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

鄔邦發(fā)

（德京集團(tuán)有限公司，福建 寧德 352100）

0 引言

隨著能源供給方式和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，分布式光伏電站成為可持續(xù)發(fā)展能源的一個(gè)重要形式。電氣設(shè)計(jì)是分布式光伏電站建設(shè)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。對(duì)于電氣設(shè)計(jì)而言，準(zhǔn)確的技術(shù)分析和總結(jié)能夠?yàn)榉植际焦夥娬镜慕ㄔO(shè)提供技術(shù)保障，提高發(fā)電能力和電網(wǎng)并網(wǎng)能力，降低建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本，為可持續(xù)能源的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。然而，目前分布式光伏電站的電氣設(shè)計(jì)技術(shù)和系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)仍存在諸多挑戰(zhàn)和難點(diǎn)，如何有效降低發(fā)電成本、提高電網(wǎng)接入并網(wǎng)功率、保障電站安全運(yùn)行等方面，這些問(wèn)題都須要相關(guān)人員進(jìn)行認(rèn)真思考和深入研究。

1 絕緣協(xié)調(diào)技術(shù)

絕緣協(xié)調(diào)技術(shù)是分布式光伏電站中非常重要的電氣設(shè)計(jì)技術(shù)之一。它是指在電力系統(tǒng)中，保證電氣設(shè)備與電源之間的電氣安全和穩(wěn)定性的一項(xiàng)技術(shù)。在分布式光伏電站的設(shè)計(jì)中，采用絕緣協(xié)調(diào)技術(shù)可以避免電氣設(shè)備之間的相互干擾，提高電氣設(shè)備的使用壽命并保障電站的安全運(yùn)行。

1.1 絕緣電阻檢測(cè)

絕緣電阻檢測(cè)是檢測(cè)電氣設(shè)備絕緣狀況的一種方法。在分布式光伏電站的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行定期的絕緣電阻檢測(cè)，確定各電氣設(shè)備的絕緣狀況是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。如果絕緣電阻過(guò)低，可能導(dǎo)致電氣設(shè)備產(chǎn)生漏電現(xiàn)象，影響電站的安全運(yùn)行。因此，絕緣電阻檢測(cè)對(duì)于保證電氣設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行和電站的安全至關(guān)重要。

1.2 電纜的協(xié)調(diào)

電纜的協(xié)調(diào)是指電纜之間的絕緣層應(yīng)該能夠相互協(xié)調(diào)，相互之間均不發(fā)生電暈、放電和擊穿現(xiàn)象。為此，須要采用正確的電纜絕緣材料，且在電纜敷設(shè)時(shí)注意絕緣間距。電線電纜敷設(shè)時(shí)，絕緣間距的大小直接影響到電線電纜之間的耗電量和電氣設(shè)備的使用壽命[1]。

1.3 開(kāi)關(guān)設(shè)備的協(xié)調(diào)

在分布式光伏電站的設(shè)計(jì)中，采用正確的開(kāi)關(guān)設(shè)備對(duì)于保障電站的電氣安全和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。開(kāi)關(guān)設(shè)備應(yīng)當(dāng)在極短的時(shí)間內(nèi)斷開(kāi)電路并且不會(huì)發(fā)生電暈、放電和擊穿現(xiàn)象，避免電氣設(shè)備損壞和人身安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，在分布式光伏電站的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)選擇耐壓性能好、操作可靠的開(kāi)關(guān)設(shè)備，并進(jìn)行必要的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。

1.4 保護(hù)裝置協(xié)調(diào)

保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備，對(duì)于保障電站的安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。在分布式光伏電站的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的保護(hù)裝置，并進(jìn)行無(wú)誤操作的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，確保保護(hù)裝置能夠在故障發(fā)生時(shí)及時(shí)地保護(hù)電氣設(shè)備和工作人員的安全。絕緣協(xié)調(diào)技術(shù)在分布式光伏電站的電氣設(shè)計(jì)中扮演著重要的角色。它可以幫助電氣工程師設(shè)計(jì)出安全可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的電站。同時(shí)，在日常維護(hù)中，也要注重保持各電氣設(shè)備的絕緣狀況和切實(shí)維護(hù)電站的安全。

