基于?？陔姀S灰場(chǎng)智能光伏發(fā)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

李婷 李承儒

摘要：太陽(yáng)能作為安全可靠性的清潔可再生能源，使得光伏并網(wǎng)發(fā)電具有諸多優(yōu)點(diǎn)，本課題從光伏發(fā)電系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)理論對(duì)?？陔姀S灰場(chǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：

闡述了太陽(yáng)能資源總輻射的計(jì)算方法，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣部分的選型進(jìn)行介紹，給出了海口電廠灰場(chǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。結(jié)論表明：本文基于天文總輻射和日照百分率的方程近似計(jì)算太陽(yáng)總輻射氣候?qū)W特征。選用285Wp 單晶硅組件，共213360 塊，實(shí)際裝機(jī)容量60.8076MWp，共36 個(gè)方陣，每個(gè)方陣約為1.7MW，選用50kW 組串式逆變器。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng);太陽(yáng)能資源;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1太陽(yáng)能資源總輻射計(jì)算方法

我國(guó)太陽(yáng)能資源由于國(guó)土面積大而具有明顯優(yōu)勢(shì)，如果將我國(guó)的每年地表接受的太陽(yáng)能資源按照標(biāo)準(zhǔn)煤炭?jī)?chǔ)量進(jìn)行換算，可以達(dá)到17000 億噸的數(shù)字。根據(jù)氣象部門(mén)的調(diào)查、測(cè)算，我國(guó)的太陽(yáng)能年輻射量最大面積集中在青藏高原地區(qū)，輻射量最高可以達(dá)到10100MJ/m2，我國(guó)的太陽(yáng)能年輻射量最小面積集中在四川盆地，輻射量平均為3300MJ/ m2）將等值線進(jìn)行劃分后，可以從從大興安嶺南一直向西南方向，途徑河套地區(qū)，向南可沿伸至青藏高原東側(cè)，最遠(yuǎn)可達(dá)西藏南部，這條等值線以東地區(qū)屬于非內(nèi)陸地區(qū)，全年降雨量較大，云量較多，包括東北、長(zhǎng)江中下游地區(qū)、花唄以及四川地區(qū)，其中四川地區(qū)的輻射量最小，由四川向南北兩方向輻射量呈遞增。等值線以西為太陽(yáng)能輻射量多的地區(qū)，這些地區(qū)的年日照小時(shí)數(shù)大于3000小時(shí)，這些地區(qū)地處內(nèi)陸，氣候以干旱少雨為主。即便如此，我國(guó)的太陽(yáng)能能源仍舊處于世界領(lǐng)先地位，其豐富以及較為豐富的地區(qū)占國(guó)土總面的三分之二。

QX/T 89-2008提到的《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》，將太陽(yáng)能豐富程度做四個(gè)等級(jí)劃分，劃分結(jié)果如下所示：

上表中將太陽(yáng)能資源的豐富程度做了四等級(jí)的劃分，其中：一類(lèi)地區(qū)：全年輻射量≥6300MJ/ m2。涵蓋的地區(qū)主要包括了甘肅北部、青藏高原以及新疆南部和寧夏北部地區(qū)。二類(lèi)地區(qū)：全年輻射量在 5040～6300MJ/m2，主要包括了山西北部、寧夏南部以及甘肅中部和青海東部以及內(nèi)蒙古南部以及河北西北部地區(qū)。第二類(lèi)地區(qū)為太陽(yáng)能資源較豐富地區(qū)。三類(lèi)地區(qū)：全年輻射量在 3780～5040MJ/m2。三類(lèi)地區(qū)：全年輻射量在 3780～5040MJ/m2。其中主要包括了山西南部、河北東南部、河南山東地區(qū)、新疆北部、吉林以及云南、浙江和陜西北部、福建以及遼寧、安徽北部和江蘇北部地區(qū)。四類(lèi)地區(qū)：全年輻射量<3780MJ/m2。四類(lèi)地區(qū)：全年輻射量<3780MJ/m2。，其中主要包括了四川盆地、長(zhǎng)江中下游以及貴州地區(qū)，這些地區(qū)因?yàn)槿照蛰^少、降雨和云量較多，成為了我國(guó)太陽(yáng)能資源最不豐富地區(qū)?？傮w而言，前三類(lèi)地區(qū)的年日照數(shù)都大于等于2200小時(shí)，同屬太陽(yáng)能資源豐富和較為豐富地區(qū)，面積占我國(guó)國(guó)土縱面的四分之三以上，四類(lèi)地區(qū)由于條件限制，太陽(yáng)能資源較少，利用價(jià)值相對(duì)較低。

