大型山地光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用問(wèn)題淺析和優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

程宇旭

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司 湖南株洲 412001）

2020 年9 月22 日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話時(shí)表示［1-2］：將提高我國(guó)自主貢獻(xiàn)力，采取更加有力的政策和措施，CO2排放在2030年前力爭(zhēng)達(dá)到峰值，在2060年前努力爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)碳中和，這不僅規(guī)劃了碳中和、碳達(dá)峰時(shí)間表和任務(wù)圖，也為中國(guó)能源改革發(fā)展設(shè)定了總體時(shí)間表和任務(wù)圖。到2030年我國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到12億kW以上，這說(shuō)明我國(guó)新能源發(fā)展迎來(lái)了更好契機(jī)。根據(jù)國(guó)家相關(guān)文件要求，牢固樹(shù)立“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”五大發(fā)展理念，把加快發(fā)展光伏利用作為推進(jìn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命、替代煤炭等化石能源、促進(jìn)電力體制改革、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要方式，以擴(kuò)大多元化市場(chǎng)、持續(xù)推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、創(chuàng)新體制機(jī)制為主線，積極推進(jìn)光伏利用和創(chuàng)新發(fā)展，提高其利用的經(jīng)濟(jì)性、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為實(shí)現(xiàn)非化石能源發(fā)展目標(biāo)和碳排放目標(biāo)提供重要支撐，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供重要保障。隨著我國(guó)光伏事業(yè)不斷發(fā)展壯大，裝機(jī)容量日趨增加，地理?xiàng)l件優(yōu)越、常年日照豐富、便于施工建設(shè)的土地資源逐漸減少，針對(duì)次等建設(shè)條件的大型山地將成為未來(lái)光伏發(fā)展的重點(diǎn)攻克對(duì)象、資源搶占點(diǎn)?；诖耍瑢?duì)大型山地光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，使整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行性能效益達(dá)到最大值，尤為重要［3］。

1 當(dāng)前我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 大型山地光伏市場(chǎng)情況

從當(dāng)前各地出臺(tái)的政策來(lái)看［4］，2021 年在整體推動(dòng)分布式大型光伏背景下，有很多地方政府不斷出臺(tái)鼓勵(lì)政策措施，還有的地方給予光伏發(fā)電公司補(bǔ)貼、獎(jiǎng)勵(lì)或補(bǔ)助。如浙江省在政策補(bǔ)貼上極為突出，現(xiàn)在已有麗水、溫州、寧波、泰順縣、云和縣、平湖、樂(lè)清、吳興區(qū)等8個(gè)市、縣（區(qū)）在電量上給予了一定補(bǔ)貼，其中寧波的電量補(bǔ)貼已經(jīng)達(dá)到了0.45 元/kW·h；又如北京市在2020年印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步支持光伏發(fā)電系統(tǒng)推廣應(yīng)用的通知》，也給出了實(shí)質(zhì)性的獎(jiǎng)勵(lì)；再如廣東省的深圳市及深圳市的南山區(qū)、東莞市以及廣州黃埔、開(kāi)發(fā)區(qū)、高新區(qū)、肇慶高新區(qū)等6 個(gè)市、縣（區(qū)）在光伏方面給予了一定補(bǔ)貼，最高的電量補(bǔ)貼可以達(dá)0.3 元/kW·h，在各類建筑或構(gòu)筑物上建設(shè)的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，按照裝機(jī)容量每兆瓦18萬(wàn)元給予裝機(jī)補(bǔ)助。這說(shuō)明當(dāng)前政策支持力度大，光伏發(fā)電等清潔能源發(fā)展勢(shì)頭迅猛，鑒于當(dāng)前大型山地光伏發(fā)電受到諸多因素影響，造成實(shí)際裝機(jī)容量跟不上當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，說(shuō)明市場(chǎng)前景非常可觀。2021 年全國(guó)的發(fā)電裝機(jī)容量為23.77 億kW，與上年同比增長(zhǎng)7.9%［5］，而太陽(yáng)能并網(wǎng)的裝機(jī)容量3.07 億kW，與上年同比增長(zhǎng)20.9%，說(shuō)明光伏發(fā)電量占比上升空間還很大。

