光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計分析

朱麗倩 葛自強(qiáng)

摘要：社會的發(fā)展離不開石油、煤炭等不可再生能源。由于這些能源是不可再生的，不符合能源應(yīng)用可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，同時也增加了生態(tài)環(huán)境的負(fù)擔(dān)和壓力。在此背景下，加強(qiáng)清潔可再生能源的利用率，成為實現(xiàn)國家節(jié)能減排目標(biāo)的重要手段之一。其中，光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣適合于現(xiàn)場使用，符合我國的實際情況，得到了積極的發(fā)展和推廣。

關(guān)鍵詞：光伏;發(fā)電系統(tǒng);電氣設(shè)計

近年來，我國社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展，同時，隨著企業(yè)的快速發(fā)展，資源能源的巨大消耗難以避免，消耗大量電力。目前，我國光伏發(fā)電系統(tǒng)還不成熟，還有很多問題需要解決，需要不斷完善。光伏發(fā)電是一種環(huán)保清潔能源，其在新發(fā)電項目中的比重越來越大，本文中提出了光伏電系統(tǒng)電氣的設(shè)計要點，并進(jìn)行了分析和研究。

一、光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過光伏組件的合理應(yīng)用，將清潔、可再生的光伏轉(zhuǎn)化為可用能源的分散式能源系統(tǒng)。光伏發(fā)電主要建在場地附近，一部分發(fā)電量提供給用戶使用，剩余能量連接到具有分散系統(tǒng)平衡特性的電網(wǎng)。作為一種模式，光伏系統(tǒng)在發(fā)電的應(yīng)用中強(qiáng)調(diào)“嚴(yán)格發(fā)電、緊并網(wǎng)、緊轉(zhuǎn)換、緊使用”的基本原則，其中隱藏著廣泛的發(fā)展?jié)摿ΑＡ硪环矫妫梢杂行Т龠M(jìn)同等規(guī)模光伏電站發(fā)電量的增加，同時也有效解決長距離傳輸過程中的能量損失，光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效應(yīng)用具有以下特點：第一，光伏發(fā)電使用的是太陽能，因此不會消耗其他不可再生能源，經(jīng)濟(jì)效益非常高。第二，污染少，環(huán)保效益大，在發(fā)電過程中，幾乎沒有明顯的空氣噪聲污染。第三，有利于改善該地區(qū)土地短缺問題。第四，實現(xiàn)發(fā)電與用電并存。

人們現(xiàn)在描述的光伏發(fā)電實際上是在用戶周圍積累分布式電力，并以相對環(huán)保和安全的方式將光伏轉(zhuǎn)化為電能。然而，近年來，分布式能源的產(chǎn)生有了新的意義，這通常是指利用光伏、風(fēng)能等新能源在盡可能靠近能源負(fù)荷中心的地方發(fā)電。新興能源基本不污染環(huán)境，比傳統(tǒng)發(fā)電效率更高。在地理上，可以與當(dāng)?shù)氐慕ㄖ袡C(jī)地結(jié)合在一起。此外，新型光伏發(fā)電與用戶距離非常近，無需安裝多個變電站和配電站，可大大降低損耗。

二、光伏電發(fā)電現(xiàn)狀

近年來，光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣的利用在理論基礎(chǔ)知識和實際應(yīng)用研究方面都有所發(fā)展。統(tǒng)計顯示，30年后，歐洲可再生能源總產(chǎn)量將達(dá)到1956吉瓦，太陽能將達(dá)到962吉瓦。同期，美國還將引進(jìn)300吉瓦的光伏。到2030年，日本居民用電量的一半以上將來自光伏發(fā)電系統(tǒng)，裝機(jī)容量快速增長。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，逆變器的技術(shù)水平也在不斷提高，逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，以其優(yōu)良的保護(hù)功能和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮著積極的作用。目前，國產(chǎn)逆變器具有效率高、容量大的特點。

我國國內(nèi)光伏發(fā)電市場雖然已經(jīng)啟動，但在實施過程中遇到了困難，我國光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣建設(shè)起步較晚，逆變器制造技術(shù)太落后。許多設(shè)計機(jī)構(gòu)不愿意在光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣的設(shè)計上投入大量精力，因為光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣的投入成本與利潤不成正比，光伏產(chǎn)業(yè)要攻堅克難，相關(guān)部委必須建立完善的政策支持和管理體系，不斷提高國內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣的設(shè)計水平，最大限度地發(fā)揮光伏電池的發(fā)電性能，從根本上解決問題。

三、光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣的設(shè)計要點

①操作方便，光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣的設(shè)計應(yīng)盡可能易于操作，這與西部地區(qū)人煙稀少的露天安裝場所不同，這種發(fā)電電氣系統(tǒng)通常安裝在屋頂?shù)鹊胤?，這些地方通常有一定的坡度或海拔較高。這種坡度恒定且承載能力有限的屋面，增加了操作人員的施工難度，因此電氣系統(tǒng)應(yīng)在設(shè)計初期就考慮后期施工難度，盡量降低操作難度，確保工程設(shè)計一步到位。

