分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)與分析

張 昊

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司河源供電局，廣東 河源 517000）

0 引 言

隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源利用和經(jīng)濟(jì)平衡發(fā)展成為重要議題。在發(fā)電系統(tǒng)管控體系中，利用分布式光伏發(fā)電模式在優(yōu)化發(fā)電效能的同時減少資源浪費(fèi)，打造更加貼合可持續(xù)戰(zhàn)略需求的行業(yè)運(yùn)行模式。

1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

1.1 內(nèi) 涵

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是借助光伏組件打造更加合理的應(yīng)用控制模式，從而將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的分布式電源系統(tǒng)。一般而言，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)會設(shè)置在用戶場地的附近，其運(yùn)行形式主要是用戶側(cè)自發(fā)、自用，剩余電量應(yīng)用在上網(wǎng)方面，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)調(diào)節(jié)平衡的目標(biāo)。秉承“就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)換使用”的處理原則，能更好地解決電能遠(yuǎn)距離傳輸造成的電能損耗問題，提升資源利用率[1]。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 組 成

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏列陣、逆變器、控制器以及蓄電池。光伏列陣是一系列光伏組件共同組成的系統(tǒng)，也是整個分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心組成。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，同時配合蓄電池完成能量的存儲管理。需要注意的是，光伏組件的質(zhì)量和設(shè)備成本決定了整個分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的投入與使用效能。為了維持相應(yīng)工作，在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中配置合理且穩(wěn)定的逆變器，發(fā)揮其逆變作用，將直流電直接輸送到公共電網(wǎng)的交流電應(yīng)用區(qū)域，維持整體應(yīng)用控制的合理性。

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)方案

在明確分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用要求的基礎(chǔ)上，確保光伏方陣、組件、并網(wǎng)處理等工序都能滿足實(shí)際需求，從根本上保障電氣設(shè)計(jì)的合理性和規(guī)范性。

2.1 選型設(shè)計(jì)

2.1.1 光伏陣列

在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，光伏列陣要滿足實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。對其安裝朝向和角度予以控制，確保接收的太陽輻射能和傾角相匹配。輻射量計(jì)算公式為：

式中，S表示水平面上太陽直接輻射量，D表示散射輻射量，α表示正午時分太陽高度角，β表示光伏列陣傾角[2]。

2.1.2 并網(wǎng)逆變器

結(jié)合實(shí)際情況選擇并網(wǎng)逆變器，不同逆變器對比如表1所示。

表1 并網(wǎng)逆變器對比

并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電池列陣和連接的逆變器要保證功率參數(shù)的匹配性。按照“組件標(biāo)稱功率×組件串聯(lián)數(shù)×組件并聯(lián)數(shù)=電池列陣功率”進(jìn)行容量設(shè)計(jì)和處理，確保逆變器資源利用最大化。

2.1.3 電氣接線圖

選取“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”的應(yīng)用模式，在家庭用戶配電箱內(nèi)設(shè)置微型斷路器和雙向計(jì)算功能的智能電能表，借助空氣開關(guān)對接入電網(wǎng)予以控制。增設(shè)開斷點(diǎn)，確保其能滿足自動斷開和閉鎖的功能要求。此外，配置雙向計(jì)算功能的智能電能表，將其設(shè)定為計(jì)量關(guān)口。若是選取在并網(wǎng)交流配電箱中安裝計(jì)量多功能表，則將其作為校核電能表，并且電能表電流電壓回路接線接入低壓側(cè)，盡量完成回路處理[3]。電氣接線如圖2所示。

圖2 電氣接線

2.1.4 電纜選型

在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，需保證電纜結(jié)構(gòu)選型能滿足實(shí)際應(yīng)用需求，匹配規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)具體工作，從而提升系統(tǒng)應(yīng)用效能，維持良好的節(jié)能減排水平。

首先，估算壓降。導(dǎo)線的線徑計(jì)算公式為：

式中：I表示導(dǎo)線中通過的最大電流參數(shù)；L表示導(dǎo)線回路的長度；r表示導(dǎo)電率，若是銅質(zhì)導(dǎo)線則為57，若是鋁質(zhì)導(dǎo)線則為34；U'表示允許的電源壓降。依據(jù)計(jì)算結(jié)果評估絕緣導(dǎo)線載流量，從而結(jié)合實(shí)際需求選取適配電纜[4]。

其次，計(jì)算截面電流。由于金屬導(dǎo)線截面存在最大通過電流，因此在計(jì)算電纜壓降的基礎(chǔ)上驗(yàn)證電纜截面電流是否滿足選型的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，從而完成安全電流評估工作。

最后，確定最終選型。依據(jù)電纜絕緣性能、耐熱阻燃性能、敷設(shè)方式、規(guī)格以及防潮防光效果等完成最終選型工作，確保整體工序滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，最大程度上提高整體應(yīng)用效率[5]。

2.2 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 光伏方陣設(shè)計(jì)

