分布式光伏系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

劉軍 廖寶文

（1 中國(guó)水利水電第四工程局有限公司 青海西寧 810000 2 中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

近年來(lái)，中國(guó)碳減排［1-3］方面的決心和成果有目共睹。2020年9 月，我國(guó)向世界鄭重承諾力爭(zhēng)在2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭(zhēng)取在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。光伏發(fā)電作為全球低碳轉(zhuǎn)型中性價(jià)比最高的能源形式之一。隨著能源轉(zhuǎn)型，光伏迎來(lái)了新的機(jī)遇。

光伏系統(tǒng)按其種類可以分為集中式光伏與分布式光伏。集中式光伏一般構(gòu)建在荒蕪地區(qū)。主要是閑置且太陽(yáng)光照資源豐富的區(qū)域，光伏能源比較集中，通過并入高電壓等級(jí)電網(wǎng)輸送至遠(yuǎn)方供電區(qū)域。分布式光伏一般分散布置于建筑物的屋面，多采取自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的工作形式就近消納。由于分布式光伏的靈活應(yīng)用形式，其市場(chǎng)的范圍與規(guī)模逐步擴(kuò)大，本研究重點(diǎn)針對(duì)分布式光伏展開關(guān)鍵技術(shù)研究。

在光伏電站［4-10］的開發(fā)建設(shè)中，關(guān)鍵技術(shù)方案選擇可以稱之為核心工作，直接影響著整個(gè)光伏電站的建設(shè)，并且與經(jīng)濟(jì)效益掛鉤。本文對(duì)分布式光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)分布式光伏系統(tǒng)的踏勘、主要設(shè)備比選、陣列選型、接入方案進(jìn)行了歸納總結(jié)，系統(tǒng)闡述了光伏系統(tǒng)技術(shù)方案選擇的全過程，優(yōu)化分布式光伏的技術(shù)方案，從而提高光伏系統(tǒng)的總體經(jīng)濟(jì)效益。

1 前期技術(shù)踏勘

分布式光伏電站屋面建筑分為兩種：水泥混凝土與鋼結(jié)構(gòu)的彩鋼瓦屋面。水泥混凝土屋面分為上人屋面與不上人屋面，技術(shù)方案確定前，需進(jìn)行屋面的恒荷載計(jì)算。在水泥混凝土屋頂踏勘中，需收集屋頂?shù)脑敿?xì)資料，以及屋頂?shù)囊?guī)劃用途，并做好屋頂?shù)沫h(huán)境勘察工作，包括屋頂?shù)恼系K物、風(fēng)速以及各種季節(jié)的氣候變化。依據(jù)各種技術(shù)參數(shù)，確定分布式光伏系統(tǒng)的布置位置和光伏組件的最佳傾角。彩鋼瓦是由薄金屬板包括泡沫制成的一種結(jié)構(gòu)，一般裝在鋼結(jié)構(gòu)的建筑物上?，F(xiàn)場(chǎng)踏勘需了解彩鋼瓦的使用壽命、厚度、腐蝕情況、截面形狀、變形程度及對(duì)應(yīng)的位置，根據(jù)彩鋼瓦種類的不同，可以分為直立鎖邊型、角馳型以及梯型彩鋼瓦。一般新建的彩鋼瓦屋面是沒有考慮光伏組件的荷載，因此需對(duì)彩鋼瓦屋面的荷載分析計(jì)算。傳統(tǒng)的方法需要借助專門的工具將光伏組件安裝在彩鋼瓦屋面上，才能避免對(duì)屋頂整體結(jié)構(gòu)的破壞。彩鋼瓦屋面光伏組件若采用平鋪的方式，雖抗風(fēng)性能好，但會(huì)損失發(fā)電效率；若選擇傾角鋪設(shè)，雖提高發(fā)電效率，但同等面積規(guī)模減少、抗風(fēng)性能差，且需增加支架造價(jià)。

