內(nèi)蒙古自治區(qū)村級光伏扶貧電站系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化

王明

(上海霆華能源科技有限公司，上海 201314)

0 引言

脫貧攻堅戰(zhàn)是黨的十九大提出的三大攻堅戰(zhàn)之一，光伏扶貧作為“十大精準(zhǔn)扶貧工程”之一受到高度重視[1]。第1批光伏扶貧項目共下達(dá)14個省(自治區(qū))、236個光伏扶貧重點縣、8 689個光伏扶貧電站，扶持對象為14 556個建檔立卡貧困村的710 751戶建檔立卡貧困戶，其中包括內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟3個縣、112個村級光伏扶貧電站。本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟村級光伏扶貧電站為研究對象，從實際工作出發(fā)，分析村級光伏扶貧電站的選址、系統(tǒng)設(shè)計以及并網(wǎng)方案的優(yōu)化設(shè)計，為將來光伏扶貧電站項目的系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 錫林郭勒盟村級光伏扶貧電站現(xiàn)狀

錫林郭勒盟位于中國的正北部，土地面積為20.3萬km2，全盟草原總面積為19.7萬km2，地處東經(jīng)115°13′～117°06′，北緯43°02′～44°52′；年平均氣溫約4.3 ℃，極端最高氣溫為38.7 ℃，極端最低氣溫為-38.8 ℃，無霜期約130 d，季節(jié)性標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為2.60 m；年降水量為170～190 mm，年蒸發(fā)量約為2 384 mm；風(fēng)向主要為西北風(fēng)，風(fēng)力一般為3～5級，最大9～10級，年平均風(fēng)速為5.5 m/s，是國內(nèi)最佳的風(fēng)力發(fā)電場地；海拔1 104.23～1 109.97 m，地形起伏不大，地貌屬第四系沖洪積平原地貌；當(dāng)?shù)匾詽h族為主，有蒙古族、回族、朝鮮族等23個少數(shù)民族。 綜上所述，在村級光伏扶貧電站選址和設(shè)計階段會面臨地廣人稀、語言溝通不便、氣候惡劣、草原防火等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計的合理性更加難以把握。只有結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況對系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，才能使投資收益最大化。

2 村級光伏扶貧電站的選址

錫林郭勒盟地廣人稀、地形復(fù)雜、草甸草原分布廣泛，不適宜分散建設(shè)村級光伏電站。擬建項目存在建設(shè)用地距并網(wǎng)點距離遠(yuǎn)、建設(shè)成本大、線路損耗高等問題。

對此，根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況并征求相關(guān)政府部門意見后，確定該項目設(shè)計方案為多村聯(lián)建、分表計量、整體送出、統(tǒng)一運(yùn)維，以方便運(yùn)維及管理，并且為以后光伏發(fā)展留有空間?；诖?，選址宜在有足夠消納能力的35 kV或110 kV變電站5 km以內(nèi)。

表1 組件串聯(lián)數(shù)不同時開路電壓比選Tab.1 Comparison of open-circuit voltage with different number of components per string V

3 村級光伏扶貧電站的系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化

根據(jù)《光伏扶貧電站管理辦法》，村級扶貧電站單個電站規(guī)模原則上不超過300 kW，具備就近接入和消納條件的可放寬至500 kW。村級聯(lián)建電站外送線路電壓等級不超過10 kV，建設(shè)規(guī)模不超過6 000 kW。錫林郭勒盟有118個建檔立卡貧困村，備案112個村級光伏扶貧電站，采取多村聯(lián)建、分表計量、整體送出、統(tǒng)一運(yùn)維的系統(tǒng)設(shè)計方案，將很大程度解決貧困村電網(wǎng)改造、扶貧項目選址、后期運(yùn)營維護(hù)、三大村級光伏扶貧電站建設(shè)等難題。

3.1 光伏扶貧電站模式

光伏扶貧電站主要由光伏場區(qū)和送出線路兩部分組成，光伏場區(qū)包括光伏組件、組串式逆變器、交流匯流箱、變壓器等主要電氣設(shè)備。按照《光伏扶貧電站管理辦法》，村級光伏扶貧電站所發(fā)電量全部賣給國家電網(wǎng)有限公司，也就是“全額上網(wǎng)”。國家能源局和國務(wù)院扶貧辦對每座村級光伏扶貧電站進(jìn)行了統(tǒng)一編碼并建立檔案目錄。國家電網(wǎng)有限公司提供計量表，國家根據(jù)發(fā)電量和相關(guān)政策結(jié)算補(bǔ)助資金。

3.2 光伏組串設(shè)計及優(yōu)化

GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》中光伏組件串的串聯(lián)數(shù)N的計算公式為(2個公式需同時滿足)

式中：Vdc,max為逆變器允許的最大直流輸入電壓；Voc為光伏組件的開路電壓；Vpm為光伏組件的工作電壓；Vmppt,min為逆變器最大功率點跟蹤(MPPT)電壓最小值；Vmppt,max為逆變器MPPT電壓最大值；Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)；Kv′為光伏組件的工作電壓溫度系數(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。