現(xiàn)階段常見(jiàn)的計(jì)算太陽(yáng)總輻射的方法是利用估算方程得到基于基于日照百分率和天文總輻射的數(shù)學(xué)方程：

（1-1）

式中? Q——太陽(yáng)總輻射;

Q0——天文總輻射;

S/S0——日照百分率，其中S為實(shí)照時(shí)數(shù)，S0為可照時(shí)數(shù);

a，b——回歸系數(shù)。

在式（2-1）中，提到的天文總輻射計(jì)算公式如下：

（1-2）

式中? T——周期（24×60×60s）;

I0——太陽(yáng)常數(shù)（13.67×10-4MJm-2s-1）總輻射;

ρ——日地相對(duì)距離;

ω0——日落時(shí)角;

ψ——地理緯度;

δ——太陽(yáng)赤緯。

利用逐項(xiàng)求和的方式，將每個(gè)月的日天文總輻射用Q0來(lái)表示。

在式（2-1）中，可照時(shí)數(shù)S0可利用下式計(jì)算得到：

（1-3）

式中? r——蒙氣差，一般取34。

2. 電氣部分的選型和設(shè)計(jì)理論

2.1 逆變器選型技術(shù)指標(biāo)

作為太陽(yáng)能光伏發(fā)電最為重要的部件以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分，光伏逆變器的正常運(yùn)行直接影響著整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)能否正常工作，所以對(duì)于逆變器的選型，需要特別注意。逆變器的配置除了應(yīng)該參考光伏發(fā)電系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行選定，同時(shí)還需要根據(jù)產(chǎn)品出廠時(shí)商家配備的操作手冊(cè)和說(shuō)明進(jìn)行選定，一般需要考慮的技術(shù)指標(biāo)包括了：

（1）額定輸出功率

逆變器向負(fù)載端供電的能力稱(chēng)之為額定輸出功率，額定輸出功率越高則代表逆變器可以將更多的電量向負(fù)載端輸入。在選定光伏逆變器型號(hào)的時(shí)候，首先就需要將額定輸出功率考慮在內(nèi)，應(yīng)該選定可以滿(mǎn)足最大負(fù)荷情況下設(shè)備對(duì)于負(fù)載功率的產(chǎn)生情況以及考慮擴(kuò)容情況下，外接負(fù)載的功率大小。當(dāng)線路負(fù)載的功率因數(shù)在0.9以上或用電設(shè)備的負(fù)載端是以純電阻作為主要負(fù)載的情況下，選定的逆變器額定輸出功率應(yīng)該為用電設(shè)備總功率計(jì)算結(jié)果的110%至115%。

（2）輸出電壓的調(diào)整性能

光伏逆變器輸出電壓的穩(wěn)壓能力用輸出電壓調(diào)整性能來(lái)衡量。在選定該參數(shù)時(shí)，往往需要參考允許范圍內(nèi)的直流輸入電壓，將逆變器的輸出電壓波動(dòng)偏差百分比計(jì)算出來(lái)，并將這一數(shù)值稱(chēng)之為電壓調(diào)整率。同時(shí)有些高性能的逆變器還會(huì)同時(shí)給出零負(fù)載至滿(mǎn)負(fù)載變化過(guò)程匯總，光伏逆變器輸出電壓的偏差百分比，并將這一數(shù)值稱(chēng)之為負(fù)載調(diào)整率。分別衡量光伏逆變器電壓調(diào)整率以及負(fù)載調(diào)整率的指標(biāo)是：小于等于±3%、小于等于±6%。

