四川德昌阿月太陽能光伏發電系統工程總體方案設計

王 俊， 張 事 坤， 趙 越

(1.國電大渡河新能源投資有限公司，四川 成都 610041；2.中水顧問集團貴陽勘測設計研究院，貴州 貴陽 550081)

四川省德昌縣位于四川省西南部，縣城附近常年平均氣溫為18 ℃，全年日照總輻射5 600 MJ/m2，常年日照數為2 147.4 h，全年日照百分率為51%～68%，平均每天日照4.2～8.7 h，是四川省太陽輻射富集地區之一。該縣緊鄰G5高速公路，交通便利，電網完善，較為適合開發太陽能光伏發電項目。本工程總裝機容量為10 MWp，采用分塊發電、集中并網方案。

1 太陽能電池組件的選擇

1.1 太陽能電池類型的選擇

目前，太陽能電池的種類主要分為單晶硅電池、多晶硅電池和薄膜電池。由于國內薄膜電池生產廠家較少，規模較小，商業化生產的薄膜電池平均轉換效率較低(約6%左右)；而晶硅電池國內生產廠家多，且晶硅電池平均轉換效率較高(單晶硅電池為16%～20%，多晶硅電池為15%～18%)，故該電站未采用薄膜電池，推薦選用晶硅電池。

晶硅類電池中的單晶硅電池和多晶硅電池最大的差別是單晶硅電池的光電轉化效率略高于多晶硅電池，但單晶硅電池造價相對較高，故該電站選擇采用多晶硅太陽能電池。

1.2 多晶硅太陽能電池選型

由于本工程系統裝機容量為10 MWp，組件用量多，占地面積大，組件安裝量大，故設計優先選用單位面積功率大的電池組件，以減少占地面積，降低組件安裝量。采用不同規格多晶硅電池組件組成10 MWp電池方陣的組件用量比較情況見表1。

表1 不同規格多晶硅電池組件組成的10 MWp電池方陣組件數量比較表

由表1的比較情況可以看出：采用230 Wp組件和280 Wp組件組成10 MWp光伏陣列所使用的組件數量均較少。組件數量少意味著組件間連接點少，施工進度快且故障幾率減少，接觸電阻小，線纜用量少，系統整體損耗相應降低。

另外，通過市場調查得知，國內主流廠商生產的多晶硅太陽能組件規格以200 Wp到280 Wp之間居多。在綜合考慮組件效率、技術成熟性、市場占有率以及工程投資等因素后，本工程推薦選用多晶硅太陽能組件規格為280 Wp。

2 電池陣列的運行方式設計

2.1 電池陣列的運行方式分類

在光伏發電系統的設計中，光伏組件陣列的運行方式對發電系統接收到的太陽總輻射量有很大的影響，從而影響到光伏發電系統的發電能力。光伏組件的運行方式分為固定式、傾角季度調節式和自動跟蹤式三種型式，其中自動跟蹤式又分單軸跟蹤式和雙軸跟蹤式。

2.2 電池陣列運行方式的比較

根據對已建工程進行調研得到的數據，若采用單軸跟蹤方式，系統的實際發電量可提高約18%；若采用雙軸跟蹤方式，系統的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光伏陣列采用三種運行方式進行比較后的情況見表2。

表2 1 MWp 陣列各種運行方式比較表

經對固定式和跟蹤式兩種運行方式進行初步比較，考慮到本工程規模較大，固定式初始投資較低且支架系統基本免維護，而自動跟蹤式雖然能增加一定的發電量，但初始投資相對較高且后期運行過程中維護工作量較大，運行費用亦相對較高，根據以上綜合分析，本工程推薦選用固定式運行方式。

3 逆變器的選擇

本工程系統容量為10 MWp，從工程運行及維護考慮，選用容量大的逆變設備，可在一定程度上降低投資并提高系統的可靠性；但逆變器容量過大，則在一臺逆變器發生故障時，將造成發電系統損失發電量過大。因此，本工程推薦選用容量為500 kW的逆變器，逆變器型號為SG500 KTL。該類型并網逆變器采用專用DSP控制芯片，主電路采用IGBT模塊組裝，運用電流控制型PWM有源逆變技術，可靠性高，保護功能齊全且具有電網側高功率因數正弦波電流、無諧波污染供電等特點。

4 太陽能電池陣列的設計

4.1 太陽能電池陣列最佳傾角及方位角的確定

對于固定式陣列的并網光伏發電系統，應選擇光伏組件陣列最佳傾角，使傾斜面上的輻射總量達到最大，從而達到光伏電站年發電量最大的目標。

一般情況下，太陽能并網發電系統的方陣傾角一般等于當地緯度的絕對值，該傾角通常可使全年在方陣表面上的太陽輻射能達到最大，適于全年工作系統使用。本項目中固定安裝系統的方陣傾角經過RETScreen能源模——光伏項目軟件優化，并綜合考慮節約用地的原則，本次采用固定的太陽能支架方陣傾角為28°。