2 并網(wǎng)保護(hù)技術(shù)

光伏電站的并網(wǎng)保護(hù)技術(shù)涉及多個(gè)方面，須要在設(shè)計(jì)之初充分考慮各種電氣隱患和電力質(zhì)量問(wèn)題，合理地配置保護(hù)措施，從而確保電站的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 反孤島

反孤島分析是指在電網(wǎng)停電或故障時(shí)，確保電站立即斷開(kāi)與電網(wǎng)的并聯(lián)，避免電站形成“孤島”，從而保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。反孤島分析技術(shù)的實(shí)施須要利用先進(jìn)的電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括電壓、電流、功率、頻率等參數(shù)的測(cè)量和記錄設(shè)備。借助這些設(shè)備，可以對(duì)電網(wǎng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)識(shí)別出電網(wǎng)停電、故障等異常情況。當(dāng)電站檢測(cè)到異常時(shí)，它必須立即啟動(dòng)反孤島分析技術(shù)，自主斷開(kāi)與電網(wǎng)的并聯(lián)，避免形成“孤島”，以確保電站的穩(wěn)定運(yùn)行，并從根本上保障電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全。

2.2 防孤島

在光伏電站設(shè)計(jì)中，為了確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性，在并網(wǎng)保護(hù)技術(shù)中須要采用防孤島分析技術(shù)。防孤島分析技術(shù)可以有效避免因電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致的孤島現(xiàn)象，使得電網(wǎng)保持穩(wěn)定狀態(tài)。在防孤島分析技術(shù)中，須要對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行模擬和仿真，確定孤島現(xiàn)象的可能性和危險(xiǎn)程度，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

2.3 故障解列裝置

故障解列裝置是光伏電站設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其作用是在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)快速切斷故障電路，保護(hù)發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行。故障解列裝置包括故障檢測(cè)、位置定位、決策分析和切斷電路等功能。在故障解列裝置的設(shè)計(jì)中須要考慮多種故障模式和可能的故障類型，并根據(jù)不同的故障類型采取不同的保護(hù)策略。同時(shí)，還須要考慮裝置的速度和可靠性，以確保在故障發(fā)生時(shí)能夠快速響應(yīng)和切斷故障電路，避免電網(wǎng)更大范圍的損失[2]。基于并網(wǎng)保護(hù)技術(shù)的運(yùn)用解決的故障類型如表1所示。

表1 并網(wǎng)保護(hù)技術(shù)故障檢測(cè)與處理表

3 電纜布線設(shè)計(jì)技術(shù)

分布式光伏電站建設(shè)中，電纜布線設(shè)計(jì)是非常重要的一環(huán)。電纜布線不僅關(guān)系到電站發(fā)電效率和安全性，還關(guān)系到電站的維護(hù)難度和成本。因此，了解電纜布線設(shè)計(jì)技術(shù)是很有必要的。電纜選型是電纜布線設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。在選型時(shí)，應(yīng)首先考慮電纜的電壓等級(jí)、截面積和材料等因素。電纜的電壓等級(jí)要符合電站的負(fù)荷電壓要求，電纜截面積要滿足電流載荷要求，電纜材料要耐高溫，耐磨損、防腐、防水等性能。

3.1 布線方案設(shè)計(jì)

根據(jù)電站的實(shí)際情況，布線方案設(shè)計(jì)包括電纜搭配、布線路線、電纜敷設(shè)方式等。電纜的搭配根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定，例如將直流電纜和交流電纜分離，避免串?dāng)_和干擾。布線路線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到電纜長(zhǎng)度、電纜徑路的多少和長(zhǎng)度等因素。電纜敷設(shè)方式包括架空敷設(shè)、電纜槽道敷設(shè)等多種方式，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

3.2 保護(hù)措施

在電纜布線設(shè)計(jì)中，保護(hù)措施也是非常重要的。保護(hù)措施包括電纜的保護(hù)措施和人員的保護(hù)措施。電纜的保護(hù)措施包括電纜護(hù)套和絕緣層的保護(hù)，防止電纜受到機(jī)械損壞和化學(xué)腐蝕。人員保護(hù)措施包括將電纜埋入地下、設(shè)置防護(hù)欄桿和安裝標(biāo)志等。

