在降低系統(tǒng)成本和提高系統(tǒng)效率方面，均有良好的效果，與現(xiàn)行常規(guī)的DC 1 000 V光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，可降低系統(tǒng)成本約0.11元/W，提高系統(tǒng)效率約0.316%，這對目前競爭激烈的光伏市場具有重要的作用，且可以提前應(yīng)對光伏組件效率提升對直流系統(tǒng)電壓的要求，該研究具有一定的前瞻性。

雖然目前DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)未能得到廣泛應(yīng)用，但隨著符合該系統(tǒng)應(yīng)用的各設(shè)備的研發(fā)成功，以及相關(guān)標準的出臺和示范項目的應(yīng)用，具有成本優(yōu)勢和更高效率的DC 1 500 V光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案必將成為未來光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的主流發(fā)展趨勢。

[1]田浩.風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].天津大學(xué),2006.

[2]劉溪,王婷樂.太陽能光伏發(fā)電與并網(wǎng)系統(tǒng)的組成[D].華中電力,2014.

Research and Application Analysis of DC 1 500 V PV Systems

Xu Chuanjin,Wu Qi,Lin Lin,Luo Jianming

(Sichuan Dongfang Electric Auto Control Engineering Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

In recent years,the solar photovoltaic power generation has got rapid development and become an important way to solve the shortage of fossil fuels and cope with the climate change.Based on the introduction of the fundamental structure of PV systems, this paper has analyzed the current design scheme of DC 1 000 V PV systems which has a tiny space on reducing the system cost and improving the system efficiency.Then it has introduced the design basis of DC 1 500 V PV systems and advantages on reducing the system cost and improving the system efficiency,and finally has given the specific design scheme and analyzed the application prospect of DC 1 500 V PV systems.

PV,DC 1 500 V,cost,efficiency

TM614

A

1674-9987（2017）02-0061-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.02.014

徐傳進（1986-），男，工學(xué)碩士，工程師，畢業(yè)于天津大學(xué)自動化專業(yè)。現(xiàn)從事太陽能光伏及相關(guān)新能源領(lǐng)域產(chǎn)品研發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計工作。