若是按照項(xiàng)目處理形式，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)主要分為彩鋼屋頂和水泥屋頂兩種模式。彩鋼屋頂選取平鋪的方式完成組件安裝工作，使用規(guī)模和使用面積較大。水泥屋頂承載效果較好，配合光伏間距分析和傾斜角度分析完成具體設(shè)計(jì)方案的調(diào)節(jié)工作，發(fā)電量滿足應(yīng)用預(yù)期，但是存在整體面積使用率較低的問題。

若是光伏組件結(jié)構(gòu)中相應(yīng)溫度參數(shù)出現(xiàn)變化，則開路電壓也會隨之變化，且兩者呈反比例關(guān)系，即組件溫度降低，則對應(yīng)的開路電壓數(shù)值升高。若是要求逆變器在較低的溫度環(huán)境中持續(xù)穩(wěn)定工作，就要對電池板串聯(lián)電壓進(jìn)行集中管理。與此同時，及時分析當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁?，保證直流串聯(lián)電壓的合理參數(shù)范圍，并且在光伏方陣應(yīng)用中綜合評估每一個組件的基本性能，打造更加匹配的性能參數(shù)應(yīng)用控制模式，最大程度上提高分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)的規(guī)范效果。

2.2.2 組件設(shè)計(jì)

目前較為常見的光伏組件分為單晶硅電池組件、多晶硅電池組件、非晶硅電池組件等，要結(jié)合實(shí)際情況選取適配的組件來保證整體布局控制的合理性。由于非晶硅電池組件的轉(zhuǎn)換效率較差，因此一般會選取晶硅組件，在維持穩(wěn)定性的同時提升轉(zhuǎn)換效率。在行業(yè)全面發(fā)展的背景下，轉(zhuǎn)換工藝也趨于成熟，產(chǎn)品性能較好且使用壽命較長。目前應(yīng)用最為廣泛的晶體硅組件就是單晶硅組件和多晶硅電池組件，兩者的執(zhí)行規(guī)定一致，需要結(jié)合具體情況予以選取[6]。

2.2.3 并網(wǎng)設(shè)計(jì)

在整個系統(tǒng)中，逆變器是維持DC/AC轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，可以實(shí)現(xiàn)相位參數(shù)、頻率參數(shù)以及電壓參數(shù)的實(shí)時性調(diào)控。通過整合光伏方陣的應(yīng)用要求，建立跟蹤處理模式，以保證時效控制的最優(yōu)化。

在并網(wǎng)設(shè)計(jì)中，要選取適宜的逆變器，依據(jù)實(shí)際情況匹配集中式逆變器、集散式逆變器或組串式逆變器。集中式逆變器基礎(chǔ)功率參數(shù)在100～630 kW，功率器件要選取大電流絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），對應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則要匹配DC/AC一級電力電子器件，從而維持整體應(yīng)用的合理性和科學(xué)性。為保證應(yīng)用效果，集中式逆變器的保護(hù)等級要在IP20及以上，且室內(nèi)安裝時一般采用立式安裝的方式。集散式逆變器基礎(chǔ)功率參數(shù)約為1000 kW，并且功率器件使用的也是IGBT，系統(tǒng)選取對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模式是DC/DC-BOOST升壓處理機(jī)制，配合DC/AC全橋逆變兩級電力電子器件維持應(yīng)用控制的規(guī)范效果。此外，其對應(yīng)的保護(hù)等級為IP20。組串式逆變器實(shí)用性較好，組件配置也非常多元，整體組件結(jié)構(gòu)搭配和控制的效果更加靈活多樣。若是在陰雨天氣，這種逆變器的發(fā)電時間會延長。此外，組串式逆變器還有質(zhì)量輕、易于運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，無需特意配置配電室[7]。

除此之外，在實(shí)際設(shè)計(jì)和處理過程中，電壓等級、輸配電容量等技術(shù)參數(shù)都要匹配實(shí)際應(yīng)用需求，同時結(jié)合光伏電站的電壓等級選取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)模式，保證分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣并網(wǎng)設(shè)計(jì)效果的最優(yōu)化。具體設(shè)計(jì)見表2。

表2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣并網(wǎng)方式設(shè)計(jì)

3 實(shí)際應(yīng)用

以廣東易事特光伏并網(wǎng)項(xiàng)目為例，南部物流一期光伏項(xiàng)目利用物流園區(qū)4個倉庫屋頂約70 000 m2安裝光伏。項(xiàng)目采取的是“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的分布式發(fā)電模式，大大提升了電能的綠色環(huán)保價值，整體節(jié)能減排效果顯著[8]。在電站建成后，不僅有效緩解了廠區(qū)供電壓力，還為地方電網(wǎng)供需工作的進(jìn)一步優(yōu)化提供了方向。通過打造系統(tǒng)化電源應(yīng)用結(jié)構(gòu)，減輕環(huán)保壓力，也為地區(qū)節(jié)能減排、企業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了保障。

4 結(jié) 論

總而言之，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)工作具有重要的實(shí)踐意義，是順應(yīng)國家節(jié)能減排要求的重要舉措。依據(jù)用電要求完善設(shè)計(jì)規(guī)范，確保關(guān)鍵技術(shù)分析和設(shè)計(jì)流程的合理性，從根本上保證電氣設(shè)計(jì)的實(shí)效性價值，為電力系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。