固定的太陽能支架方位角是指輸入垂直照射到方陣表面上的光線在水平地面上的投影與當地子午線間的夾角，一般將正南方向定為零點，故太陽能陣列的方位角為0°。

4.2 太陽能電池陣列子方陣的設計

4.2.1 太陽能電池組件的串、并聯設計

太陽能電池組件串聯的數量由逆變器的最高輸入電壓和最低工作電壓以及太陽能電池組件允許的最大系統電壓決定。太陽能電池組串的并聯數量由逆變器的額定容量確定。

本工程所選500 kW逆變器的最高允許輸入電壓Vdcmax為880 V，輸入電壓MPPT的工作范圍為450～820 V。280 Wp多晶硅太陽能電池組件的開路電壓Voc為44.8 V，最佳工作點電壓Vmp為35.2 V，開路電壓溫度系數為-0.33%/K。電池組件串聯數量計算公式：

INT(Vdcmin/Vmp)≤N≤INT(V/Voc)

式中Vdcmax為逆變器輸入直流側最大電壓；Vdcmin為逆變器輸入直流側最小電壓；Voc為電池組件開路電壓；Vmp為電池組件最佳工作電壓；N為電池組件串聯數。

經計算，多晶硅串聯光伏電池數量N為：15≤N≤18。根據逆變器最佳輸入電壓以及電池板工作環境等因素進行修正后，最終確定的太陽能電池組件的串聯數為16(串)。按上述最佳太陽能電池組件串聯數計算，多晶硅電池每一路組件串聯的額定功率容量=280 Wp×16=4 480 Wp；多晶硅電池計算并聯的最大路數N=5 500/4.48=122(路)。考慮到逆變器的額定容量為500 kW，本次取每個逆變器并聯112路。

4.2.2 太陽能電池組串單元的排列方式

一個太陽能電池組串單元中太陽能電池組件的排列方式有多種。但是，為了接線簡單，線纜用量少，施工復雜程度低，在工程計算的基礎上，對多晶硅電池的排列進行了分析。

經過綜合分析，將1組多晶硅太陽能電池組串(每串16塊)每塊橫向放置，排成4行4列。為減少風壓，組件與組件之間留有間距為30 mm的空隙。太陽能電池組串單元排列方案見圖1。

圖1 太陽能電池組串排列圖

4.2.3 太陽能電池陣列行間距的計算

太陽能陣列必須考慮前、后排的陰影遮擋問題，并通過計算確定陣列間的距離或太陽能電池陣列與建筑物的距離。一般的確定原則：冬至日當天早晨9∶00至下午15∶00(真太陽時)的時間段內，太陽能電池陣列不應被遮擋。計算公式如下：

光伏陣列間距或可能遮擋物與陣列底邊的垂直距離應不小于D：

D= cosA×H/ tan [sin-1(sinφsinδ +cosφcosδcosh) ]

式中D為遮擋物與陣列的間距，m；H為遮擋物與可能被遮擋組件底邊的高度差，m；φ為當地緯度，deg；A為太陽方位角，deg；δ為太陽赤緯角，deg；h為時角，deg。

經計算后得到：本工程電池陣列行間最小距離為7 m。

4.2.4 逆變器室的布置

本工程采用10個1 MWp多晶硅電池方陣，280 Wp多晶硅電池板總數量為35 840塊，光伏發電系統總容量=35 840×0.23 kWP=10 035.2 kWp。采用每座逆變器室裝設2臺500 kW逆變器、2面直流配電柜，逆變器室位于2個500 kWp發電單元的中間，15個電池組串(部分為14個電池組串)經一個匯流箱匯流接至逆變器上，10 MWp多晶硅電池方陣共需要10座逆變器室，以達到節約土建投資的目的。

5 太陽能電池陣列匯流箱的設計

本工程1 MWp多晶硅電池方陣的并聯路數為224，需設置20路匯流箱13或14個，整個10 MWp的電池陣列需要20路匯流箱135個。太陽能電池組串按單元接入防雷匯流箱并經電纜接入直流配電柜，然后經并網逆變器逆變成0.27 V交流電源接入箱式變電站。兩路交流電源經1臺1 000 kVA雙分裂變升壓至35 kV，然后再通過光伏電站升壓站內的主變壓器升壓至35 kV送至電網。

6 結 語

綜上所述，通過對該項目進行系統工程總體設計并經過分析優化，從而使該項目總體設計方案更加科學合理，項目經濟效益和社會效益將得到進一步提高。該項目如成功實施，將給四川地區太陽能開發利用起到示范效果。