（3）整機(jī)效率

逆變器自身功率損耗情況用整機(jī)效率來(lái)表示。一般情況下，需要對(duì)于容量較大的逆變器額外給出不同負(fù)荷狀態(tài)下工作的效率值，包括低負(fù)荷工作狀態(tài)和滿(mǎn)負(fù)荷工作狀態(tài)。一般 kW 級(jí)以下的逆變器的效率應(yīng)為 85%以上;10kW 級(jí)的效率應(yīng)為 90%以上;更大功率的效率必須在 95%以上。由于逆變器的效率直接回影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量以及承恩控制，所以一般選擇光伏逆變器時(shí)，會(huì)優(yōu)先選擇整機(jī)效率較高的型號(hào)。

（4）啟動(dòng)性能

額定負(fù)載條件下逆變器的啟動(dòng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)稱(chēng)之為啟動(dòng)性能，能夠做到連續(xù)且多次在滿(mǎn)負(fù)荷情況下正常啟動(dòng)且可靠性較強(qiáng)的光伏逆變器稱(chēng)之為高性能光伏逆變器，同時(shí)也是為了保證功率開(kāi)關(guān)等器件和其他電路的穩(wěn)定運(yùn)行。而常見(jiàn)的采用軟啟動(dòng)或限流啟動(dòng)措施的電路則會(huì)選用小型光伏逆變器。

2.2 光伏方陣的設(shè)計(jì)和布置

設(shè)計(jì)光伏方針的原則可以歸納如下：

（1）組串是由太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)而得到的，組串的輸出電壓變化應(yīng)該在逆變器正常工作的輸入電壓允許范圍內(nèi)。

（2）太陽(yáng)能電池組件與逆變器的直流輸入側(cè)相連的總功率應(yīng)該要超過(guò)設(shè)定的逆變器的額定輸入功率，但是要在逆變器的最大輸入功率允許的范圍內(nèi)。

（3）組串的最高輸出電壓應(yīng)該在自身系統(tǒng)允許電壓的范圍內(nèi)。

（4）電池板到逆變器的直流部分這段距離，應(yīng)該采用盡可能短的線纜，這樣不僅可以做到降低系統(tǒng)的功率損耗還可以降低線路的電流以及電壓損耗。

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于光伏子方陣串并聯(lián)設(shè)計(jì)的GB 50797-2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，計(jì)算得到光伏組件數(shù)量為：

（1-4）

式中? Vdcmax——逆變器允許最大直流輸入電壓;

Voc——光伏組件開(kāi)路電壓;

KV——光伏組件開(kāi)路電壓溫度系數(shù);

t——光伏組件工作條件下的極限最高溫度;

N——光伏組件串聯(lián)數(shù)。

實(shí)際的施工設(shè)計(jì)中，還需要考慮方陣的布置方向以適應(yīng)不同的環(huán)境變化。下圖就展示了兩種常見(jiàn)的光伏方陣布置方案，即豎向布置與橫向布置，分別如圖1-1 和1-2所示：

圖1-1 光伏組件豎向布置的光伏電站

圖1-2 光伏組件橫向布置的光伏電站

就目前建成的光伏電站中，橫向安裝方式由于的成本較高且安裝過(guò)程較為復(fù)雜，建設(shè)完工速度較慢等缺點(diǎn)而造成使用的場(chǎng)合較少。相比之下，采用最多的就是豎向布置方式，主要是因?yàn)榘惭b技術(shù)成熟、安裝過(guò)程簡(jiǎn)單且建設(shè)完工速度較快。但隨著各光伏電站運(yùn)行中經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，橫向的安裝技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，另外，豎向或橫向布置對(duì)發(fā)電量影響較大。具體如下：