根據(jù)該地區(qū)的氣象資料，特別是歷史最高氣溫和最低氣溫，同時考慮固定安裝特點進(jìn)行計算。

(1)逆變器參數(shù)：MPPT電壓范圍，200～1 000 V；最大輸入電壓，1 100 V。

(2)光伏組件參數(shù)：開路電壓Voc，38.9 V；峰值功率電壓Vmp，31.8 V；工作電壓溫度系數(shù)Kv，-0.330%/℃；開路電壓溫度系數(shù)Kv′，-0.330%/℃；額定功率，295 W。

(3)環(huán)境參數(shù):最低溫度，-37.2 ℃；最高溫度，40.0 ℃。

將上述參數(shù)代入式(1)、式(2)計算N為18～24時的直流輸入?yún)?shù)，見表1。由表1可知，N為18～22時，可滿足逆變器的輸入要求。

綜上所述，該地區(qū)單臺逆變器可采用峰值功率為295 W的單晶硅電池組件，22 塊組件串聯(lián)為1 路組串。

在實際項目中，光伏組件的工作溫度和開路電壓受輻照度、溫度等環(huán)境因素影響較大，系統(tǒng)設(shè)計時直接取該地區(qū)極端低溫缺乏合理性。系統(tǒng)設(shè)計時需對光伏組件工作條件下的極端低溫進(jìn)行修正[2]。

修正溫度

式中：tw為光伏組件在輻照度為80 mW/cm2、環(huán)境溫度為20 ℃及風(fēng)速為1 m/s條件下的工作溫度，一般晶硅組件為45 ℃；S為輻照度，mW/cm2；ta為環(huán)境溫度，℃。

優(yōu)化后可根據(jù)項目地實測的輻照度S和環(huán)境溫度ta計算出符合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的組串串聯(lián)數(shù)量。

4 并網(wǎng)方案

根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司頒布的《分布式光伏扶貧項目接網(wǎng)工程典型設(shè)計的通知》(國家電網(wǎng)運(yùn)檢〔2016〕408號)，該地區(qū)村級光伏扶貧電站接入方式宜為10 kV電壓等級并網(wǎng)[3-4]。

5 圍欄設(shè)計

光伏扶貧電站設(shè)計理念是“無人值班、少人值守”，圍墻作為電站的保護(hù)設(shè)備顯得尤為重要。錫林郭勒盟屬于草原地區(qū)，冬季風(fēng)大，大風(fēng)很容易把枯草吹積在圍欄一側(cè)，長期積累會造成圍欄垮塌。建議圍欄方案為：先建設(shè)800 mm高磚墻作為圍欄基礎(chǔ)，再在磚墻之上做1 000 mm圍欄。這種設(shè)計雖然成本有所增加，但可以有效抵抗風(fēng)沙、枯草給圍欄增加的載荷。

6 場區(qū)防火設(shè)計

該地區(qū)春秋季降雨較少，風(fēng)較大，而且光伏場區(qū)內(nèi)的直流極易產(chǎn)生拉弧，一旦引起草原火災(zāi)，后果十分嚴(yán)重。因此，該地區(qū)除了采取規(guī)范要求的防火措施外，還要充分考慮當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，建設(shè)草原防火隔離帶。草原防火隔離帶的寬度要視光伏場區(qū)實際地形而定，要能有效控制火勢蔓延。在易產(chǎn)生拉弧的設(shè)備附近安裝智能火源識別系統(tǒng)，保證第一時間發(fā)現(xiàn)火源、控制火勢。

7 結(jié)束語

(1)錫林郭勒盟的貧困村自然環(huán)境比較惡劣、交通不便、電網(wǎng)條件相對落后，按照備案分散實施，施工難度大、收益和后期運(yùn)維無法保證。因此，對于偏遠(yuǎn)地區(qū)的村級光伏扶貧項目，一定要深入貧困村收集一手資料，針對不同的地區(qū)，因地制宜，設(shè)計出合理方案。

(2)村級光伏扶貧設(shè)計最重要的環(huán)節(jié)之一就是送出系統(tǒng)。送出系統(tǒng)需要設(shè)計單位和當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)公司積極配合才能順利完成相關(guān)設(shè)計。在初步設(shè)計階段，扶貧工作主導(dǎo)部門要做好各部門的協(xié)調(diào)工作，積極推進(jìn)。

(3)國家電網(wǎng)有限公司規(guī)定：小型光伏電站總?cè)萘坎荒艹^上一級變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大負(fù)荷的25%，這一規(guī)定使貧困村的光伏接入容量受到限制，建議國家相關(guān)部門加快貧困地區(qū)農(nóng)網(wǎng)改造，確保村級扶貧電站和接網(wǎng)工程同步建成投產(chǎn)，光伏扶貧項目上網(wǎng)電量全額收購，及時發(fā)放補(bǔ)貼，使貧困人口都能用上綠色能源，早日脫貧。