3.3 節(jié)能措施

在電纜布線設(shè)計(jì)中，節(jié)能措施也是一個(gè)重要的方面。節(jié)能措施可以減少電線電纜的損耗和浪費(fèi)，進(jìn)而提高電站的發(fā)電效率。節(jié)能措施包括增加電流密度、減小電纜長(zhǎng)度、增加絕緣層厚度和選用低能耗的電線電纜等?？梢?jiàn)，電纜布線設(shè)計(jì)是分布式光伏電站建設(shè)中不可缺少的環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。應(yīng)選用合適的電纜材料、設(shè)計(jì)合理的布線方案、加強(qiáng)保護(hù)措施和采用節(jié)能措施，為電站的發(fā)電效率和安全性提供保障。

4 變壓器設(shè)計(jì)

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，分布式光伏電站越來(lái)越受到人們的關(guān)注。在分布式光伏電站的設(shè)計(jì)中，變壓器起著至關(guān)重要的作用，設(shè)計(jì)合理的變壓器能夠有效地提高光伏電站的發(fā)電效率和電網(wǎng)連接的穩(wěn)定性[3]。分布式光伏電站是通過(guò)多個(gè)光伏組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，然后通過(guò)變壓器進(jìn)行電壓升降后接入電網(wǎng)進(jìn)行供電。變壓器具有電壓升降、電能傳輸、功率轉(zhuǎn)換等功能，是將發(fā)電電壓升高到電網(wǎng)運(yùn)行電壓或?qū)㈦娋W(wǎng)運(yùn)行電壓降低到負(fù)載電壓的必要設(shè)備。同時(shí)，變壓器能夠?qū)⒔涣麟姷碾妷汉碗娏鬟M(jìn)行調(diào)整，以滿足不同電力需求。

溫度控制。變壓器的散熱效果對(duì)于其發(fā)揮性能至關(guān)重要。在分布式光伏電站設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)光伏發(fā)電機(jī)組的功率、運(yùn)行環(huán)境、負(fù)載情況等因素，選擇合適的變壓器型號(hào)和容量，并合理規(guī)劃變壓器的散熱設(shè)置，以確保其正常工作。

電流控制。在光伏發(fā)電過(guò)程中，由于其電壓和電流的波動(dòng)可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成影響，因此須要通過(guò)變壓器進(jìn)行電流的調(diào)節(jié)，使光伏電站電流輸出穩(wěn)定。同時(shí)，變壓器也能夠?qū)崿F(xiàn)電力傳輸效率的提升。

5 逆變器設(shè)計(jì)

隨著分布式光伏電站的逐漸流行，逆變器在其中扮演著一個(gè)重要的角色。逆變器主要是將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，以滿足電網(wǎng)對(duì)電能的要求。因此，逆變器的設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于分布式光伏電站的性能和效率具有至關(guān)重要的影響。通過(guò)分析分布式光伏電站中的逆變器設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用，從而更好地理解逆變器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

5.1 MPPT 技術(shù)

MPPT 技術(shù)是逆變器中的關(guān)鍵技術(shù)之一。MPPT是最大功率點(diǎn)追蹤的縮寫(xiě)，可以實(shí)現(xiàn)在不同光照條件下，光伏電池板系統(tǒng)輸出功率的最大化。因此，逆變器須要具備良好的MPPT 技術(shù)，才能最大限度地提升光伏電站的能量利用效率[4]。

5.2 效率提升技術(shù)

逆變器的效率直接決定了光伏電站的效率。因此，逆變器設(shè)計(jì)中必須注重如何提升其效率。目前，主要的提升技術(shù)包括光伏電流注入、反通斷續(xù)技術(shù)、封閉式換流技術(shù)等。這些技術(shù)的應(yīng)用都能有效提升逆變器的效率，進(jìn)而提高光伏電站的總體效率。

5.3 基于多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

隨著科技的發(fā)展，多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在逆變器設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中大大減少了逆變器中電子器件的壓力，有助于提高電子器件的壽命和穩(wěn)定性，進(jìn)而提高逆變器的總體性能。因此，逆變器設(shè)計(jì)中的多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是一個(gè)重要的技術(shù)。

