淺談光伏發電的方案設計

張燕妮

（遼寧新創達電力設計研究有限公司，遼寧沈陽 110179）

隨著石油和煤炭的大量開采，不可再生能源的儲量越來越少，能源問題位列世界眾多焦點問題之首。特別是隨著世界經濟的發展、世界人口的劇增和人民生活水平的不斷提高，世界能源需求量持續增大，由此導致能源枯竭、環境污染加重等問題日趨嚴重。我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國之一，燃煤已成為我國大氣污染的主要來源。因此，大力開發太陽能、風能等新能源和可再生能源利用技術，將成為我國在能源領域的工作重點［1］。光伏發電作為太陽能工程體系中的一項重要技術，隨著清潔能源的開發研究也在電力設計領域中發展起來。

1 光伏發電電池陣列單元的選擇

光伏發電系統通過將大量的同規格、同特性的太陽能電池組件，經過若干電池組件串聯成一串以達到逆變器額定輸入電壓，再將這樣的若干串電池板并聯達到系統預定的額定功率。這些設備數量眾多，為了避免它們之間的相互遮擋，須按一定的間距進行布置，構成一個方陣，這個方陣稱之為光伏發電方陣。其中由同規格、同特性的若干太陽能電池組件串聯構成的一個回路是一個基本陣列單元。每個光伏發電方陣由預定功率的電池組件、逆變器和低壓配電室等組成。若干個光伏發電方陣通過電氣系統的連接共同組成一座光伏電站［2］。

目前市場生產和使用的太陽能光伏電池大多數是用晶體硅材料制造的，隨著晶體硅太陽能電池生產能力和建設投資力度的不斷增長，一些大型新建、擴建項目也陸續啟動，同時薄膜太陽能電池項目的建設也不斷擴大，產能也在不斷上升，薄膜電池中非晶硅薄膜電池所占市場份額最大。

2 光伏發電方陣容量的選擇

采用光伏發電方陣布置方式，具有電池板布局整齊美觀，廠區分區明確，設備編號和管理方便，運行和檢修吹掃方便等優點。

擬以每1 MWp容量電池板為一個方陣，共20個方陣，每個方陣相應設置一個逆變小室。單個光伏方陣容量為整個光伏電站5%容量，單個光伏方陣故障或檢修對整個光伏電站的運行影響較小［3］。

如每方陣電池板容量按2 MWp考慮，則2 MWp容量固定安裝電池板布置面積將達到約430 ×300 m2，將配電室布置方陣中部，最長的低壓直流電纜將長到200～350 m，接近低壓輸電經濟長度極限。

故以每1 MWp容量電池板為一個方陣方案具有降低工程造價、便于運行管理、電池板布局整齊美觀等觀點。

3 太陽能光伏方陣單元型式的確定

電池組件串聯組數的確定主要依據其工作電壓、開路電壓、當地溫度和瞬時輻射強度對開路電壓、工作電壓的影響來分析。

電場實際裝機容量為20 304 kWp，太陽能電池組件選型為0.235 kWp多晶硅電池，逆變器容量選用500 kW。

a．電池組件計算參數

組件及線路損耗、塵埃遮擋等電壓損失為4%。

冬季最低環境溫度:－30.1℃，夏季最高環境溫度:39.1℃。

b．電池組件組合計算

計算公式:

N≤Vdcmax/Voc×96%

N≥Vdcmin/Vmp×96%

式中Vdcmax——逆變器MPPT最大輸入電壓（900 V）;

Vdcmin——逆變器MPPT最小輸入電壓（450 V）;

Voc——電池組件開路電壓，V;

Vmp——電池組件最佳工作電壓，V［4］。經計算得出串聯光伏電池數量N:15≤N≤23。考慮到組串端電壓越高，其電路損耗越低，因此選擇20塊組件串聯。

固定陣列布置方式以1 MWp為一個基本發電單元，共20個基本發電單元。每20塊電池組件組成一串，每40塊電池組件組成一面電池板陣。全廠20 MWp需要這種電池板支架數量為4 320/40× 20=2 160套，需要這種電池組件40×2 160= 86 400塊。

4 太陽電池方陣安裝方式的確定

太陽電池方陣的發電量與陽光入射強度有關，當光線與太陽電池方陣平面垂直時發電量最大，隨著入射角的改變，發電量會明顯下降。太陽能跟蹤裝置可以將太陽能板在可用的8 h或更長的時間內保持方陣平面與太陽入射光垂直，將太陽能最大程度轉化為電能［5］。目前國內外一些太陽跟蹤裝置生產廠的產品大致可以分2種，一種為單軸跟蹤，即東西方向轉動跟蹤太陽;另一種為雙軸跟蹤，既有東西向跟蹤，同時太陽能板傾角也隨季節的不同而改變。一般來說，采用自動跟蹤裝置可提高發電量20%～40%［6］。

