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

［摘 要］隨著能源需求的不斷增長和環(huán)境保護(hù)意識的提高，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一種清潔、可再生的能源利用方式受到越來越多的關(guān)注。然而，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，提高發(fā)電效率和系統(tǒng)可靠性，是當(dāng)前亟待解決的問題。在此背景下，文章探索了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從光伏方陣布置和系統(tǒng)低壓側(cè)系統(tǒng)配置兩個(gè)方面入手，提高系統(tǒng)整體性能和經(jīng)濟(jì)效益。

［關(guān)鍵詞］分布式；光伏發(fā)電；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；光伏方陣布置；系統(tǒng)低壓側(cè)系統(tǒng)配置

［中圖分類號］TM615 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0039–03

1 光伏方陣布置

1.1 障礙避讓計(jì)算

利用高精度三維建模和地理信息系統(tǒng)（GIS）進(jìn)行障礙避讓計(jì)算，這一方法通過構(gòu)建光伏電站的三維模型，結(jié)合GIS 技術(shù)，能精確識別出地形、地貌、建筑物等潛在障礙物，并計(jì)算出對光伏方陣產(chǎn)生的陰影遮擋范圍和時(shí)長。通過這種方式，可在設(shè)計(jì)階段就精確避開障礙物，優(yōu)化光伏方陣的布置，確保光伏組件始終處于最佳接收太陽輻射的位置，其具有高度的精確性和可視化，能夠直觀地看到光伏方陣的布局效果，做出更加科學(xué)合理的決策。

采用動(dòng)態(tài)陰影分析技術(shù)進(jìn)行障礙避讓計(jì)算，該方法基于太陽位置的變化和障礙物的高度、形狀等信息，實(shí)時(shí)計(jì)算陰影遮擋的范圍和時(shí)長，并據(jù)此調(diào)整光伏方陣的布置。該動(dòng)態(tài)分析技術(shù)可考慮到一天中太陽位置的變化以及不同季節(jié)太陽高度角的變化，確保光伏方陣在不同時(shí)段都能最大化地接收到太陽輻射。此外，動(dòng)態(tài)陰影分析技術(shù)還可以考慮風(fēng)速、風(fēng)向等氣象因素，進(jìn)一步提高障礙避讓計(jì)算的準(zhǔn)確性，其具有較高的實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境條件，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 光伏方陣布置間距

在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對于平鋪安裝的光伏組件發(fā)電系統(tǒng)而言，其設(shè)計(jì)相對直接，需要充分考慮到光伏組件周圍的障礙物，確保這些障礙物不會(huì)遮擋到光伏組件接收陽光，這是保證發(fā)電效率的基礎(chǔ)。根據(jù)光伏組件的組串設(shè)計(jì)，必須留置合理的檢修通道，以便在日后的維護(hù)工作中能夠便捷地進(jìn)行檢查和維修。

然而，對于以固定傾角安裝的光伏組件而言，設(shè)計(jì)過程則更加復(fù)雜和精細(xì)。由于光伏組件的安裝傾角是固定的，因此，必須根據(jù)屋面的坡度和建筑的方位角進(jìn)行精確的計(jì)算。這種情況下，光伏方陣的間距計(jì)算公式需要進(jìn)一步優(yōu)化，確保光伏組件之間既不會(huì)相互遮擋，又能充分利用屋面空間。

在確定光伏方陣布置間距時(shí)，需根據(jù)光伏組件的規(guī)格和性能確定方陣的基本間距，該間距必須足夠大，確保在一天中任何時(shí)刻，光伏組件都不會(huì)相互遮擋，最大限度接收太陽輻射，同時(shí)，該間距也不能過大，免浪費(fèi)土地資源。在實(shí)際操作中，可通過模擬軟件，輸入光伏組件的規(guī)格、性能參數(shù)以及當(dāng)?shù)氐奶栞椛鋽?shù)據(jù)，計(jì)算出理論上的最佳方陣間距，間距既保證了光伏組件的充分采光，又充分利用了土地資源，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的雙贏。還需考慮地形、地貌以及建筑布局等因素對方陣間距的影響，在地形起伏較大的地區(qū)，根據(jù)地形走勢適當(dāng)調(diào)整方陣間距，確保光伏組件始終處于最佳采光角度。在建筑密集的區(qū)域，則需要考慮建筑高度、朝向等因素對方陣間距的影響，避免建筑物對光伏組件產(chǎn)生遮擋。此外，還需要考慮當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向、風(fēng)速等氣象條件，確保方陣間距的設(shè)計(jì)能夠抵抗強(qiáng)風(fēng)等極端天氣的影響，保證光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。光伏方陣間距計(jì)算示例見表1。