（1） 前后遮擋造成電站發(fā)電量損失

電站的設(shè)計(jì)往往需要考慮到陣列的間距大小，作為設(shè)計(jì)中非常重要的參數(shù)，實(shí)際工程中，常會(huì)將陣列間距的設(shè)置條件假設(shè)為僅存在冬至日的6 個(gè)小時(shí)不遮擋。同時(shí)為了能夠降低面積的占用率，需要在不同時(shí)段，對(duì)方陣進(jìn)行必要的遮擋措施，以免造成不必要的電力損耗。因此，相同裝機(jī)容量的電站，橫向排布相比較豎向排布，陣列間距相對(duì)要小，占地面積減少，可以節(jié)省用地。

（2） 光伏組件都有旁路二極管

將串聯(lián)支路中由于受到遮擋而造成無(wú)法進(jìn)行光伏轉(zhuǎn)化而只作為負(fù)載進(jìn)行電能消耗從而產(chǎn)生熱量損耗的現(xiàn)象叫做熱斑效應(yīng)。由于熱斑效應(yīng)而造成電路損耗過(guò)重的現(xiàn)象，可能會(huì)危及其他太陽(yáng)能電池組件，為了能夠?qū)⑦@種效應(yīng)造成的損失降至最低，需要在太陽(yáng)能電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一枚二極管，類(lèi)型為旁路二極管，這樣就可以避免因遮擋而造成無(wú)法進(jìn)行光伏轉(zhuǎn)化而只作為負(fù)載進(jìn)行電能消耗從而產(chǎn)生熱量損耗的問(wèn)題發(fā)生。）旁路二極管的作用：當(dāng)出現(xiàn)太陽(yáng)能組件由于熱斑效應(yīng)引起的部分組件不能發(fā)電只能發(fā)熱的狀況時(shí)，起到旁路作用。使得有問(wèn)題的組件所產(chǎn)生的電流能夠從旁路二極管中流出，不會(huì)影響系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)行，這樣就消除了問(wèn)題所產(chǎn)生的影響。

（3） 二極管在縱向遮擋和橫向遮擋時(shí)的作用

使用豎向遮擋時(shí)，會(huì)使得陰影同時(shí)能夠遮擋住三個(gè)電池串，如果此時(shí)將三個(gè)二極管全部放置為正向?qū)?，那么此時(shí)的組件功率輸出為0，如果此時(shí)三個(gè)二極管沒(méi)能全部放置為正向?qū)?，那么此時(shí)組件產(chǎn)生的功率會(huì)被電池消耗，但是此時(shí)組件的功率輸出也表現(xiàn)為0。使用橫向遮擋時(shí)，會(huì)使得陰影同時(shí)能夠遮擋住一個(gè)電池串，此時(shí)二極管因?yàn)槌惺苷龎憾驅(qū)ǎ敲创藭r(shí)的組產(chǎn)生的功率會(huì)被電池消耗，另外2 個(gè)電池串可以正常輸出功率?？偨Y(jié)起來(lái)是，采用豎向遮擋，三個(gè)電池串可能會(huì)收到一定的影響而導(dǎo)致組件的輸出功率為0;橫向遮擋會(huì)使得一個(gè)電池串受到影響，保證另外兩個(gè)電池組件正常運(yùn)行。

計(jì)算兩種遮擋方式，可以得到以下結(jié)果：采用豎向遮擋，組件的輸出功率為0，采用橫向遮擋，組件的輸出功率為正常情況下的三分之二，橫向遮擋對(duì)線路和組件起到了明顯的保護(hù)作用。因此實(shí)際工程中，常采用橫向排布用于太陽(yáng)能電池組件的搭建，可以降低因?yàn)殛幱罢趽趺娣e減小造成的發(fā)電量損失的不良影響。

