光伏電站電氣設計的實際應用

文/徐 群

社會的高速發(fā)展背后需要巨大的能源支撐。截至目前，一次性能源如煤炭、石油等消耗巨大，再生耗時久。光伏發(fā)電作為當前世界重要的新型能源生產(chǎn)方式，具有可再生、環(huán)保、高效等特點，可有效解決能源稀缺的問題。本文研究了電氣設計在光伏電站中的實際應用。

1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)概述

1.1 光伏組件

光伏組件是光伏系統(tǒng)的重要設備之一。光伏組件利用光生伏特的特點把太陽能直接轉化為直流電能，將能源轉換變?yōu)榭赡?。其主要?種類型：單晶硅光伏組件、多晶硅光伏組件、薄膜光伏組件，優(yōu)缺點各不相同。晶體硅太陽電池，優(yōu)點是安全性高，技術較為成熟，且應用范圍廣，價格相對低廉，效率較高，但缺點是在大氣與光照環(huán)境下，會出現(xiàn)電池能量衰竭的問題。薄膜光伏組件效率高，性能更加穩(wěn)定，但是原料稀缺，大規(guī)模生產(chǎn)具有較大困難。目前，硅膠材料價格大幅下跌，且硅晶組件技術成熟，因其超高性價比在市場占有率達80%以上，使得薄膜光伏組件技術幾乎不再發(fā)展。單硅晶電池使用單晶硅硅棒生長工藝，效率較高。多晶硅的生產(chǎn)則使用多晶硅鑄錠工藝，其生產(chǎn)工藝基本與單晶硅一致，效率略低于單晶硅，但更節(jié)約硅原料，使效率與工藝成本達到了一個平衡。目前，市場數(shù)據(jù)顯示，我國主要生產(chǎn)的晶硅太陽能組件規(guī)格多為245 ～ 315Wp ，多應用于大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏電站應選擇效率高、大功率的光伏組件，在提高系統(tǒng)效率的同時最大限度地降低造價。

1.2 逆變器

逆變系統(tǒng)包括逆變器與其保護控制電路。其中，光伏并網(wǎng)逆變器是光伏系統(tǒng)的核心設備。由于光伏并網(wǎng)逆變器可以將光伏組件產(chǎn)生的直流電能轉換為交流電能，故在極大程度上，逆變系統(tǒng)的質量影響著光伏系統(tǒng)整體的運作效率。根據(jù)光伏逆變器的內部電路的結構、功率以及應用地點的不同，將光伏逆變器大體分為3類：微型、集中型、組串型。由于光伏電站較少運用微型逆變器，另兩類系統(tǒng)組成如下：

（1）組串型逆變器：逆變器，光伏組件，交流配電，直流電纜，電網(wǎng)。

（2）集中型逆變器：逆變器，光伏組件，直流匯流配電，交流配電，直流電纜，匯流箱，隔離變壓器，電網(wǎng)。

逆變器選擇需遵循以下原則：

（1）高效率，性能穩(wěn)定。

（2）安全性高，具有保護功能。

（3）具有數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控功能。

（4）功率因數(shù)盡量高，波形畸變盡量小。

綜上所述，逆變器作為光伏系統(tǒng)的核心設備，須根據(jù)其具體應用地點、電站大小等具體因素選擇，以達到提高發(fā)電量、降低系統(tǒng)成本的目的。

1.3 光伏匯流箱

集電線路分為直流線路、直流配電柜、防雷匯流箱3種。其中，直流線路可以將直流電能通過電纜載流直接傳輸?shù)侥孀兿到y(tǒng)；防雷匯流箱和直流配電柜則主要負責匯流，將分散線路匯流后集中傳送到逆變系統(tǒng)。光伏電站較常使用防雷匯流箱，又名光伏匯流箱。光伏匯流箱可減少光伏組件與逆變器間的連接線，方便維護，可靠性高，可與光伏逆變器配套組成完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)解決方案。光伏匯流箱可根據(jù)逆變器輸入的直流電壓范圍，將一定數(shù)量的、規(guī)格相同的光伏組件串聯(lián)組成一個光伏組件串列，再將若干個串列接入光伏匯流箱進行匯流，通過防雷器與斷路器后輸出，方便了逆變器的接入。