由表1 中的數(shù)據(jù)可以清晰地看出，建筑屋頂上安裝的光伏方陣間距受建筑方位和屋面坡度的影響極為顯著，這種影響不容忽視，因?yàn)槠渲苯雨P(guān)系到光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率和整體性能。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，必須充分考慮這些因素，確保光伏方陣能夠最大限度地接收太陽輻射，實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)電效率。以我國南方某屋頂光伏發(fā)電工程為例，該工程在設(shè)計(jì)過程中未能充分考慮建筑屋面排水坡度對方陣間距及安裝傾角的影響，從而導(dǎo)致，南坡光伏陣列與北坡光伏陣列之間的發(fā)電效率差異高達(dá)15%。這一數(shù)據(jù)直觀地反映了忽視建筑方位和屋面坡度影響所帶來的后果。在光伏方陣的布置過程中，應(yīng)充分考慮建筑的方位和屋面坡度，通過精確計(jì)算和模擬分析，確定合理的方陣間距和安裝傾角，這樣不僅可確保光伏系統(tǒng)的高效運(yùn)行，還可以降低后期維護(hù)成本，提高整體經(jīng)濟(jì)效益，也符合可持續(xù)發(fā)展的理念，有助于推動(dòng)綠色能源的發(fā)展和應(yīng)用。

1.3 光伏組件排列方式的選擇

安裝于建筑頂面的光伏發(fā)電系統(tǒng)高度相較于地面電站更為顯著，因此，承受的風(fēng)載荷也呈現(xiàn)出較大差異，為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，光伏組件支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化顯得尤為關(guān)鍵，光伏陣列的布置高度不宜過高，避免因風(fēng)力作用而帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，常見的光伏陣列布置形式包括單排豎向布置和雙排橫向布置，根據(jù)GB50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于陰影遮擋避讓的要求可知，在一天中的特定時(shí)間段（如9 ：00 前和15 ：00 后），光伏方陣的前排和后排之間難以避免地會(huì)存在遮擋現(xiàn)象。

基于對光伏組件發(fā)電效率與布置方式之間關(guān)系的深入研究，通過對比不同布置方式下的發(fā)電效率數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)橫向布置能夠更好地利用太陽輻射，減少陰影遮擋對發(fā)電量的影響。屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏組件布置方案對比見表2。此外，由于經(jīng)串聯(lián)接線的光伏組件與單塊光伏組件在電氣特性上具有相似性，橫向布置方式也更便于系統(tǒng)的集成和維護(hù)。

2 系統(tǒng)低壓側(cè)系統(tǒng)配置

2.1 光伏組件串聯(lián)接線

在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，組件串的布置和連接方式對于整個(gè)系統(tǒng)的效率和成本有著顯著的影響。圖1 展示了一字形組件串聯(lián)接線方案，該方案簡單直接，但在某些布局中，可能會(huì)因直流匯流箱或組串逆變器的位置而導(dǎo)致出線電纜長度較長，增加了系統(tǒng)的成本和維護(hù)難度。圖2 所示的U 形組件串聯(lián)接線方案則允許根據(jù)直流匯流箱或組串逆變器的實(shí)際布置位置，靈活調(diào)整U 形的開口方向。無論直流匯流箱或組串逆變器布置在組件串的哪一側(cè)，U 形接線方案都能有效縮短出線電纜的長度。這種優(yōu)勢在實(shí)際應(yīng)用中尤為顯著。通過減少電纜長度，不僅可降低系統(tǒng)成本，還能減少能量在電纜傳輸過程中的損失，提高系統(tǒng)的整體效率。在條件允許情況下，優(yōu)先選擇U 形接線方案，并根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整其開口方向，以實(shí)現(xiàn)出線電纜長度的最小化，優(yōu)化系統(tǒng)的效率和成本。

