分布式光伏發電系統電氣設計與分析

張 昊

（廣東電網有限責任公司河源供電局，廣東 河源 517000）

0 引 言

隨著市場經濟的不斷發展，能源利用和經濟平衡發展成為重要議題。在發電系統管控體系中，利用分布式光伏發電模式在優化發電效能的同時減少資源浪費，打造更加貼合可持續戰略需求的行業運行模式。

1 分布式光伏發電系統概述

1.1 內 涵

分布式光伏發電系統是借助光伏組件打造更加合理的應用控制模式，從而將太陽能轉換為電能的分布式電源系統。一般而言，分布式光伏發電系統會設置在用戶場地的附近，其運行形式主要是用戶側自發、自用，剩余電量應用在上網方面，實現配電系統調節平衡的目標。秉承“就近發電、就近并網、就近轉換使用”的處理原則，能更好地解決電能遠距離傳輸造成的電能損耗問題，提升資源利用率[1]。分布式光伏發電系統結構如圖1所示。

圖1 分布式光伏發電系統結構

1.2 組 成

分布式光伏發電系統主要包括光伏列陣、逆變器、控制器以及蓄電池。光伏列陣是一系列光伏組件共同組成的系統，也是整個分布式光伏發電系統的核心組成。分布式光伏發電系統主要是將太陽能轉變為電能，同時配合蓄電池完成能量的存儲管理。需要注意的是，光伏組件的質量和設備成本決定了整個分布式光伏發電系統的投入與使用效能。為了維持相應工作，在分布式光伏發電系統中配置合理且穩定的逆變器，發揮其逆變作用，將直流電直接輸送到公共電網的交流電應用區域，維持整體應用控制的合理性。

2 分布式光伏發電系統電氣設計方案

在明確分布式光伏發電系統應用要求的基礎上，確保光伏方陣、組件、并網處理等工序都能滿足實際需求，從根本上保障電氣設計的合理性和規范性。

2.1 選型設計

2.1.1 光伏陣列

在分布式光伏發電系統設計過程中，光伏列陣要滿足實際應用標準。對其安裝朝向和角度予以控制，確保接收的太陽輻射能和傾角相匹配。輻射量計算公式為：

式中，S表示水平面上太陽直接輻射量，D表示散射輻射量，α表示正午時分太陽高度角，β表示光伏列陣傾角[2]。

2.1.2 并網逆變器

結合實際情況選擇并網逆變器，不同逆變器對比如表1所示。

表1 并網逆變器對比

并網系統設計中，電池列陣和連接的逆變器要保證功率參數的匹配性。按照“組件標稱功率×組件串聯數×組件并聯數=電池列陣功率”進行容量設計和處理，確保逆變器資源利用最大化。

2.1.3 電氣接線圖

選取“自發自用、余量上網”的應用模式，在家庭用戶配電箱內設置微型斷路器和雙向計算功能的智能電能表，借助空氣開關對接入電網予以控制。增設開斷點，確保其能滿足自動斷開和閉鎖的功能要求。此外，配置雙向計算功能的智能電能表，將其設定為計量關口。若是選取在并網交流配電箱中安裝計量多功能表，則將其作為校核電能表，并且電能表電流電壓回路接線接入低壓側，盡量完成回路處理[3]。電氣接線如圖2所示。

圖2 電氣接線

2.1.4 電纜選型

在分布式光伏發電系統電氣結構設計方案中，需保證電纜結構選型能滿足實際應用需求，匹配規范標準落實具體工作，從而提升系統應用效能，維持良好的節能減排水平。

首先，估算壓降。導線的線徑計算公式為：

式中：I表示導線中通過的最大電流參數；L表示導線回路的長度；r表示導電率，若是銅質導線則為57，若是鋁質導線則為34；U'表示允許的電源壓降。依據計算結果評估絕緣導線載流量，從而結合實際需求選取適配電纜[4]。

其次，計算截面電流。由于金屬導線截面存在最大通過電流，因此在計算電纜壓降的基礎上驗證電纜截面電流是否滿足選型的標準和設計要求，從而完成安全電流評估工作。

最后，確定最終選型。依據電纜絕緣性能、耐熱阻燃性能、敷設方式、規格以及防潮防光效果等完成最終選型工作，確保整體工序滿足設計規范，最大程度上提高整體應用效率[5]。