2.3 光伏換流器模型和基本控制理論

圖1是使用了電壓源式的光伏逆變裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中逆變器側(cè)以及電網(wǎng)側(cè)電感分別表示為L(zhǎng)k和Lgk。Rk和Rgk為線路上的逆變器側(cè)和電網(wǎng)側(cè)寄生電阻，R為直流母線上的限流電阻，Udc為直流母線電壓，其中k=a、b、c。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1-3所示。

圖1-3 光伏換流器的結(jié)構(gòu)

圖1-3中ilk

由圖3的逆變系統(tǒng)含高次系數(shù)與不含高次系數(shù)的波特圖對(duì)比可知，由于考慮到高次系數(shù)對(duì)于低頻信號(hào)的影響較弱，將高次系數(shù)忽略，更新后的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是：

（2-9）

（3）考慮到場(chǎng)區(qū)的情況以及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)的組串式逆變器是24個(gè)組件串聯(lián)而成。采用光伏組件橫向排布方式，水塘部分采用水面光伏形式，考慮當(dāng)?shù)嘏_(tái)風(fēng)影響采用橫9 豎4 布置方式，組件隨坡平鋪。項(xiàng)目接入系統(tǒng)電壓等級(jí)按110kV 考慮，光伏單元內(nèi)共安裝4800件245 W光伏組件，總共240串光伏組件，每20塊分為一個(gè)單支，總共設(shè)計(jì)18個(gè)直流防雷匯流箱，按照每12至16個(gè)支路連接匯入防雷匯流箱，每臺(tái)直流匯流柜接來(lái)自4～5個(gè)直流防雷匯流箱的匯總出線，最終再由250kW逆變器接入來(lái)自直流匯流柜的直流電。新規(guī)劃一座 35kV 配電室，廠區(qū)內(nèi)規(guī)劃36 個(gè)子方陣，共計(jì)60MW。根據(jù)本工程性質(zhì)、接入系統(tǒng)電壓等級(jí)，電站應(yīng)向海南中調(diào)、海南備調(diào)、?？诘卣{(diào)發(fā)送遠(yuǎn)動(dòng)信息，并接受調(diào)度部門(mén)的指令。選擇《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》以及《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)化裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》作為本設(shè)計(jì)的繼保配置參考手冊(cè)。設(shè)計(jì)的復(fù)合控制策略，簡(jiǎn)化了坐標(biāo)變換和解耦計(jì)算過(guò)程，加強(qiáng)了入網(wǎng)電流的控制能力，最終可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定可靠程度，同時(shí)提升并網(wǎng)后的電流質(zhì)量。系統(tǒng)總效率為81.632%。

3 展望

本設(shè)計(jì)參考了光伏發(fā)電系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)理論、對(duì)光伏電場(chǎng)工程深入了解后，基于光伏電場(chǎng)工程地質(zhì)分析以及系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)，雖然對(duì)?？陔姀S灰場(chǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，但還有很多不足之處需要深入開(kāi)展研究：

（1）應(yīng)深入廣泛的統(tǒng)計(jì)該地區(qū)歷史氣象數(shù)據(jù)和地址數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)得到更為準(zhǔn)確的太陽(yáng)能資源信息和巖土地址信息，為光伏電場(chǎng)后續(xù)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，應(yīng)深入探索可靠性更高、效率更高的太陽(yáng)能組件與逆變器等元件的設(shè)計(jì)方法。

（3）在電氣一次設(shè)計(jì)中，應(yīng)配合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加強(qiáng)光伏并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，研究電網(wǎng)擾動(dòng)時(shí)光伏的保護(hù)方法。

（4）應(yīng)深入研究和優(yōu)化現(xiàn)有控制策略，保證光伏系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和故障良好響應(yīng)。

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