分布式光伏電站設(shè)計(jì)中的電氣設(shè)計(jì)技術(shù)研究

淮北申皖發(fā)電有限公司 張光慶 王海玨

光伏發(fā)電作為我國現(xiàn)階段重要的新型能源項(xiàng)目，受到人們廣泛關(guān)注，其可以把可再生的光能源轉(zhuǎn)換為電能源，綠色環(huán)保，符合我國可持續(xù)發(fā)展基本要求，同時(shí)還可以確保電站發(fā)電量。分布式光伏電站的設(shè)計(jì)和建設(shè)工作涉及多學(xué)科的技術(shù)類型，因此具有一定的復(fù)雜性。以光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，系統(tǒng)綜合效率不僅和太陽能資源與逆變器效率等因素相關(guān)，同時(shí)還受到光伏方陣方位角或陣列間距等因素的影響。諸如此類的技術(shù)研究都將成為后續(xù)工作的改進(jìn)重點(diǎn)。

1 分布式光伏電站的設(shè)計(jì)與技術(shù)要點(diǎn)

1.1 工作模式概述

分布式光伏電站的工作模式其核心技術(shù)就在于，利用光伏的不同組件把可再生的太陽能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其轉(zhuǎn)化為電能，建立分布式能源系統(tǒng)[1]。在目前技術(shù)條件下，可以將部分的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)全部建造在用戶場所區(qū)域周圍，然后在配電系統(tǒng)當(dāng)中通過調(diào)節(jié)平衡的方式做好能源的綜合應(yīng)用。這表明分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅強(qiáng)調(diào)就近發(fā)電的基本要求，同時(shí)還強(qiáng)調(diào)光伏電站的發(fā)電量與電能損耗控制，減少電能遠(yuǎn)距離傳輸?shù)牟焕绊憽．?dāng)前一個(gè)時(shí)期，我國分布式光伏電站的電氣設(shè)計(jì)技術(shù)已發(fā)展得較為成熟，不僅輸出功率穩(wěn)定，同時(shí)還能降低發(fā)電站的運(yùn)行成本。與某些大型的發(fā)電系統(tǒng)相比，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在投資效益上與這些系統(tǒng)保持接近，且技術(shù)優(yōu)勢集中體現(xiàn)在環(huán)境友好功能層面，如在運(yùn)行過程當(dāng)中不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲污染、水污染和空氣污染，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行階段可以確保發(fā)電和用電的同時(shí)運(yùn)行。

1.2 電氣設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

分布式光伏電站在設(shè)計(jì)技術(shù)方面需要考慮到電器組件的選型要求，常見的組件類型有單晶硅、多晶硅與非晶硅，成本較低的當(dāng)屬非晶硅，并且該組件對環(huán)境的適應(yīng)性要求較低，不會(huì)因?yàn)橥獠凯h(huán)境產(chǎn)生非常嚴(yán)重的性能障礙。但該組件在運(yùn)行階段仍然存在一些潛在的問題，如轉(zhuǎn)換效率可能比較低，一般都在10%以下，表明轉(zhuǎn)換效率并不穩(wěn)定，所以并沒有得到廣泛的應(yīng)用。