②安全，光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣的安全性尤為重要，因為光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣主要用于人口稠密地區(qū)和中東部有建筑物的地區(qū)。建造斜屋頂時，必須將各構(gòu)件運至屋頂或屋面進(jìn)行施工。目前市場上采用的是承載力較高的鋁合金框架結(jié)構(gòu)，安裝操作方便，不易生銹和損壞，在一定程度上可以降低安全隱患。在后期施工過程中仍存在高空墜物風(fēng)險，且由于施工區(qū)域人口密度大、建筑物數(shù)量多，施工人員在高空作業(yè)后期會產(chǎn)生廢棄物，屋頂?shù)钠露葧黾痈咛帀嬄湮锏碾[患，設(shè)計時必須考慮電氣系統(tǒng)的完整性，后續(xù)的垃圾收集設(shè)計必須合理回收利用。另外，還要考慮各構(gòu)件的重量是否在屋面的最小承重范圍內(nèi)，屋面材料的承重隨著雨天、日曬等風(fēng)化而降低，屋面材料的承重電氣設(shè)施設(shè)計時必須考慮施工人員本身考慮施工現(xiàn)場的最小承載能力，應(yīng)將重量控制在此范圍內(nèi)。

③一致性，光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣是將大量太陽能電池串聯(lián)起來，獲得一定高度的電壓，然后在逆變器的輸入端輸入，將一定數(shù)量串聯(lián)的子系統(tǒng)并聯(lián)起來。系統(tǒng)的額定功率過程需要大量的設(shè)備，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所選擇的光伏發(fā)電系統(tǒng)必須具有相同的規(guī)格和運行性能，同時必須避免相互屏蔽影響，工作效率和方向角度問題產(chǎn)生的差異，保持各子系統(tǒng)運行的一致性。

④可持續(xù)性，需要考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣龐大而分散的特點，自然災(zāi)害等系統(tǒng)部件的損壞，以及光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣所在地區(qū)可能出現(xiàn)建設(shè)和改造問題的地區(qū)。設(shè)計必須保證整個系統(tǒng)的整體一致性。同時，各子系統(tǒng)必須并聯(lián)，以保證獨立性，當(dāng)一個子系統(tǒng)損壞時，其他系統(tǒng)不受影響，仍能維持正常運行。此外，對于鋁合金或新型支架，在考慮剛度的同時，還必須考慮耐腐蝕性和抗氧化性以及損壞后的可修復(fù)性，特別是在重工業(yè)和重污染地區(qū)。

⑤在交直流電纜的設(shè)計中，由于光伏發(fā)電所處的特殊地理位置和環(huán)境，對電纜的性能要求也更高。在某些情況下，電纜有特殊的性能要求，如防白蟻、防鼠、防紫外線、耐高溫等。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電纜的額定電壓必須至少為系統(tǒng)的額定電壓，電纜的額定電壓必須至少為太陽能電池陣列最大輸出電壓的1.25倍。需要特別注意的是，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行環(huán)境溫度60時，應(yīng)合理修改載流量。

四、光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計方案

（一）設(shè)備選擇

光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器通過晶閘管控制系統(tǒng)的導(dǎo)通，并采用相關(guān)措施實現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換，根據(jù)電源的特性，逆變器可分為電壓型和電流型兩種。根據(jù)勵磁方式，變壓器有自動和其他兩種。根據(jù)方波形方法，變壓器有方波和正弦波類型。在實際發(fā)電過程中，變壓器作為將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的通道，同時逆變橋和二極管并聯(lián)，從而通過開關(guān)實現(xiàn)對開關(guān)的有效控制。智能監(jiān)控裝置可以實現(xiàn)箱變模擬量的采集和通訊功能，同時可以有效結(jié)合現(xiàn)有自動監(jiān)控系統(tǒng)的通訊管理機(jī)和光纖開關(guān)的功能。通過光纖實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸和連接，自動監(jiān)控提高了光伏發(fā)電廠運行遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控的效率和質(zhì)量，箱式交換裝置的應(yīng)用有效提高了監(jiān)控設(shè)備的應(yīng)用和運行效率，大大減少了通信管理機(jī)和光纖交換機(jī)的數(shù)量，有效降低了成本。

（二）光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電采用分層形式，因此需要設(shè)置能夠?qū)崟r監(jiān)測電流、電壓、溫度的監(jiān)測部件和管理設(shè)備。同時需要監(jiān)控操作、數(shù)字通訊和監(jiān)控設(shè)備，有效結(jié)合，實現(xiàn)現(xiàn)場操作的監(jiān)控。安裝監(jiān)控設(shè)備時，需要設(shè)置適合電流電壓的監(jiān)控元件，同時保證設(shè)置的設(shè)備具有較強(qiáng)的防雷功能。