1.2 大型山地光伏建設(shè)成本現(xiàn)狀

雖然說(shuō)當(dāng)前的光伏發(fā)電成本與以前相比已經(jīng)降了很多，但從大型山地的地形地貌來(lái)講，不同區(qū)域所需光伏發(fā)電設(shè)備支撐不一樣，在加強(qiáng)大型山地光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，需要更多的輔助材料，自然而然增加了更多的成本。另外，有的企業(yè)在投資建設(shè)過(guò)程中，設(shè)計(jì)單位到現(xiàn)場(chǎng)勘查勘探不到位，對(duì)光照情況和地理區(qū)域沒(méi)有進(jìn)行深入了解，致使設(shè)計(jì)過(guò)于理想化，造成設(shè)計(jì)概算超過(guò)實(shí)際投資概算，無(wú)形中給企業(yè)帶來(lái)額外負(fù)擔(dān)。這說(shuō)明在建設(shè)上成本依然還是不容樂(lè)觀，在如何優(yōu)化設(shè)計(jì)降低建設(shè)成本上非常有必要。如在西南某地投資建設(shè)17MW 大型農(nóng)業(yè)山地光伏發(fā)電站，建設(shè)、設(shè)備、土地、人工、管理等總投資概算為7.2億元；又如廣東某市的第一個(gè)大型集中式地面光伏電站裝機(jī)容量為700MW，總投資達(dá)35億。

1.3 技術(shù)應(yīng)用與系統(tǒng)效率情況

在以前一段時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)并網(wǎng)難度較大，尤其是大型山地受到地理地域、電網(wǎng)布局結(jié)構(gòu)及配套電氣系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)限制，光伏產(chǎn)業(yè)布局、發(fā)電站建設(shè)等無(wú)法找到更加先進(jìn)的技術(shù)支撐，產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度從一定程度上受到了嚴(yán)重制約。隨著國(guó)家供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，光伏發(fā)電技術(shù)得到了快速推動(dòng)，行業(yè)供給水平加速發(fā)展升級(jí)，在未來(lái)行業(yè)內(nèi)針對(duì)工藝落后、設(shè)施設(shè)備低端、產(chǎn)品效果低效的產(chǎn)能將被逐步淘汰退出市場(chǎng)，終究會(huì)被優(yōu)質(zhì)、高端、高效、低耗及附加值高的產(chǎn)能供給所替代、更替。同時(shí)，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的未來(lái)必將經(jīng)歷一場(chǎng)技術(shù)創(chuàng)新革命，當(dāng)前產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、產(chǎn)品生產(chǎn)、發(fā)電站建設(shè)等相關(guān)的市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)業(yè)態(tài)必將進(jìn)行專業(yè)化、聚集度高的復(fù)合產(chǎn)業(yè)整合，產(chǎn)業(yè)要素和資源最終會(huì)向用戶或產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)方向傾斜。然而近年來(lái)，光伏發(fā)電的技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成熟，但在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面仍然存在很多不足，當(dāng)前最為明顯的就是光伏發(fā)電效率問(wèn)題總會(huì)被設(shè)計(jì)忽視，系統(tǒng)效率制約而影響著光伏發(fā)電設(shè)施設(shè)備的有效運(yùn)轉(zhuǎn)，往往造成了相關(guān)電氣設(shè)備浪費(fèi)，給發(fā)電站建設(shè)和日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)更高的投入成本。另外，運(yùn)行可靠性存疑，長(zhǎng)此以往，給光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用與市場(chǎng)化推廣帶來(lái)了不利影響。

2 大型山地光伏發(fā)電系統(tǒng)主要存在問(wèn)題

2.1 有限山地面積難以滿足裝機(jī)容量的設(shè)計(jì)要求

大型山地光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理、應(yīng)用等是滿足大型山地光伏發(fā)電系統(tǒng)高效運(yùn)行的必備條件［6］，然而受到大型山地地理位置的影響，難以成片開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，針對(duì)有限的使用面積，設(shè)計(jì)人員得到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行反復(fù)勘探，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地專門設(shè)計(jì)，需要花費(fèi)大量的人力、物力、時(shí)間，建設(shè)光伏發(fā)電站、維護(hù)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行、提升生產(chǎn)效益也會(huì)受到嚴(yán)重影響，一定程度上來(lái)講，光伏發(fā)電事業(yè)的長(zhǎng)效發(fā)展受到了一定的阻礙。受大型山地地質(zhì)地貌的影響，區(qū)域電場(chǎng)中存在大量溝溝坎坎、陡坡邊角等，在遇到洪水、大風(fēng)等不可抗力時(shí)，發(fā)電站中所布局的電纜電線、避雷針、箱逆變等一些主要設(shè)施設(shè)備將會(huì)受到一定威脅，日常的維護(hù)管理很艱難。