2.2 具體結構設計

2.2.1 光伏方陣設計

若是按照項目處理形式，分布式光伏發電系統電氣結構主要分為彩鋼屋頂和水泥屋頂兩種模式。彩鋼屋頂選取平鋪的方式完成組件安裝工作，使用規模和使用面積較大。水泥屋頂承載效果較好，配合光伏間距分析和傾斜角度分析完成具體設計方案的調節工作，發電量滿足應用預期，但是存在整體面積使用率較低的問題。

若是光伏組件結構中相應溫度參數出現變化，則開路電壓也會隨之變化，且兩者呈反比例關系，即組件溫度降低，則對應的開路電壓數值升高。若是要求逆變器在較低的溫度環境中持續穩定工作，就要對電池板串聯電壓進行集中管理。與此同時，及時分析當地最低氣溫，保證直流串聯電壓的合理參數范圍，并且在光伏方陣應用中綜合評估每一個組件的基本性能，打造更加匹配的性能參數應用控制模式，最大程度上提高分布式光伏發電系統電氣設計的規范效果。

2.2.2 組件設計

目前較為常見的光伏組件分為單晶硅電池組件、多晶硅電池組件、非晶硅電池組件等，要結合實際情況選取適配的組件來保證整體布局控制的合理性。由于非晶硅電池組件的轉換效率較差，因此一般會選取晶硅組件，在維持穩定性的同時提升轉換效率。在行業全面發展的背景下，轉換工藝也趨于成熟，產品性能較好且使用壽命較長。目前應用最為廣泛的晶體硅組件就是單晶硅組件和多晶硅電池組件，兩者的執行規定一致，需要結合具體情況予以選取[6]。

2.2.3 并網設計

在整個系統中，逆變器是維持DC/AC轉換的關鍵，可以實現相位參數、頻率參數以及電壓參數的實時性調控。通過整合光伏方陣的應用要求，建立跟蹤處理模式，以保證時效控制的最優化。

在并網設計中，要選取適宜的逆變器，依據實際情況匹配集中式逆變器、集散式逆變器或組串式逆變器。集中式逆變器基礎功率參數在100～630 kW，功率器件要選取大電流絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），對應的系統結構則要匹配DC/AC一級電力電子器件，從而維持整體應用的合理性和科學性。為保證應用效果，集中式逆變器的保護等級要在IP20及以上，且室內安裝時一般采用立式安裝的方式。集散式逆變器基礎功率參數約為1000 kW，并且功率器件使用的也是IGBT，系統選取對應的結構模式是DC/DC-BOOST升壓處理機制，配合DC/AC全橋逆變兩級電力電子器件維持應用控制的規范效果。此外，其對應的保護等級為IP20。組串式逆變器實用性較好，組件配置也非常多元，整體組件結構搭配和控制的效果更加靈活多樣。若是在陰雨天氣，這種逆變器的發電時間會延長。此外，組串式逆變器還有質量輕、易于運輸的特點，無需特意配置配電室[7]。

除此之外，在實際設計和處理過程中，電壓等級、輸配電容量等技術參數都要匹配實際應用需求，同時結合光伏電站的電壓等級選取適當的設計模式，保證分布式光伏發電系統電氣并網設計效果的最優化。具體設計見表2。

表2 分布式光伏發電系統電氣并網方式設計

3 實際應用

以廣東易事特光伏并網項目為例，南部物流一期光伏項目利用物流園區4個倉庫屋頂約70 000 m2安裝光伏。項目采取的是“自發自用、余電上網”的分布式發電模式，大大提升了電能的綠色環保價值，整體節能減排效果顯著[8]。在電站建成后，不僅有效緩解了廠區供電壓力，還為地方電網供需工作的進一步優化提供了方向。通過打造系統化電源應用結構，減輕環保壓力，也為地區節能減排、企業可持續發展提供了保障。

4 結 論

總而言之，分布式光伏發電系統電氣設計工作具有重要的實踐意義，是順應國家節能減排要求的重要舉措。依據用電要求完善設計規范，確保關鍵技術分析和設計流程的合理性，從根本上保證電氣設計的實效性價值，為電力系統可持續發展奠定堅實基礎。