分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)分析

王 玨

（國網(wǎng)黃石供電公司， 湖北 黃石 435000）

0 引言

我國電力資源分布不均勻，許多偏遠(yuǎn)地區(qū)不具備集中式發(fā)電的條件，依靠架空線纜進(jìn)行電力資源的遠(yuǎn)距離傳輸，不僅造成電力資源的浪費(fèi)，而且集中式發(fā)電無法根據(jù)外界電力負(fù)荷的變化而實(shí)時(shí)改變。為解決用電負(fù)荷不能靈活切換而引起的電力運(yùn)轉(zhuǎn)成本增加的問題，有效提高電力資源的利用率，分布式光伏電站應(yīng)運(yùn)而生。我國的光伏發(fā)電技術(shù)仍處于發(fā)展階段，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)人員還沒有掌握光伏電站電氣設(shè)計(jì)及安裝的技術(shù)要點(diǎn)。另外，光伏發(fā)電站的電氣設(shè)備部件均是精密度要求較高的材料，如果不能正確選擇設(shè)備及材料型號，就會導(dǎo)致電氣設(shè)備及部件的質(zhì)量不符合要求，進(jìn)而造成光伏電站頻繁發(fā)生設(shè)備故障[1]。因此，對分布式光伏電站電氣系統(tǒng)進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)分析和研究，以便提高電氣系統(tǒng)的性能，保證其運(yùn)行質(zhì)量。

1 光伏電站系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

光伏電站系統(tǒng)主要由光伏組件、匯流箱、交直流逆變器、配電箱、監(jiān)控控制系統(tǒng)和安裝支架等組成[2]，如圖1 所示。其工作原理為：光伏電池采用串聯(lián)或并聯(lián)方式，以一定的角度在光伏支架上進(jìn)行安裝，組成光伏陣列，最大程度上吸收太陽量，并將太陽量轉(zhuǎn)化為直流電，通過匯流箱進(jìn)入逆變器。在逆變器中逆變?yōu)榻涣麟姾螅斔偷街麟娋W(wǎng)中。監(jiān)測儀可以對系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電、用電情況進(jìn)行跟蹤記錄、顯示和儲存等，并對輸入主電網(wǎng)的電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[3]。

圖1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要原理結(jié)構(gòu)

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 接入方案設(shè)計(jì)

根據(jù)《分布式電源接入系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)》的內(nèi)容要求，合理設(shè)置并網(wǎng)點(diǎn)總數(shù)及箱式變壓器容量，在滿足基地自身用電的基礎(chǔ)上，將剩余電量接入電網(wǎng)，提高電能資源的利用效率。

2.2 電氣主接線設(shè)計(jì)

在進(jìn)行光伏電站電氣主接線設(shè)計(jì)過程中，工作人員需要綜合考量光伏電站設(shè)計(jì)的裝機(jī)容量、系統(tǒng)接入方式、樞紐布置情況和具體的設(shè)備特點(diǎn)等，在此數(shù)據(jù)上完成電氣系統(tǒng)接線方案的初步擬定。此外，電站主接線的設(shè)計(jì)還必須滿足接線簡單、便于操作、運(yùn)行靈活等條件，方便后期作業(yè)人員的操作及維護(hù)檢修。

2.3 主要電氣設(shè)備選擇安裝

2.3.1 光伏電池選型

目前市場上流行的光伏電池主要有兩種，一是薄膜電池，該類電池價(jià)格便宜、成本低廉，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)化效率不高。另一種是晶硅電池，安全性好、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、易于維護(hù)、壽命長，且能量轉(zhuǎn)化率較高，占據(jù)大部分光伏電池市場[4]。在環(huán)境溫度正常情況下，晶硅電池工作功率輸出為每包60 W～280 kW，從輸出功率、用電成本等角度出發(fā)，選擇200 kW 的多晶硅電池，其基本性能參數(shù)如表1 所示。

表1 200 kW 多晶硅電池性能參數(shù)

2.3.2 光伏電站濾波器選擇

為提高光伏電站運(yùn)行質(zhì)量，保護(hù)光伏系統(tǒng)中各設(shè)備部件不受電磁干擾，需對光伏電站并網(wǎng)接入系統(tǒng)的濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。在光伏電站接入系統(tǒng)中，由于外界環(huán)境的影響，輔助逆變器、開關(guān)電源工作頻率等都會引起諧波電流，對光伏電站接入系統(tǒng)運(yùn)行造成一定影響。濾波器可分為L 型、LC 型和LCL 型三種類型，不同型號的濾波器差異很大，各具特色，需要根據(jù)光伏發(fā)電現(xiàn)場的實(shí)際工況進(jìn)行合理選型。

如果光伏電站接入系統(tǒng)的發(fā)電量較低，可以選擇L 型濾波器或者LC 型濾波器。如果光伏發(fā)電接入系統(tǒng)的發(fā)電量較高，則需要選擇LCL 型濾波器。對于L型和LC 型濾波器而言，其采購價(jià)格較高、且濾波效果不太理想，不利于整個光伏電站接入系統(tǒng)及主供電電網(wǎng)的平穩(wěn)可靠運(yùn)行。