2.2 電站系統(tǒng)效率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求

在行業(yè)內(nèi)［7］，很少有人會(huì)注意到光伏電站建成后的實(shí)際系統(tǒng)效率，大部分人認(rèn)為光伏電站的效率是按照設(shè)計(jì)時(shí)的效率運(yùn)行的，當(dāng)運(yùn)行效率達(dá)不到設(shè)計(jì)效率時(shí)，總會(huì)認(rèn)為是不是后期運(yùn)營(yíng)管理不當(dāng)造成的，但實(shí)際上造成發(fā)電系統(tǒng)效率的原因有很多，因?yàn)楣夥l(fā)電站系統(tǒng)效率隨著輻照強(qiáng)度的不斷變化而變化，輻照強(qiáng)度越低、日照時(shí)間越短，那系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的效率也就越低。如果組件、線纜、箱逆變等設(shè)施設(shè)備存在損耗過(guò)大同樣會(huì)造成光伏電站系統(tǒng)效率變低。設(shè)施設(shè)備運(yùn)行運(yùn)轉(zhuǎn)需要耗費(fèi)一定的自耗電，在低輻照狀態(tài)下自耗電就會(huì)較高，同樣也是造成系統(tǒng)效率降低的原因之一。當(dāng)然，如果存在系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷，發(fā)電系統(tǒng)效率就更難以保證了。

2.3 技術(shù)革新跟不上產(chǎn)業(yè)迭代需要

從當(dāng)前光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)講，整個(gè)設(shè)計(jì)大體分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大類［8］。電氣設(shè)備如組件、逆變器、箱變、電力電纜、電站監(jiān)控及配套系統(tǒng)等選型不夠精準(zhǔn)，無(wú)法支撐系統(tǒng)高效運(yùn)行，如在發(fā)電元器件和支桿支架等硬件方面，有些生產(chǎn)廠家為了降低企業(yè)生產(chǎn)成本，大量使用質(zhì)量比較差、加工比較粗糙的發(fā)電必要材料，致使電子元器件的質(zhì)量達(dá)不到很好要求或使用壽命縮短，這會(huì)給整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)造成致命影響。在軟件方面，如果電站的信息化程度低，對(duì)運(yùn)維后期將會(huì)造成很大的影響，如軟件系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在漏洞或缺陷，要么導(dǎo)致整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常、時(shí)常出現(xiàn)異常，要么直接導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，從而大大降低了發(fā)電工作效率。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 光伏設(shè)備技術(shù)選型

光伏設(shè)備選擇總體來(lái)講有光伏組件、光伏支架、逆變器、線纜、配電箱（匯流箱）等。太陽(yáng)能板可根據(jù)實(shí)際，選擇市場(chǎng)份額占比大、技術(shù)成熟、25年輸出功率不低于初始功率80%的單晶組件（或多晶組件）；在山地光伏陣列基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)及施工難度等因素，優(yōu)先選用鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)。灌注樁基礎(chǔ)成孔較為方便，混凝土和鋼筋用量小，開(kāi)挖量小，施工澆筑工序較為簡(jiǎn)單。對(duì)于地形復(fù)雜地區(qū)，設(shè)備機(jī)械等無(wú)法到達(dá)的場(chǎng)地鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)適應(yīng)范圍較強(qiáng)。在選擇光伏支架時(shí)，通常建議選擇固定式熱鍍鋅C型鋼支架，與組件使用壽命保持一致，盡量一次性設(shè)計(jì)到位，避免現(xiàn)場(chǎng)焊接，確因特殊原因需現(xiàn)場(chǎng)焊接的，切實(shí)做好防銹處理并定期檢查，盡可能選擇市場(chǎng)占有率大、口碑好的組串式逆變器，選擇耐高溫、抗老化、承載力、折彎等性能較好的光伏線纜?；陔娬窘涣鱾?cè)相當(dāng)損耗水平的電氣性能應(yīng)用，可考慮采用鋁合金電力電纜進(jìn)行系統(tǒng)降本增效優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化布局光伏陣列