與之相比，晶硅電池組件的制造技術(shù)比較成熟，且使用周期長，產(chǎn)品性能在長期的使用階段得到認(rèn)可，在某些大型光伏電站的建設(shè)當(dāng)中，發(fā)揮了至關(guān)重要的功能。如晶硅類電池可劃分為單晶硅和多晶硅兩種類型，而兩者之間的差異主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)換效率層面，單晶硅組件的轉(zhuǎn)換效率通常高于多晶硅組件，但是在其他指標(biāo)上并沒有非常顯著的差異，無論是執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)還是執(zhí)行條件上都比較接近，所以實(shí)際的發(fā)電站運(yùn)行環(huán)節(jié)當(dāng)中，可以根據(jù)實(shí)際需求分別選擇對應(yīng)的組件類型。但值得注意的是，單晶硅電池組件的運(yùn)行成本普遍較高，所以綜合技術(shù)水平和工藝要求之外，可以考慮在確保轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，盡可能地壓縮各項(xiàng)成本，讓整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)維持經(jīng)濟(jì)、安全以及正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中的逆變器設(shè)備選擇較為重要，工作人員應(yīng)具有整體觀念，把光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況作為判定依據(jù)，一方面必須確保輸出功率和發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率兩者之間保持一致，另一方面必須讓逆變器設(shè)備的電壓區(qū)間等參數(shù)數(shù)值處于合理。而在具體的電氣設(shè)計(jì)方面，由于匯流箱可最大限度發(fā)揮匯流處理功能，必須對多路直流電源進(jìn)行處理，讓其可以連接到逆變器當(dāng)中，而其中的主斷路器正是直流匯流箱中的重要組件之一。一般情況下選擇斷路器時(shí)，直流回路選擇直流斷路器或是進(jìn)行三極串聯(lián)。組串連接部分要遵循基本規(guī)則，保持串聯(lián)先并聯(lián)后的工作，要求同時(shí)提前對工作電壓進(jìn)行測量，最后選擇并聯(lián)方式獲得所需要的工作電流[2]。

1.3 電纜設(shè)備篩選

電纜設(shè)備篩選時(shí)要綜合考慮到環(huán)境因素可能產(chǎn)生的影響，如根據(jù)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的具體情況來看，需要配置光伏設(shè)備專用電纜，保持各個(gè)組件之間的跳線和匯流。而光伏電纜相比于普通電纜而言對于環(huán)境的要求相對較高，如導(dǎo)體的工作溫度不得超過120℃，環(huán)境溫度則應(yīng)長期處于-40℃至90℃，并且電纜應(yīng)該具有良好的紫外線耐性、抗化學(xué)腐蝕特性、抗臭氧性等。綜合來看，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境溫度大多在60℃以上，并且在對載流量合理修正之后，整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的光能源轉(zhuǎn)換率可維持在較高的水準(zhǔn)區(qū)域內(nèi)，居民用電質(zhì)量可得到充分保障。

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 光伏陣列運(yùn)行方式

光伏陣列布置是整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的核心要點(diǎn)，其方正運(yùn)行方式按照是否能夠追蹤太陽來做好分類，包括自動(dòng)跟蹤式和固定跟蹤式兩種類型。集中固定運(yùn)行的光伏陣列可以安裝在支架之上，以最佳傾角布置完成之后傾角不進(jìn)行改動(dòng)。單軸跟蹤是以組件陣列面上的某個(gè)方向?yàn)檩S，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)跟蹤完成對太陽高度角的追蹤以及太陽方位角的追蹤，保障組件的整體發(fā)電量。而雙軸跟蹤式組件則有兩個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的軸水平方向旋轉(zhuǎn)，完成太陽高度角的追蹤，發(fā)電量同樣大幅提升。

基于太陽輻射量的增益來看斜面所接收到的輻射量，直接決定了光伏電站發(fā)電性能，假設(shè)對某些地區(qū)使用跟蹤支架后就可以對輻射量進(jìn)行模擬計(jì)算，在這些具有代表性的地區(qū)當(dāng)中，月輻射量曲線都呈現(xiàn)出正態(tài)分布，原因在于我國處于北半球，夏季時(shí)太陽處于北回歸線和赤道之間具有充足的太陽輻射，斜面同樣可以接收到較大的輻射量；反之，冬季時(shí)太陽輻射相對較少，所接收到的輻射量也因此減少。

