分布式光伏系統關鍵技術研究

劉軍 廖寶文

（1 中國水利水電第四工程局有限公司 青海西寧 810000 2 中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

近年來，中國碳減排［1-3］方面的決心和成果有目共睹。2020年9 月，我國向世界鄭重承諾力爭在2030 年前實現碳達峰，努力爭取在2060 年前實現碳中和。光伏發電作為全球低碳轉型中性價比最高的能源形式之一。隨著能源轉型，光伏迎來了新的機遇。

光伏系統按其種類可以分為集中式光伏與分布式光伏。集中式光伏一般構建在荒蕪地區。主要是閑置且太陽光照資源豐富的區域，光伏能源比較集中，通過并入高電壓等級電網輸送至遠方供電區域。分布式光伏一般分散布置于建筑物的屋面，多采取自發自用、余電上網的工作形式就近消納。由于分布式光伏的靈活應用形式，其市場的范圍與規模逐步擴大，本研究重點針對分布式光伏展開關鍵技術研究。

在光伏電站［4-10］的開發建設中，關鍵技術方案選擇可以稱之為核心工作，直接影響著整個光伏電站的建設，并且與經濟效益掛鉤。本文對分布式光伏系統的關鍵技術進行了研究，對分布式光伏系統的踏勘、主要設備比選、陣列選型、接入方案進行了歸納總結，系統闡述了光伏系統技術方案選擇的全過程，優化分布式光伏的技術方案，從而提高光伏系統的總體經濟效益。

1 前期技術踏勘

分布式光伏電站屋面建筑分為兩種：水泥混凝土與鋼結構的彩鋼瓦屋面。水泥混凝土屋面分為上人屋面與不上人屋面，技術方案確定前，需進行屋面的恒荷載計算。在水泥混凝土屋頂踏勘中，需收集屋頂的詳細資料，以及屋頂的規劃用途，并做好屋頂的環境勘察工作，包括屋頂的障礙物、風速以及各種季節的氣候變化。依據各種技術參數，確定分布式光伏系統的布置位置和光伏組件的最佳傾角。彩鋼瓦是由薄金屬板包括泡沫制成的一種結構，一般裝在鋼結構的建筑物上。現場踏勘需了解彩鋼瓦的使用壽命、厚度、腐蝕情況、截面形狀、變形程度及對應的位置，根據彩鋼瓦種類的不同，可以分為直立鎖邊型、角馳型以及梯型彩鋼瓦。一般新建的彩鋼瓦屋面是沒有考慮光伏組件的荷載，因此需對彩鋼瓦屋面的荷載分析計算。傳統的方法需要借助專門的工具將光伏組件安裝在彩鋼瓦屋面上，才能避免對屋頂整體結構的破壞。彩鋼瓦屋面光伏組件若采用平鋪的方式，雖抗風性能好，但會損失發電效率；若選擇傾角鋪設，雖提高發電效率，但同等面積規模減少、抗風性能差，且需增加支架造價。

分布式光伏電站前期踏勘應根據實際情況進行分析，綜合考慮建筑年限、屋面結構、彩鋼瓦銹蝕情況、接入點位置、建筑廠區設計圖紙、規劃用途、負荷消納能力等，對光伏系統技術方案選擇提供重要依據。

2 主要設備技術選型

在分布式光伏系統中，重點器件主要包括光伏組件與光伏逆變器。硅材料是光伏組件的重要基礎原料，分類有單晶硅、多晶硅、非晶硅，光伏組件的選擇直接關系到光伏系統的發電量。光伏逆變器主要將光伏組件輸出的直流電逆變為負荷所需的交流電，且確保系統輸出電壓與頻率的穩定。下文對以上設備的技術選型進行介紹。

（1）常用的太陽能組件。當前市場上主要運用的晶體硅光伏組件［11］是單晶硅、多晶硅、非晶硅組件，多晶硅組件片效率大約在14%～16%，單晶硅組件片效率大約在16%～18%。非晶硅光伏組件的成本低，便于大量生產，但其轉化效率較低，一般在5%～9%，且其轉換效率會隨著光照時間而衰退。表1 為常用的晶體硅光伏組件技術性能對比。