分布式光伏電站前期踏勘應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析，綜合考慮建筑年限、屋面結(jié)構(gòu)、彩鋼瓦銹蝕情況、接入點(diǎn)位置、建筑廠區(qū)設(shè)計(jì)圖紙、規(guī)劃用途、負(fù)荷消納能力等，對(duì)光伏系統(tǒng)技術(shù)方案選擇提供重要依據(jù)。

2 主要設(shè)備技術(shù)選型

在分布式光伏系統(tǒng)中，重點(diǎn)器件主要包括光伏組件與光伏逆變器。硅材料是光伏組件的重要基礎(chǔ)原料，分類有單晶硅、多晶硅、非晶硅，光伏組件的選擇直接關(guān)系到光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。光伏逆變器主要將光伏組件輸出的直流電逆變?yōu)樨?fù)荷所需的交流電，且確保系統(tǒng)輸出電壓與頻率的穩(wěn)定。下文對(duì)以上設(shè)備的技術(shù)選型進(jìn)行介紹。

（1）常用的太陽(yáng)能組件。當(dāng)前市場(chǎng)上主要運(yùn)用的晶體硅光伏組件［11］是單晶硅、多晶硅、非晶硅組件，多晶硅組件片效率大約在14%～16%，單晶硅組件片效率大約在16%～18%。非晶硅光伏組件的成本低，便于大量生產(chǎn)，但其轉(zhuǎn)化效率較低，一般在5%～9%，且其轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著光照時(shí)間而衰退。表1 為常用的晶體硅光伏組件技術(shù)性能對(duì)比。

表1 晶體硅光伏組件技術(shù)性能對(duì)比

當(dāng)前光伏項(xiàng)目普遍使用的是單晶硅組件，雖然制作成本較高，但光電轉(zhuǎn)換效率高，可靠性強(qiáng)，采用鋼化玻璃與防水樹脂封裝堅(jiān)固耐用，設(shè)備壽命通?？蛇_(dá)15 a 甚至25 a。

（2）光伏逆變器。逆變器按光伏組件組合類型可以分為：組串式逆變器與集中式逆變器，見圖1。集中式逆變器［12］功率在100 kW 到2 500 kW 之間，體積較大。集中式光伏逆變器直流電氣線路較長(zhǎng)，具有較高的系統(tǒng)集成度，但存在單點(diǎn)故障現(xiàn)象，僅用單一的系統(tǒng)控制各個(gè)功率饋電與功率轉(zhuǎn)換模塊。組串式逆變器功率在1 kW 到80 kW，便于維護(hù)，靈活性強(qiáng)，最大程度增加了發(fā)電量，且光伏組件配置靈活。

圖1 逆變器光伏電站方案

組串式逆變器與集中式逆變器存在各自的優(yōu)劣點(diǎn)，需綜合光伏電站的運(yùn)行狀況與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比選，光伏組件布置分散和小規(guī)模的光伏系統(tǒng)推薦選擇組串式，大規(guī)模的推薦選擇集中式，選擇合適的逆變器類型，實(shí)現(xiàn)良好的光伏發(fā)電運(yùn)行效果。

3 電氣技術(shù)方案

3.1 光伏陣列的運(yùn)行方式分類

光伏系統(tǒng)方陣支架的類型有固定支架和跟蹤系統(tǒng)。光伏跟蹤器可分為“單軸跟蹤”“雙軸跟蹤”等類型。各種運(yùn)行方式最本質(zhì)的區(qū)別在于各自的發(fā)電量不同，也會(huì)關(guān)系到系統(tǒng)的初始投資和運(yùn)行成本。相同裝機(jī)規(guī)模支架投資與占地，雙軸跟蹤器>單軸跟蹤器>固定式安裝。