受地形地貌客觀條件的影響，山地項(xiàng)目光伏陣列布置設(shè)計(jì)中需綜合考慮山體數(shù)目、高度、位置、朝向、坡度、植被等多種因素，進(jìn)行陣列優(yōu)化布局設(shè)計(jì)。單塊太陽(yáng)電池板可輸出電壓有限，想確保光伏陣列輸出電壓滿足逆變器輸入要求，必須科學(xué)串聯(lián)光伏組件布置形成陣列；同時(shí)考慮山地地形地貌現(xiàn)狀，盡可能充分地利用現(xiàn)場(chǎng)土地，提前清理可能造成陣列陰影遮擋的障礙物。針對(duì)每組陣列間的有效間距和安裝角度要進(jìn)行充分測(cè)量計(jì)算和設(shè)計(jì)施工，將遮陰距離縮小到最佳位置，保證在有限照射強(qiáng)度和時(shí)間范圍內(nèi)，太陽(yáng)光得到最大化的接收和利用，使得光伏組件運(yùn)行達(dá)到最大值。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，光伏陣列在冬至日9 點(diǎn)至15 點(diǎn)不能出現(xiàn)遮陰，則遮陰距離為d2=0.707H/tan[arcsin(0.648cosΦ-0.399sinΦ)]（H為上一組件的高度，Φ為項(xiàng)目所在地的地理緯度），詳見(jiàn)圖1。

圖1 光伏陣列有效間距示意圖

在山地光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，基于選定的箱變、逆變器、升壓站設(shè)備電氣參數(shù)、設(shè)備布局位置參數(shù)及集電線路選型、路徑，采用電力系統(tǒng)仿真軟件建模仿真，進(jìn)行光伏電站電氣系統(tǒng)損耗仿真，以達(dá)到電氣系統(tǒng)效率優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)智能化、信息化

在光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)，同步考量智能化建設(shè)、數(shù)據(jù)采集軟件安裝、規(guī)范KKS 編碼體系、信息化運(yùn)行管理、運(yùn)行指標(biāo)體系建設(shè)等，遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)、運(yùn)行情況，針對(duì)故障通過(guò)顏色辨別，快速定位、及時(shí)分析、跟蹤處理，彌補(bǔ)傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)不足，降低管理成本、提高綜合發(fā)電效率、保障系統(tǒng)安全，通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析，建立數(shù)據(jù)模型，提高市場(chǎng)應(yīng)用，推動(dòng)光伏電站智能化、信息化和科學(xué)化。

3.4 其他優(yōu)化方向

此外，根據(jù)不同資源區(qū)輻照條件等因素進(jìn)行逆變器容配比優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效降低LCOE，同時(shí)可以使發(fā)電曲線更為平滑，降低電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，提高光伏發(fā)電滲透率；開(kāi)展精細(xì)化的光伏方陣容量設(shè)計(jì)研究，可進(jìn)一步減少電站逆變器、變壓器等設(shè)備配置數(shù)量，降低安裝維護(hù)成本，同時(shí)可減少線纜投資和降低施工成本；預(yù)裝式升壓站因可有效避免設(shè)計(jì)耗時(shí)長(zhǎng)、土建工作量大、協(xié)調(diào)管理工作量大、調(diào)試?yán)щy、專業(yè)化要求高等傳統(tǒng)升壓站建設(shè)痹癥，已逐步受到愈多投資方和設(shè)計(jì)運(yùn)維人員的青睞。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展，大型山地光伏應(yīng)用逐步進(jìn)入越來(lái)越多發(fā)電企業(yè)投資視野。本文通過(guò)分析大型山地光伏發(fā)電系統(tǒng)目前存在的諸如有限山地面積難以滿足裝機(jī)容量設(shè)計(jì)要求、電站系統(tǒng)效率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、信息化程度低等主要存在問(wèn)題進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了光伏設(shè)備技術(shù)選型、光伏陣列布局優(yōu)化、智能化信息化升級(jí)等山地光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方向，使整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行性能效益達(dá)到最大值。本文研究對(duì)大型山地光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考和借鑒意義。