為了保障人身安全，降低危險性，光伏匯流箱的安裝、使用須遵循以下原則：

（1）需滿足室外安裝的要求。

（2）同時可接入16路太陽電池串列，每路電流最大可達10安。

（3）配有光伏專用高壓防雷器，正極負極都具備防雷功能。

光伏匯流箱安裝維護方便、簡單，使用壽命長，能滿足電站的使用需求。

1.4 升壓系統(tǒng)

依據(jù)光伏系統(tǒng)大小可將升壓系統(tǒng)分為一級升壓與多級升壓。分布式光伏系統(tǒng)大多采用一級升壓即可接入，大型地面電站則可使電流經(jīng)子方陣逆變升壓后匯入主變壓器升壓至110千伏、220千伏或者330千伏,再接入主網(wǎng)，完成多級升壓。

1.5 接入系統(tǒng)

接入系統(tǒng)是連接電網(wǎng)系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)的通道，作為光伏系統(tǒng)較為重要的部分，需經(jīng)由專業(yè)電力部門批準才可接入光伏系統(tǒng)。目前，接入困難是光伏電站中較難解決的問題之一。

（1）選擇光伏電站接入系統(tǒng)的首要原則是滿足本地負載需求，在此之后才可將多余電能輸入電網(wǎng)。公用電網(wǎng)分配與傳輸網(wǎng)力過程中必然會產(chǎn)生能量損耗，且我國的電網(wǎng)傳輸能量損耗較大，故對于光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電能，基本原則是減少能源傳輸，盡量就地產(chǎn)生，就地消耗，提高能源的利用率；盡量保證光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電可優(yōu)先滿足系統(tǒng)內負載需求；盡量使光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電曲線和負載的需求曲線相一致，最大限度地提高電能的利用效率。

（2）中型光伏發(fā)電系統(tǒng)通常會選擇一個集中并網(wǎng)點，但是大型光伏發(fā)電系統(tǒng)則可根據(jù)實際需要選擇兩個及以上并網(wǎng)點，以提高系統(tǒng)運行的可靠性。

2 光伏電站電氣設計應用

2.1主接線設計應用

在設計光伏電站的主接線時，工作人員需綜合考慮電站裝機大小、場站布置、接入系統(tǒng)的主要方式及電氣設備特點等。當光伏電站以35千伏或者更高的等級進行升壓時，通常其內部接線有1級或2級升壓的情況，此時，需從經(jīng)濟性與技術性兩方面出發(fā)進行分析。光伏電站只需使用恰當技術，即可從外網(wǎng)引入電量。

當光伏電站規(guī)模、占地面積較大時，電纜降壓也較大，其選取的電纜截面也較大，此時，逆變區(qū)內用電將從箱變低壓側進行接引，兩個相近的箱變可作為彼此的備用裝置。當光伏電站規(guī)模較小，占地也較小時，在其逆變區(qū)內，符合用電且使用低壓配電裝置接引即可。

2.2防雷接地設計應用

光伏電站的防雷設計應在遵循法規(guī)、規(guī)范的前提下，根據(jù)其內部、外部情況綜合考慮，是光伏電站電氣設計的重要一環(huán)。其具體防雷設計須注意以下兩點：