固定式安裝：按最佳傾斜角度將組件固定到地面上，前后組件以不遮擋為宜。

單軸跟蹤器：只能進(jìn)行一種跟蹤，或方位角，或高度角。

雙軸跟蹤器：通過旋轉(zhuǎn)兩個(gè)軸跟蹤太陽(yáng)入射角的變化，其方陣保持與太陽(yáng)光垂直，既能跟蹤方位角也能跟蹤高度角。

3.2 光伏組串技術(shù)選型

計(jì)算串聯(lián)光伏組件數(shù)量時(shí)，需要了解組件與逆變器參數(shù)，綜合考慮式（1）～（2）計(jì)算結(jié)果合理選取。

式中：Vdcmax為逆變器輸入直流側(cè)最大電壓；VOC、Vpm為光伏組件開路電壓與工作電壓；Vmpptmax、Vmpptmin逆變器MPPT 電壓最大值與最小值；t、t′為光伏組件工作條件下的極限低溫與極限高溫，kV、kV’為光伏組件開路電壓與工作電壓溫度系數(shù)，N 為電池組件串聯(lián)數(shù)（N 向下取整數(shù)）。

在計(jì)算串聯(lián)光伏組件數(shù)量時(shí)，不僅要考慮光伏方陣的合理排列，也要考慮在合理組件串聯(lián)數(shù)下滿足逆變器的工作需求。光伏方陣與逆變器之間的容量配比應(yīng)綜合考慮技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性，通常情況下一類太陽(yáng)能資源地區(qū)不宜超過1.2，二類太陽(yáng)能資源地區(qū)不宜超過1.4，三類太陽(yáng)能資源地區(qū)不宜超過1.8。

3.3 陣列間距計(jì)算

光伏陣列［13］須避免陣列之間的相互遮陰，更好地采集光能發(fā)電，一般的確定原則是：冬至日當(dāng)天早晨9∶00 至下午15∶00 的時(shí)間段內(nèi)，光伏組件不應(yīng)被遮擋。設(shè)置光伏陣列間距需要考慮方陣方位角、太陽(yáng)方位角與高度角、光伏組件長(zhǎng)度以及光伏陣列傾斜角，其示意圖見圖2。

圖2 光伏方陣陣列間距示意圖

表2 陣列各種運(yùn)行方式技術(shù)性能對(duì)比

應(yīng)用PVsyst 軟件可計(jì)算出不同坡度對(duì)應(yīng)的前后排中心間距，布置時(shí)可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況適度調(diào)整南北向間距。

3.4 接入技術(shù)方案

分布式光伏接入系統(tǒng)的典型技術(shù)方案包括電力電量平衡、并網(wǎng)電壓等級(jí)選擇、接入電網(wǎng)方案、潮流計(jì)算、短路電流計(jì)算、無(wú)功補(bǔ)償裝置、電能質(zhì)量等。50 MW 及以下光伏裝機(jī)規(guī)模系統(tǒng)接入電壓等級(jí)選擇見表3。

表3 電源并網(wǎng)電壓等級(jí)參考表

光伏接入電網(wǎng)或用戶配電房的電壓等級(jí)需考慮用戶的消納能力與周邊電網(wǎng)接入條件，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后選擇合適的接入方案，且光伏輸送的電能質(zhì)量應(yīng)符合要求，同時(shí)需合理設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償裝置，降低對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響。

4 結(jié)論

在政策引導(dǎo)和市場(chǎng)需求雙輪驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，分布式光伏具有規(guī)模小、實(shí)用性高等特點(diǎn)，實(shí)用前景廣闊。本文對(duì)分布式光伏關(guān)鍵技術(shù)方案選擇全過程進(jìn)行了分析，介紹了光伏組件、逆變器、陣列計(jì)算與布置等方面的選擇方法和技術(shù)方案，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電量最大化、投資成本最小化，不僅保證分布式光伏電站應(yīng)用的可靠性，同時(shí)提高光伏項(xiàng)目的內(nèi)部收益率，對(duì)促進(jìn)清潔能源的推廣具有重要借鑒意義。