表1 晶體硅光伏組件技術性能對比

當前光伏項目普遍使用的是單晶硅組件，雖然制作成本較高，但光電轉換效率高，可靠性強，采用鋼化玻璃與防水樹脂封裝堅固耐用，設備壽命通常可達15 a 甚至25 a。

（2）光伏逆變器。逆變器按光伏組件組合類型可以分為：組串式逆變器與集中式逆變器，見圖1。集中式逆變器［12］功率在100 kW 到2 500 kW 之間，體積較大。集中式光伏逆變器直流電氣線路較長，具有較高的系統集成度，但存在單點故障現象，僅用單一的系統控制各個功率饋電與功率轉換模塊。組串式逆變器功率在1 kW 到80 kW，便于維護，靈活性強，最大程度增加了發電量，且光伏組件配置靈活。

圖1 逆變器光伏電站方案

組串式逆變器與集中式逆變器存在各自的優劣點，需綜合光伏電站的運行狀況與經濟性進行比選，光伏組件布置分散和小規模的光伏系統推薦選擇組串式，大規模的推薦選擇集中式，選擇合適的逆變器類型，實現良好的光伏發電運行效果。

3 電氣技術方案

3.1 光伏陣列的運行方式分類

光伏系統方陣支架的類型有固定支架和跟蹤系統。光伏跟蹤器可分為“單軸跟蹤”“雙軸跟蹤”等類型。各種運行方式最本質的區別在于各自的發電量不同，也會關系到系統的初始投資和運行成本。相同裝機規模支架投資與占地，雙軸跟蹤器>單軸跟蹤器>固定式安裝。

固定式安裝：按最佳傾斜角度將組件固定到地面上，前后組件以不遮擋為宜。

單軸跟蹤器：只能進行一種跟蹤，或方位角，或高度角。

雙軸跟蹤器：通過旋轉兩個軸跟蹤太陽入射角的變化，其方陣保持與太陽光垂直，既能跟蹤方位角也能跟蹤高度角。

3.2 光伏組串技術選型

計算串聯光伏組件數量時，需要了解組件與逆變器參數，綜合考慮式（1）～（2）計算結果合理選取。

式中：Vdcmax為逆變器輸入直流側最大電壓；VOC、Vpm為光伏組件開路電壓與工作電壓；Vmpptmax、Vmpptmin逆變器MPPT 電壓最大值與最小值；t、t′為光伏組件工作條件下的極限低溫與極限高溫，kV、kV’為光伏組件開路電壓與工作電壓溫度系數，N 為電池組件串聯數（N 向下取整數）。

在計算串聯光伏組件數量時，不僅要考慮光伏方陣的合理排列，也要考慮在合理組件串聯數下滿足逆變器的工作需求。光伏方陣與逆變器之間的容量配比應綜合考慮技術性與經濟性，通常情況下一類太陽能資源地區不宜超過1.2，二類太陽能資源地區不宜超過1.4，三類太陽能資源地區不宜超過1.8。

3.3 陣列間距計算

光伏陣列［13］須避免陣列之間的相互遮陰，更好地采集光能發電，一般的確定原則是：冬至日當天早晨9∶00 至下午15∶00 的時間段內，光伏組件不應被遮擋。設置光伏陣列間距需要考慮方陣方位角、太陽方位角與高度角、光伏組件長度以及光伏陣列傾斜角，其示意圖見圖2。

圖2 光伏方陣陣列間距示意圖

表2 陣列各種運行方式技術性能對比

應用PVsyst 軟件可計算出不同坡度對應的前后排中心間距，布置時可結合現場情況適度調整南北向間距。

3.4 接入技術方案

分布式光伏接入系統的典型技術方案包括電力電量平衡、并網電壓等級選擇、接入電網方案、潮流計算、短路電流計算、無功補償裝置、電能質量等。50 MW 及以下光伏裝機規模系統接入電壓等級選擇見表3。

表3 電源并網電壓等級參考表

光伏接入電網或用戶配電房的電壓等級需考慮用戶的消納能力與周邊電網接入條件，經過技術經濟比選后選擇合適的接入方案，且光伏輸送的電能質量應符合要求，同時需合理設置無功補償裝置，降低對電網電能質量影響。

4 結論

在政策引導和市場需求雙輪驅動下，我國光伏產業快速發展，分布式光伏具有規模小、實用性高等特點，實用前景廣闊。本文對分布式光伏關鍵技術方案選擇全過程進行了分析，介紹了光伏組件、逆變器、陣列計算與布置等方面的選擇方法和技術方案，以實現光伏發電量最大化、投資成本最小化，不僅保證分布式光伏電站應用的可靠性，同時提高光伏項目的內部收益率，對促進清潔能源的推廣具有重要借鑒意義。