當(dāng)光伏方陣中出現(xiàn)前后排遮擋的情況時(shí)，組件串的性能會(huì)受到顯著影響。由于組件串的布置形式為U形，前后排遮擋對兩個(gè)組件串的影響相似，意味著兩者的輸出功率都會(huì)降低，但其輸出特性將保持一致，這種一致性使系統(tǒng)能夠更穩(wěn)定地運(yùn)行，減少了因遮擋造成的性能波動(dòng)。一字形串聯(lián)接線方案受到的遮擋影響范圍可能會(huì)有所不同，導(dǎo)致兩組件串的輸出功率和電壓存在差異，進(jìn)而可能引發(fā)一系列問題。為了避免這種情況，需要在直流匯流箱內(nèi)配置防反二極管，其作用是防止不同組件串之間出現(xiàn)環(huán)流和倒灌現(xiàn)象，從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在選擇使用組串式逆變器時(shí)，還需特別注意將不同電氣特性的組件串接入不同的MPPT（最大功率點(diǎn)追蹤）單元，這是因?yàn)镸PPT單元能夠根據(jù)不同組件串的特性調(diào)整其工作參數(shù)，從而確保每個(gè)組件串都能達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。由于二極管在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，因此，需要在匯流箱的安裝場所設(shè)置必要的遮陽措施，并注意通風(fēng)降溫，確保二極管在適宜的溫度下工作，提高其使用壽命和穩(wěn)定性，避免因過熱而導(dǎo)致系統(tǒng)故障或性能下降。

2.2 光伏組件及逆變器選型

采用一字形組串接線方案，通過合理布局和規(guī)劃，最大限度地減少因遮擋造成的性能損失。同時(shí)，配合組串逆變器的使用，將具有相同電氣性能的組件串接入逆變器的相同路MPPT 單元，MPPT 單元能夠根據(jù)每路組件串的特性進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整，確保其都在最佳的工作狀態(tài)下運(yùn)行。然而，僅依靠合理的組串接線方案還不足以應(yīng)對所有挑戰(zhàn)，特別是在多雨潮濕的地區(qū)夏季高溫環(huán)境下，光伏組件極易產(chǎn)生PID（電位誘發(fā)衰減）效應(yīng)。PID 效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光伏組件的性能下降，進(jìn)而影響到整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率。而采用抗PID 的材料和工藝、優(yōu)化組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，可從源頭上降低PID 效應(yīng)的發(fā)生概率。光伏組件還需要通過相關(guān)的測試認(rèn)證，確保其具備足夠的抗PID 能力。在逆變器端，應(yīng)配置相應(yīng)的抗PID 功能，通過檢測光伏組件的電壓和電流變化，預(yù)測PID 效應(yīng)的發(fā)生，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行干預(yù)。例如，當(dāng)檢測到PID 效應(yīng)的跡象時(shí)，逆變器可自動(dòng)調(diào)整其工作參數(shù)以減少對組件的影響，或通過向組件發(fā)送反向電流消除積累的電荷，阻止PID效應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)展。

這種雙重保護(hù)機(jī)制能夠顯著降低PID 效應(yīng)對系統(tǒng)發(fā)電效率的影響：一方面，通過選擇具有抗PID 能力的光伏組件和逆變器，可從源頭上減少PID 效應(yīng)的發(fā)生；另一方面，當(dāng)PID 效應(yīng)不可避免地發(fā)生時(shí)，通過逆變器的抗PID 功能，可及時(shí)采取措施進(jìn)行干預(yù)，將損失降到最低。此外，為了確保分布式光伏發(fā)電站的長期穩(wěn)定運(yùn)行，還需加強(qiáng)系統(tǒng)的監(jiān)測和維護(hù)工作，通過定期巡檢、數(shù)據(jù)采集和分析等手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問題和隱患，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，對組串接線方案、逆變器參數(shù)等進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，從而不斷提升系統(tǒng)的發(fā)電效率和可靠性。

3 結(jié)束語

在光伏方陣布置方面，科學(xué)的障礙避讓計(jì)算和光伏方陣布置間距選擇，可最大化光伏板的接收太陽能效率。在系統(tǒng)低壓側(cè)系統(tǒng)配置方面，合理選擇光伏組件串聯(lián)接線方式和光伏組件及逆變器選型，可提高分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低系統(tǒng)故障率和維護(hù)成本。未來，應(yīng)探索更多新技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，不斷提高系統(tǒng)的智能化水平和自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行的更加精準(zhǔn)、高效的管理和控制。

參考文獻(xiàn)

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