2.3.3 光伏電站逆變器選擇

逆變器是整個分布式光伏電站接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中最為關(guān)鍵的備件，可以對不同電壓進(jìn)行逆變，提高電網(wǎng)需要的電壓值，對分布式光伏電站并網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量有重要影響。選用逆變器部件時(shí)，需要統(tǒng)籌考慮其容量、工作電壓、工作電流、諧波電流及輸出功率等環(huán)節(jié)的技術(shù)要求，按照分布式光伏電站并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行逆變器的采買。當(dāng)逆變器遇見不并網(wǎng)故障時(shí)，經(jīng)常發(fā)生在與電網(wǎng)未正確連接的情況下，主要排查交流開關(guān)是否閉合。若閉合，則查看連接逆變器輸出口的線纜是否松動，并采用數(shù)字式萬用表對此處電壓進(jìn)行測量。若無松動，則檢查逆變器輸出口與電網(wǎng)的連接處是否存在虛接或脫落現(xiàn)象。在有電檢查過程中，要穿戴好勞保防護(hù)用品，切勿用手直接接觸電線及端子排，避免意外觸電，對作業(yè)人員造成傷害。

此外，為了充分保障分布式光伏電站發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，提高作業(yè)效率，要合理選擇分布式光伏電站電網(wǎng)接入點(diǎn)的電壓。一般情況下，分布式光伏電站接入點(diǎn)額定電壓范圍是89%～115%。因此，需要通過交直流逆變器來對接入電網(wǎng)的電壓進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)及控制[5]。同時(shí)，根據(jù)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，電網(wǎng)的頻率需要恒定在斷點(diǎn)。若無松動且電壓數(shù)值在110～220 V 區(qū)間之內(nèi)，說明此處線路無問題。在運(yùn)行過程中，一旦超出49.5～50.5 Hz 頻率區(qū)間，立即切換到逆變器運(yùn)行模式。

2.3.4 主變壓器選擇

以湖北黃石某光伏電站為例，對主變壓器選擇進(jìn)行說明。該項(xiàng)目基于11 個村級電站用電總?cè)萘?，對子方陣容量進(jìn)行科學(xué)配置。該項(xiàng)目所處地域內(nèi)地下有很多光纜及水溝，將該地段劃分為分散的很多區(qū)域。為了適應(yīng)此地段不規(guī)則的地形，實(shí)現(xiàn)地形空間最大化利用，避免電力資源浪費(fèi)，故選用1.2 MW、1.45 MW、1.8 MW 和2.2 MW 光伏電站子方陣。

考慮到逆變器的輸出電壓值較小，倘若光伏電站的矩陣選取的功率較高，將導(dǎo)致升壓變壓器單側(cè)工作電流過大，從而造成線路能量損失較大，增加了設(shè)備選型的難度，故不采用容量較高的子方陣。為保證系統(tǒng)的供電安全性，建議選擇主變壓器多個子系統(tǒng)的安裝方案。各子方陣容量如表2 所示。

表2 子方陣容量及箱變分配表

為降低成本，增加經(jīng)濟(jì)效益，在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)人員必須慎重選擇電壓等級，避免資源浪費(fèi)。目前市場上常見的分布式光伏發(fā)電站配置主要有三種：小型光伏電站所選擇并入的配電網(wǎng)一般是低壓電網(wǎng)（0.4 kV），中型光伏電站所選擇并入的配電網(wǎng)一般是中壓電網(wǎng)（10～35 kV），而大型光伏發(fā)電站所選擇并入的配電網(wǎng)級別一般高于110 kV。設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合所在電網(wǎng)實(shí)際情況，秉承保證運(yùn)行質(zhì)量、提升經(jīng)濟(jì)效益的原則，合理選擇并網(wǎng)電壓等級，若高低兩種等級的電壓都與光伏電站匹配，則首選為低電壓并網(wǎng)方式，既能最大限度保障光伏電站發(fā)電系統(tǒng)的工作效率，又能充分降低經(jīng)濟(jì)成本。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

該分布式光伏發(fā)電200 kW 并網(wǎng)電站實(shí)際投資情況如表3 所示。

表3 200 kW 光伏電站投資成本

假設(shè)光伏系統(tǒng)發(fā)電效率為80%，則該單位年發(fā)電量為209 484 kW·h。隨著設(shè)備使用時(shí)間的增加，設(shè)備會有一定程度折損，若將光伏電池組件質(zhì)量按生命周期內(nèi)總折的20%進(jìn)行計(jì)算，25 a（光伏設(shè)備的使用總壽命）內(nèi)總發(fā)電量為41 890 000 kW·h。

依據(jù)當(dāng)前的實(shí)際使用情況，該單位5：00—17：00時(shí)段電價(jià)為1.2 元/（kW·h），按照光伏系統(tǒng)年衰減幅度為0.4%計(jì)算，只需2 年就可收回投資成本，如表4所示。此后服務(wù)期間，可有效節(jié)省電費(fèi)，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

表4 200 kW 光伏電站經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

4 結(jié)語

文章介紹了光伏電站系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理，探討了光伏電站電氣系統(tǒng)的接入方案設(shè)計(jì)、電氣主接線設(shè)計(jì)、光伏電池、光伏電站濾波器、光伏電站逆變器和主變壓器等電氣設(shè)備的選型等的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)，從根本上保證分布式光伏電站總體運(yùn)行質(zhì)量，在提高用電體驗(yàn)的同時(shí)，也提高了光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益。