無論采取哪種支架方案，年輻射量分布本身都遵循正態(tài)分布的基本規(guī)律，夏季輻射量永遠(yuǎn)大于冬季輻射量。為了改進(jìn)年輻射量的數(shù)據(jù)，需要考慮到冬季太陽輻射較少時(shí)的輻射量接收情況，如北半球冬季最佳傾角比夏季階段的最佳傾角要更大，夏季時(shí)輻射量提升的百分比相對較低，所以冬季支架方案對輻射量提升的情況效果較好，如對斜面角度進(jìn)行調(diào)整之后讓其與太陽光線保持垂直，此時(shí)輻射量的提升會(huì)更加明顯。實(shí)際上根據(jù)不同地區(qū)的仿真結(jié)果分析來看，不同區(qū)域或不同緯度，對于年輻射量提升的影響同樣明顯，水平面太陽總輻射中的直射比就會(huì)隨著緯度的升高而身高。在光伏陣列運(yùn)行過程當(dāng)中，選擇跟蹤式系統(tǒng)的優(yōu)勢在于對陣列方位角和陣列傾角進(jìn)行調(diào)整，而國北方地區(qū)或一些緯度較高的地區(qū)，則可以選擇雙軸跟蹤系統(tǒng)或斜單軸跟蹤系統(tǒng)發(fā)揮追蹤作用[3]。

跟蹤支架本身對于提升光伏系統(tǒng)的發(fā)電量效果突出，但使用跟蹤支架之后，整體的成本消耗會(huì)隨之提升，如果增加的發(fā)電量所產(chǎn)生的利潤能夠填充這些建設(shè)成本，則表明跟蹤式支架技術(shù)方案具有良好的應(yīng)用可能性。假設(shè)使用雙軸跟蹤支架，那么系統(tǒng)運(yùn)行過程當(dāng)中可以提升一部分發(fā)電量，以固定安裝式作為參考依據(jù)，可根據(jù)實(shí)際需求確定是否要采用固定式支架、雙軸跟蹤支架水平單軸支架等。但是在這些方案當(dāng)中，固定式支架系統(tǒng)的發(fā)電量雖然最低，但其成本消耗同樣較低，占地面積較小，所以光伏電站在運(yùn)行過程當(dāng)中無需進(jìn)行后期大規(guī)模維護(hù)，在一定程度上降低了潛在運(yùn)行成本。

當(dāng)然，整個(gè)光伏陣列運(yùn)行方式考慮投資效益和發(fā)電量之外，還需要考慮到安全性和便捷性，從而為光伏系統(tǒng)的平穩(wěn)安全提供針對性保障。以地面大型光伏電站為例，為了獲取較高比例的投資回報(bào)，一般會(huì)采用跟蹤式系統(tǒng)，而對于某些小型光伏電站，使用跟蹤式系統(tǒng)往往會(huì)增加單位發(fā)電量和裝機(jī)容量，使得總發(fā)電量反而降低，發(fā)電量的提升并不能完全彌補(bǔ)裝機(jī)容量降低帶來的損失。而屋頂分布式光伏電站的承載能力比較有限，使用跟蹤式支架系統(tǒng)時(shí)，可能還需要對屋頂進(jìn)行額外加固，增加使用成本。

2.2 安裝傾角選擇

由于固定式支架方案光伏電站的支架和組件設(shè)備在安裝完畢之后無法調(diào)節(jié)傾斜角度，所以在正式完工之前應(yīng)該選擇合理的傾斜角度，確定項(xiàng)目所在地的最佳傾角以及陣列間距。分布式光伏電站的陣列傾角變化時(shí)，陣列間距也會(huì)隨之改變，影響到光伏電站的總發(fā)電量，對此應(yīng)明確發(fā)電量和傾角數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，選出最佳的傾角。

計(jì)算時(shí)要綜合分析光伏發(fā)電過程當(dāng)中的效率與成本數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，我國每個(gè)地區(qū)的經(jīng)度和緯度不同，所以對應(yīng)月份的太陽輻射量必然存在不同程度的差異，在這些影響因素當(dāng)中光伏發(fā)電量與輻射量的聯(lián)系最為緊密，固定式運(yùn)行的光伏方陣，在工程設(shè)計(jì)當(dāng)中需要優(yōu)先處理的技術(shù)問題就是陣列傾斜角度和最大化太陽輻射量，從而保障系統(tǒng)效率。對此，需要先準(zhǔn)確地計(jì)算斜面年總輻射量，然后在0～90°區(qū)間確定總輻射量最大時(shí)的對應(yīng)傾角度數(shù)[4]。氣象觀測站可以直接測量這些數(shù)據(jù)，然后確定光伏電池陣列和水平面上太陽輻射量的數(shù)據(jù)結(jié)果，精確計(jì)算出不同傾斜角度前提下的月平均太陽輻射量，然后確定地面反射太陽輻射量和斜面的散射輻射量，需注意的是地面狀態(tài)會(huì)直接影響到反射率，如干燥地帶、沙漠地帶、干燥地、冰面都有著不同的反射率，只有將所有存在的因素全都考慮在內(nèi)，才能確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