（1）直擊雷防護。在并網(wǎng)發(fā)電過程中，光伏設備如電池組件等分布十分廣泛，且高度差別較小，若設置獨立避雷裝置保護的范圍過小，大量設置又將大幅提升建設成本，不符合經(jīng)濟性，且由于占位較多，易設計不當，導致出現(xiàn)遮蔽陽光、降低發(fā)電效率的情況。光伏陣列屬于三級防雷建筑物，可以使用金屬構架連接的方式，故可以有效連接方陣支架上的所有金屬結構、所有電池組件與接地網(wǎng)，通過此種連接方式實現(xiàn)防直擊雷。

（2）感應雷防護。光伏電站中的防感應雷系統(tǒng)主要工作就是防止感應雷通過外界線路入侵室內設備，感應雷由靜電感應與電磁感應產(chǎn)生，由于其形成感應雷電壓的概率較高，故對建筑內設備威脅較大，需重點防范。感應雷主要通過以下兩個途徑侵入光伏系統(tǒng)：第一，由光伏系統(tǒng)組件方陣直流線路侵入；第二，由交流并網(wǎng)供電線路侵入，設計時需從以上兩點入手。

在設計大型并網(wǎng)光伏電站電氣設計時，電站的防雷接地設計極為重要，可在箱式變電器高壓側放置避雷器，避免箱式變電站耦合過電壓問題的同時，預防感應雷導致的過電壓對光伏電站中的設備產(chǎn)生破壞。

2.3電纜敷設設計應用

大中型光伏電站的規(guī)模較大，其內部各區(qū)域光伏發(fā)電母線與發(fā)電模塊如采用輻式連接，可將各區(qū)域發(fā)電模塊發(fā)生故障時的損失降至最小，但卻增加了開關柜及電纜數(shù)量。采用“T”式連接，可以較大程度上節(jié)省開關柜及電纜數(shù)量。工作人員可根據(jù)具體經(jīng)濟技術情況確定集電線路數(shù)量。

部分丘陵及山地的光伏電站需采用綜合的敷設方案，如電纜橋架加直埋敷設，電纜橋架可順地勢敷設，利用了地形優(yōu)勢，但為保護電纜，其橋架最好采用玻璃鋼橋架或鍍鋅橋架。平地的光伏電站光伏陣列區(qū)域電纜則宜使用直埋敷設，直埋應設置于凍土之下，地面光伏電站多位于西北區(qū)域，凍土多且深，進行直埋時工程量巨大。此種情況采用耐寒電纜較為合適，在由凍土層向非凍土層敷設時加裝電纜保護管，用以保護電纜不受損害。這樣操作可以在保護電纜安全運行的同時，減少工程的經(jīng)濟壓力。

2.4光伏陣列支架設計應用

光伏支架直接決定著電氣設計的使用效率，影響光伏組件的運行安全、建設耗資及破損率。當前，大型地面光伏電站光伏支架可選用兩類：固定傾角式與逐日跟蹤式。逐日跟蹤式的效果與太陽輻射的散射輻射關系密切，散射輻射比例越大，其效果越差。但其靈活性更強，可以使光伏方陣表面按照太陽運動規(guī)律進行活動，可接收更多的光能量，提高發(fā)電量，減少光伏組件的使用量，降低工程建造成本。而固定傾角式比跟蹤式單體的經(jīng)濟性更高。其組裝后組件傾角與方向不能調整，較為死板，當太陽光無法很好地照射方陣時，也無法進行活動，需布置多個、多方向。故在選擇光伏電站光伏支架， 從電站自身情況考慮才能最大限度地降低工程成本，提升發(fā)電效率。如光線較好，方陣處可長時間大面積受到陽光輻射時，采用固定傾角式將合理地降低工程造價；若光線變化情況較大，方陣無法在一個方向長時間大面積接收陽光輻射時，選擇逐日跟蹤式則更有利。

3 結語

當前，我國電網(wǎng)建設水平顯著提升，但由于能源短缺，我國對于光伏電站的建設十分重視。光伏電站電氣設計的優(yōu)化，將提升光伏發(fā)電效率，促進能源的可持續(xù)發(fā)展，進一步推動社會化進程。