（三）光伏發(fā)電一次系統(tǒng)設(shè)計

光伏發(fā)電的一次電網(wǎng)應(yīng)根據(jù)電站類型進(jìn)行設(shè)計，中小型光伏電站的并網(wǎng)電壓等級通常為10kV或0.4kV，因此需要一個變壓器進(jìn)行一級升壓，對于大型光伏電站，裝機(jī)容量大，光伏陣列分布比較廣，只安裝了升壓變壓器，大大降低了電站的工作效率和質(zhì)量。因此，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計了采用升壓變壓的方案，一般情況下，交流電源系統(tǒng)采用10kV或35kV電壓分配。

（四）光伏二次系統(tǒng)設(shè)計

遠(yuǎn)程控制信息主要是通過測控設(shè)備獲取并傳輸?shù)桨l(fā)送端，站的數(shù)據(jù)也可以通過電廠的監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到發(fā)送端，來自光伏發(fā)電廠的遠(yuǎn)東信息包括遙測和遙信兩個方面。監(jiān)控系統(tǒng)選擇分層分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)計系統(tǒng)監(jiān)控組件和通信管理設(shè)備，設(shè)計集中管理設(shè)備。同時加強(qiáng)相間保護(hù)相距、接地距離和零序電流方向。另外，在直流電纜選型過程中，需要根據(jù)具體環(huán)境進(jìn)行選擇，使運行環(huán)境溫度達(dá)到60℃以上，同時實現(xiàn)載流量的修正。

五、光伏發(fā)電的影響因素及對策

（一）并網(wǎng)技術(shù)普及率

考慮到光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣的一般系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，需要在預(yù)設(shè)計階段對控制器的各個方面進(jìn)行控制，例如故障報警、定位和測量，多功能匯流箱還用于智能融合預(yù)警和路線調(diào)查。實際對電網(wǎng)本身的影響越來越大。在這種情況下，需要嚴(yán)格控制普及率的擴(kuò)大，確保電網(wǎng)與光伏發(fā)電的兼容性，并考慮對電網(wǎng)內(nèi)設(shè)施的保護(hù)。

（二）注意逆功率

該概念是指來自低壓電網(wǎng)的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，試圖在負(fù)載非常低時通過配電變壓器將電力傳輸?shù)街袎弘娋W(wǎng)。配電變壓器、線路和配電網(wǎng)絡(luò)的電壓也顯著增加，為了防止意外情況發(fā)生，要多注意二次側(cè)安裝逆功率檢測和控制裝置，光伏發(fā)電系統(tǒng)將提供動態(tài)調(diào)節(jié)的功率，必要時安裝變壓器并增加儲能或增加電力負(fù)載并吸收多余的電力。

（三）承載能力限制

光伏電網(wǎng)連接問題一直是限制光伏發(fā)電的最大因素。目前，我國光伏資源較為豐富，但無論是西部地區(qū)的集約化開發(fā)基地，還是東部地區(qū)的分布式開發(fā)基地，由于資源區(qū)域距電網(wǎng)較遠(yuǎn)，均難以并網(wǎng)負(fù)荷中心，輸電容量的限制影響了我國光伏電網(wǎng)的發(fā)展。我國光伏資源在半數(shù)以上的地區(qū)可以使用1400多個小時，可以說效率比較好。但是，受地域限制，在西部和中部地區(qū)使用光伏發(fā)電系統(tǒng)，與我國的負(fù)荷中心相比距離還是比較大的，并且光伏的消費問題也要考慮，關(guān)鍵是要打通西部地區(qū)到東部地區(qū)的電力通道。

六、結(jié)束語

總而言之，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，在發(fā)展的同時，還要考慮環(huán)境污染的問題?，F(xiàn)階段，人類與自然環(huán)境的矛盾依然嚴(yán)重，特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源消耗過高，對自然環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。近年來，中國提出可持續(xù)發(fā)展政策，希望人與自然和諧發(fā)展，只有這樣，才能保證整個社會的穩(wěn)定和長期發(fā)展。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，充分貫徹可持續(xù)發(fā)展的原則，結(jié)合我國國情，綜合利用各種新能源技術(shù)和方法，實現(xiàn)合理經(jīng)濟(jì)，選擇一個解決方案從而達(dá)到顯著的節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬歡.解析光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計方案[J].低碳世界，2017（31）：18-19.

[2]馬歡，解析光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計方案[J].低碳世界，2017（31）：18-19.

[3]許冬梅，熊小俊，孫澤人，龐小霞.談光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計[J].智能建筑電氣技術(shù)，2016，10（02）：43-49.