中國處于北半球，北半球的固定式光伏方陣朝向?yàn)槟希藭r(shí)方正斜面接受的輻射量達(dá)到最大標(biāo)準(zhǔn)。并且為了避免陣列前排與陣列后排之間出現(xiàn)陰影遮擋情況，減少接收到的輻射量，陣列之間本身要預(yù)留出一定的空間，然后根據(jù)光伏電站的地理坐標(biāo)與太陽位置等來確定前后方陣之間的最佳間距。此時(shí)，可將組件的前排間距和后排間距計(jì)算方法導(dǎo)入編程程序當(dāng)中計(jì)算，得出陣列垂直高度陰影長度和最小間距數(shù)據(jù)。

分布式光伏電站與居民區(qū)比較接近，所以輸電損失相對較少，當(dāng)前比較普遍使用的屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和地面分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，受到場地面積的限制程度不一，對此需要提升單位面積的發(fā)電量，特別是在占地面積不發(fā)生改變時(shí)傾角與發(fā)電量之間的平衡設(shè)計(jì)?？紤]到傾角增加會(huì)降低電站的安裝容量，對此單位面積發(fā)電量的土地利用率也會(huì)受到影響。如果光伏電站占地面積不變，那么可以減少安裝傾角，從而增加裝機(jī)容量，保障單位面積發(fā)電量。另外在確定合適的傾斜角度之后，還需要綜合評估發(fā)電成本，選擇最佳傾角度數(shù)，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)。

2.3 組件串聯(lián)與組件并聯(lián)

光伏組件串聯(lián)時(shí)輸出電壓的波動(dòng)范圍需要始終在逆變正常工作電壓范圍之內(nèi)，總輸出功率也應(yīng)在額定接入功率和最大允許接入功率的范圍之內(nèi)，并且電池組件和逆變器之間的直流電纜原則上應(yīng)越短越好，降低直流損耗，同一光伏陣列當(dāng)中主線的主要參數(shù)保持一致。

2.4 發(fā)電量計(jì)算

發(fā)電量計(jì)算可以使用專業(yè)的軟件來進(jìn)行光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模擬，由于多種因素對于發(fā)電效率都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，包括電池組件類型、光伏方陣方向、傾斜角度、光照利用率、變壓器損失等，這些因素都會(huì)直接影響到太陽輻射量和系統(tǒng)發(fā)電量的比值。除此之外，還應(yīng)去做好生命周期發(fā)電量的計(jì)算和工程經(jīng)濟(jì)評估，如系統(tǒng)在夏季時(shí)的綜合效率明顯優(yōu)于冬季，原因在于夏季空氣溫度較高，組件熱量可以長時(shí)間保存。

3 結(jié)語

無論是自然環(huán)境還是電氣設(shè)備選擇等，都將影響到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。光伏發(fā)電站作為一種先進(jìn)的技術(shù)手段，能夠充分突出節(jié)能減排的技術(shù)優(yōu)勢，對太陽能源進(jìn)行合理轉(zhuǎn)換，滿足社會(huì)對于電能源的需求，發(fā)揮良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。在未來的工作當(dāng)中，應(yīng)進(jìn)一步規(guī)劃光分布式光伏電站的技術(shù)應(yīng)用，對系統(tǒng)方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，保障良好的發(fā)電效率，維持電能質(zhì)量。