大型光伏電站電氣設(shè)計(jì)與分析

喬麗麗

(特變電工沈陽電力勘測設(shè)計(jì)有限公司，沈陽110025)

1 國內(nèi)外光伏發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，國際上對太陽能的利用，無論是理論研究還是應(yīng)用研究都取得了不小的進(jìn)步，各國都將太陽能發(fā)電作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2050年，歐洲能源供給的100%將來自可再生能源，歐洲總電力裝機(jī)將達(dá)到1956 GW，其中PV裝機(jī)將達(dá)到962 GW。美國電力供給的80%將來自可再生能源，其中光伏總裝機(jī)將達(dá)300 GW。到2030年，日本全國一半以上的居民用電都來自太陽能，電力裝機(jī)容量快速增長。在光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展背景下，逆變器的技術(shù)水平也在不斷提升。在太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是最為核心的部件之一，它具有完善的并網(wǎng)保護(hù)功能，對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了積極的促進(jìn)作用。從目前來看，相較于國內(nèi)，國外制造的逆變器效率更高，容量更大。

我國光伏發(fā)電的國內(nèi)市場已被啟動(dòng)，但在實(shí)施過程中卻舉步維艱。由于我國光伏發(fā)電站建設(shè)起步相對較晚，所以逆變器制造技術(shù)過于落后。很多設(shè)計(jì)單位不愿意將大量精力投入到光伏電站的設(shè)計(jì)上，因?yàn)楣夥娬镜耐度氤杀九c利潤不成正比。為了幫助光伏產(chǎn)業(yè)渡過難關(guān)，政府相關(guān)部門應(yīng)建立健全政策支持和管理體系，不斷提高國內(nèi)光伏電站的設(shè)計(jì)水平，將太陽能光伏電池的發(fā)電性能充分發(fā)揮出來，從根本上解決能源消耗問題。

2 太陽能資源

太陽能是世界上最為豐富的永久能源，在能源問題日益凸顯的今天，太陽能光伏發(fā)電作為一種新興的可再生能源而受到廣泛關(guān)注。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是由蓄電池、光伏電池、交直流逆變器、控制器等部件構(gòu)成的。蓄電池用于存儲(chǔ)從光伏電池轉(zhuǎn)換來的電力，光伏電池用于光電轉(zhuǎn)換，交直流逆變器用于交直流轉(zhuǎn)換，最大限度地把光伏電池轉(zhuǎn)換的電能送入電網(wǎng)。控制器用于控制整個(gè)系統(tǒng)的全過程。相較于生物質(zhì)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，光伏發(fā)電沒有噪音，沒有枯竭危險(xiǎn)，安全可靠，絕對干凈。我國是太陽能資源相對豐富的國家，具有利用太陽能進(jìn)行光伏發(fā)電的優(yōu)越條件。按照接受太陽能輻射量的大小，我國大致上可分為以下五類地區(qū)：一類地區(qū)為太陽能資源最豐富地區(qū)，二類地區(qū)為太陽能資源較豐富地區(qū)，三類地區(qū)為太陽能資源中等類型地區(qū)，四類地區(qū)為太陽能資源較差地區(qū)，五類地區(qū)為太陽能資源最少地區(qū)，具體如表1所示。

表1 我國太陽能資源分布表Fig.1 Distribution list of solar energy resources in China

3 主要設(shè)備選擇

光伏電站電氣系統(tǒng)主要包括高壓配電裝置、通信裝置、就地升壓變、無功補(bǔ)償裝置、繼電保護(hù)裝置、站用電裝置、主變壓器、逆變器、低壓配電裝置、匯流箱、集電線路。本研究具體分析光伏組件、逆變器和匯流箱。

光伏組件。由于硅材料成本低，其已成為光伏產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)原材料。太陽能光伏硅材料通常分為以下三種：多晶硅、單晶硅、非晶硅薄膜。被光伏產(chǎn)業(yè)廣泛應(yīng)用的是多晶硅和單晶硅，非晶硅薄膜幾乎處于停滯狀態(tài)。但今后一段時(shí)間，這三類硅材料都將是光伏產(chǎn)業(yè)主要的原材料來源，具體如表2所示。

表2 多晶硅、單晶硅、非晶硅薄膜三類硅材料的太陽能技術(shù)性能Fig.2 Solar energy technical characteristic of three types of silicon material, including polycrystalline silicon, monocrystalline silicon and amorphous silicon membrane

逆變器。作為一種新興的轉(zhuǎn)換器，是太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備。逆變器的效率直接關(guān)系到系統(tǒng)的發(fā)電量。光伏逆變器按運(yùn)行方式可分為光伏并網(wǎng)逆變器和獨(dú)立運(yùn)行的光伏逆變器兩大類。光伏逆變器按系統(tǒng)連接方式可分為微型逆變器、組串型逆變器以及集中型逆變器三大類。光伏逆變器按用途可分為微網(wǎng)儲(chǔ)能逆變器、離網(wǎng)逆變器以及并網(wǎng)逆變器三大類。

匯流箱。作為一種接線裝置，它不僅能夠保證光伏組件有序連接，還能夠保證匯流功能的接線。方陣連接盒包括過壓保護(hù)功能、雷擊保護(hù)功能、多路太陽能方陣并聯(lián)功能以及太陽能電池過載保護(hù)功能。在設(shè)計(jì)選型時(shí)，要重點(diǎn)考慮溫升、顯示功能、安全、通信、浪涌、光伏組串過流保護(hù)、箱體結(jié)構(gòu)、防雷、外殼防護(hù)等級因素。

光伏系統(tǒng)配置。要使光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理，必須充分考慮以下因素：組串設(shè)計(jì)、最佳傾角設(shè)計(jì)、組件性能、影響因素、光伏組件安裝方式、前后排間距計(jì)算。

4 光伏電站電氣設(shè)計(jì)

光伏電站電氣設(shè)計(jì)主要包括地升壓變、光伏電站發(fā)電單元、光伏電站集電線路接線方式以及升壓站主接線方式的連接。合理選擇主接線方案能夠切實(shí)提升電站運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性。由于光伏電站集電線路的造價(jià)比重較大，所以在設(shè)計(jì)光伏電站集電線路時(shí)應(yīng)科學(xué)選擇集電線路電壓等級和發(fā)電單元分組連接方式。電壓等級一般會(huì)選擇10 kV和35 kV。發(fā)電單元分組連接方式一般包括鏈形、環(huán)形、星形。從度電成本看，光伏投資的投資性不高，這在一定程度上阻礙了光伏發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展。應(yīng)在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)對成本進(jìn)行合理控制，提高光伏發(fā)電的市場競爭力。進(jìn)出線回路數(shù)及其接線方式會(huì)隨著各側(cè)所接的系統(tǒng)情況發(fā)生變化。選擇電氣主接線時(shí)，應(yīng)充分考慮操作簡便性、運(yùn)行靈活性、供電可靠性等。光伏逆變器和光伏組件是光伏電站電氣設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)選型設(shè)備，需要認(rèn)真計(jì)算和分析光伏電站主接線方案。