根據已建工程調研數據，若采用斜單軸跟蹤方式，系統實際發電量可提高約18%，若采用雙軸跟蹤方式，系統實際發電量可提高約25%。在此條件下，以固定安裝式為基準，對1 MWp光伏陣列采用3種運行方式比較如表1所示。

表1 1 MW p電池陣列3種運行方式比較

由表1中數據可見，固定式與自動跟蹤式各有優缺點:固定式初始投資較低，且支架系統基本免維護;自動跟蹤式初始投資較高、需要一定的維護，但發電量較傾角最優固定式相比有較大的提高。若自動跟蹤式支架造價能進一步降低，設備的可靠性和穩定性不斷提高，則其發電量增加的優勢將更加明顯;同時，若能較好解決電池陣列同步性及減少運行維護工具，則自動跟蹤式系統相較固定安裝式系統將更有競爭力。

5 光伏發電站主接線方案

溫都花光伏發電站工程本期光伏電站規模為10 MWp，電壓等級為10 kV。本光伏發電站采用1 MWp為一個子方陣的設計方案，每個1 MWp的子方陣設置1臺升壓變壓器，構成1個并網發電單元，本期光伏電站共有10個并網發電單元。

光伏電站逆變器出口交流輸出電壓為0.27 kV，因此需采用兩級升壓，將逆變器輸出電壓由0.27 kV升壓至66 kV接入系統。由于光伏系統利用小時數較低、并網逆變器功率因數較高（約為1）且有一定的損耗，同時考慮到變壓器具有一定的過載能力，因此升壓變壓器的額定容量按與逆變器容量匹配進行選擇，即升壓變壓器容量選擇1 000 kVA。逆變器與升壓變壓器之間的組合方式可采用1臺1 000 kVA雙圈變壓器接2臺500 kW逆變器或1臺1 000 kVA雙分裂變接2臺500 kW逆變器（本工程采用的為后者）。

根據10 kV電壓等級的經濟輸送容量，本光伏電站采用10 kV集電線路，共10臺1 000 kVA箱式變壓器，經該箱式變壓器升壓到10 kV后，通過電纜集電線路接入電場的66 kV升壓站10 kV母線側。經計算，箱式變壓器與升壓站之間的集電線路采用1根YJV23－8.7/10.3×50 mm2電纜連接。

圖1 電氣主接線圖

光伏組件布置區域內組件布置緊湊，集電線路長度較短，且光伏組件布置區域地勢過渡平緩，場內線路宜采用電纜方式，每2套逆變器配用1臺容量為1 000 kVA的就地升壓變壓器，構成光伏電池逆變器—變壓器組擴大單元接線，就地升壓變壓器選用雙分裂繞組干式變壓器，容量1 000 kVA。光伏電站共由10個1 MWp多晶硅電池方陣組成，每個1 MWp多晶硅電池方陣組成連接2臺500 kW并網逆變器，并通過1臺1 000 kVA雙分裂變升壓至10 kV接入已建66 kV升壓站。圖1為電氣主接線圖。

6 結束語

太陽能發電是清潔、無污染的可再生能源，太陽能光伏發電是將太陽能轉變成電能的過程。在整個運行過程中，不會產生大氣、水、固體廢棄物等方面的污染物，也不會產生大的噪聲污染。從節約煤炭資源和環境保護的角度分析，太陽能電場的建設代替燃煤電場的建設，將大大減少對周圍環境的污染，并起到利用清潔的、天然的可再生資源，節約不可再生的化石能源，減少污染及保護生態環境的作用。具有明顯的社會效益及突出的環境效益，節約煤電的同時也具有良好的經濟效益。今后我國在能源領域的主要任務仍是加快能源工業結構調整步伐，努力提高清潔能源開發生產能力。以光電、風力發電、太陽能熱水器、大型沼氣工程為重點，以“設備國產化、產品標準化、產業規模化、市場規范化”為目標，加快可再生能源開發。隨著光伏電站的相繼開發，在這種趨勢下光伏發電產業將成為又一重點發展產業，它會為地方開辟新的經濟增長點，對拉動地方經濟的發展，加快實現小康社會起到積極的作用。

［1］閆曉虹．“十二五”期間中國將加快發展清潔能源發電［E］．中國新聞網，2011，3，3．

［2］孟懿．太陽能光伏發電的發展［J］．東北電力技術，2010，31（11）:19－21．

［3］張金花．太陽能光伏發電系統容量計算分析［J］．甘肅科技，2009，25（12）:57－60．

［4］GB 50797—2012．光伏發電站設計規范［S］．

［5］張相明，鄧瑋，關煥新，等．光伏發電雙軸自動跟蹤控制系統的設計［J］．東北電力技術，2013，34（3）:48－50．

［6］楊歡軍，姜青海．基于陽光自動跟蹤控制的光伏陣列設計及應用［J］．機電工程技術，2010，39（4）:41－43．