5.4 多種保護(hù)措施的應(yīng)用

逆變器在安全性方面也是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。因此，在逆變器設(shè)計(jì)中有必要考慮多種保護(hù)措施的應(yīng)用。目前，主要的保護(hù)措施包括具備防孤島保護(hù)、低電壓穿越、直流反接保護(hù)、交流短路保護(hù)、漏電流保護(hù)、電網(wǎng)監(jiān)控、直流開(kāi)關(guān)、組串監(jiān)測(cè)、浪涌保護(hù)等基本功能。這些保護(hù)措施能有效提高逆變器在使用過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性。一定程度而言，逆變器設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于分布式光伏電站性能和效率的影響非常重要。在逆變器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注重MPPT 技術(shù)、效率提升技術(shù)、多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用和保護(hù)措施的應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，以達(dá)到提高逆變器性能和光伏電站總體效率的目的。

6 支架設(shè)計(jì)技術(shù)

光伏電站是一種利用太陽(yáng)能發(fā)電的設(shè)施，它通常由大量的光伏組件組成。在設(shè)計(jì)分布式光伏電站時(shí)，支架設(shè)計(jì)技術(shù)是非常重要的一環(huán)。在光伏電站中，常用的支架類型包括固定支架、傾斜支架和可調(diào)式電動(dòng)支架。具體選擇哪種支架類型須要根據(jù)光伏電站的具體情況來(lái)決定[5]。

地形地貌：地形地貌是光伏電站支架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之一，須要根據(jù)所在地的地形地貌進(jìn)行定位，并根據(jù)地勢(shì)高低設(shè)計(jì)支架高度。

風(fēng)荷載和雪荷載：設(shè)計(jì)支架時(shí)須要考慮所在地的風(fēng)荷載和雪荷載，以確定支架的材料和結(jié)構(gòu)，確保支架在強(qiáng)風(fēng)和大雪氣候下的穩(wěn)定性。

太陽(yáng)能利用率：支架的高度和傾斜角度會(huì)影響太陽(yáng)能的利用率，須要根據(jù)光伏電站的布置和所在地的光照情況進(jìn)行調(diào)整，確保光伏組件能夠最大化地吸收太陽(yáng)能。

設(shè)計(jì)約束：支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)須要滿足一系列的設(shè)計(jì)約束條件，如安全性、可靠性、耐久性等，同時(shí)還須要考慮施工、運(yùn)輸和維護(hù)等因素。

在實(shí)際的光伏電站設(shè)計(jì)中，支架設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛。例如，在山區(qū)光伏電站的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師須要考慮山區(qū)復(fù)雜的地形地貌和氣候條件，選擇合適的支架類型和材料，確保電站的穩(wěn)定性和安全性。在屋頂光伏電站的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師須要根據(jù)屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)和風(fēng)荷載，選擇合適的支架類型和固定方式，確保支架與屋頂?shù)倪B接牢固可靠。在荒漠地區(qū)光伏電站的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師須要考慮沙塵暴和高溫炎熱的環(huán)境，選擇合適的支架材料和防塵措施，以確保光伏電站的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

7 結(jié)束語(yǔ)

分布式光伏電站電氣設(shè)計(jì)涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，要求設(shè)計(jì)者具備跨學(xué)科的知識(shí)背景和對(duì)電氣設(shè)計(jì)技術(shù)的深刻理解。本文從絕緣協(xié)調(diào)技術(shù)、并網(wǎng)保護(hù)技術(shù)、電纜布線設(shè)計(jì)技術(shù)等角度出發(fā)，分析了電氣設(shè)計(jì)中的技術(shù)的具體運(yùn)用情況，為分布式光伏電站的電氣設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考和實(shí)踐指導(dǎo)。不可忽視的是，電氣設(shè)計(jì)是分布式光伏電站建設(shè)中極為重要的一環(huán)，其合理性和可靠性直接決定著分布式光伏電站的電能轉(zhuǎn)換效率、發(fā)電量、安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。未來(lái)，隨著分布式光伏電站規(guī)模的不斷擴(kuò)大和技術(shù)的不斷創(chuàng)新，電氣設(shè)計(jì)技術(shù)也將不斷發(fā)展和優(yōu)化，提高電站的效益和可持續(xù)性，為推進(jìn)可持續(xù)能源發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。