光伏電站電氣設備選擇分析

國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司 黃立波 劉麗敏

1 光伏電站電氣設備選擇背景

隨著社會不斷發展，生產生活的電能需求量的猛增，而我國當前電力資源分布不均勻，許多偏遠地區不具備集中式發電的條件，依靠架空線纜進行電力資源的遠距離傳輸，此種方式不僅造成了電力資源的浪費，也越來越難以滿足社會的快速發展。且傳統的集中式發電無法根據外界電力負荷的變化而實時改變，合理供應，為克服用電負荷不能靈活切換而引起的電力運轉成本增加，提高電力資源的利用率，多采用分布式光伏電站，且建設數量迅速攀升。

但目前我國光伏發電技術仍處于發展階段，在光伏電站設計階段，設計人員由于缺乏經驗，未能充分掌握光伏電站設計、安裝時要注意的陷阱，容易在光伏系統安裝時出現紕漏，最終造成光伏電站設備運行故障[1]。此外，組成光伏發電站的電氣設備部件均是精密度要求較高的材料，作業人員在設備及材料型號選擇時，一旦存在失誤或者是在備品備件存放時未履行監管職責，都會導致電氣設備部件質量達不到要求，進而造成光伏電站設備故障的頻繁發生。

為確保光伏電站的運行質量，相關部門必須加大光伏系統各設備部件的質量檢查力度，避免次品的設備部件進入光伏現場，對未來生產造成故障隱患。在采用各設備組成零部件時，謹遵國家相關部門質量要求，對光伏組件、匯流箱、交直流逆變器、配電箱以及雙向電表等關鍵電氣設備進行功能測試，并出具相應的質量檢測報告，后期，公司也可以根據使用記錄，做好電氣設備部件質量跟蹤工作，與信用較佳的部件廠家建立永久合作關系。

2 光伏電站系統的構成及工作原理

光伏電站系統主要由光伏組件、匯流箱、交直流逆變器、配電箱、雙向電表、監控控制系統、安裝支架等組成[2]，其工作原理為：光伏電池采用串聯或并聯方式，以一定的角度在光伏支架上進行設計安裝，組成光伏陣列，盡可能地吸收太陽量，并將太陽量轉化為直流電，經匯流箱后進入逆變器，在逆變器中逆變為交流電后，輸送到主電網中。雙向電表可以對系統的實際發電、用電情況進行跟蹤記錄、顯示儲存等，實現輸入主電網電力量的統計[3]。

3 光伏電站電氣設備選擇

3.1 光伏電池選型

目前市場上流行的光伏電池主要有兩種，一是薄膜電池，該類電池價格便宜、成本低廉，環境適應性強，能夠與多種建筑物及場景搭配使用，唯一的缺點是轉化效率不高。另一種廣泛應用的是晶硅電池，該技術在國內已經非常成熟，安全性好、熱穩定性強、易于維護、壽命長，且能量轉化率較高，因此占據了大部分的光伏電池市場[4]。

在環境溫度正常情況下，晶硅電池工作功率輸出在160～280W，從輸出功率、用電成本等角度出發，目前選擇較多的是280W 的多晶硅電池，280W多晶硅電池性能參數詳見表1。此外，對于光伏電站而言，光伏電池安裝支架的選取也至關重要，常見的光伏電池支架一般有固定式安裝支架、傾斜單軸式、雙軸式安裝支架等。

表1 280W 多晶硅電池性能參數

傾斜單軸式形式的安裝支架能夠在實際工況中充分保障發電系統的安全可靠運行，但其支架安裝所占空間較大，性價比總體較低。而雙軸式形式的安裝支架能夠較好地對太陽能進行位置跟蹤，但該類支架的建設成本高，維檢修技術水平要求較高。固定式安裝支架在實際安裝過程中將傾斜的角度設置為固定值，因此能夠一定程度上減少安裝所占面積，易于維護管理。

3.2 光伏電池傾斜角度選擇

分布式光伏電池支架的傾斜角度對于發電系統的發電效率影響不一。購置好安裝支架后，還需要著重考慮光伏電池固定支架安裝傾斜角度這一重要因素，只有這樣，才能提高發電效率，進而保證發電系統的總發電量。不同支架傾斜角度太陽光照輻射量詳見表2。

表2 不同支架傾斜角度太陽光照輻射量（單位：mJ/m2）

由表中可以看出，當光伏發電系統支架安裝的傾斜角度為25°時，太陽光的能量達到最大值，全年每平方米太陽能能量高達6312MJ，能夠較好地利用太陽光照能量。只有保證傾斜角度在合理范圍內，才能提高發電效率，進而保證光伏電站的發電效率。

3.3 光伏電站濾波器選擇

為提高光伏電站運行質量，保護光伏系統中各設備部件不受電磁干擾，需對光伏電站并網接入系統的濾波器進行設計，在光伏電站接入系統中，由于外界環境影響，輔助逆變器、開關電源工作頻率等都會引起諧波電流，對光伏電站接入系統運行造成一定影響。據調查，濾波器大致包含L 型、LC 型和LCL 型三種，三者之間差異較大，各自具有不同特點，需要根據光伏發電現場的實際工況進行合理的選型。如果光伏電站接入系統的發電量較低，可以選擇第一種濾波器或者第二種濾波器；如果光伏發電接入系統的發電量較高，則需要選擇第三種濾波器。對于前兩種濾波器而言，其采購價格較高且濾波效果不太理想，不利于整個光伏電站接入系統及主供電電網的平穩可靠運行。

3.4 光伏電站逆變器選擇

逆變器是整個分布式光伏電站接入系統設計當中最為關鍵的備件，可以對不同電壓進行逆變，提高電網需要的電壓值，對于分布式光伏電站并網系統的電能質量有著至關重要的影響。對于逆變器部件的選用，需要統籌考慮其容量、工作電壓、工作電流、諧波電流及輸出功率等環節的技術要求，按照分布式光伏電站并網系統的實際情況進行逆變器的采買。

當逆變器遇見不并網故障時，經常發生在與電網未正確連接的情況下，主要排查方法為：排查交流開關是否閉合，若閉合，則查看連接逆變器輸出口的線纜是否松動并采用數字式萬用表對此處電壓進行測量，若無松動但電壓數值較小，幾乎接近于0V，則說明此處線纜存在斷點；若無松動且電壓數值在110～220V 區間，說明此處線路無問題，則進行下一步排查，檢查逆變器輸出口與電網的連接處是否存在虛接或脫落現象。有電檢查過程中，要穿戴好防護用品，切勿用手直接接觸電線及端子排，避免觸電現象發生。

為了充分保障分布式光伏電站的運行質量，提高作業效率，要合理選擇分布式光伏電站電網接入點的電壓，一般情況下，分布式光伏電站接入點額定電壓范圍是89%～115%。所以，需要通過交直流逆變器來對接入電網的電壓進行相應調節及控制[5]。同時，根據分布式光伏發電系統在實際生活中的應用情況，電網的頻率需要恒定在49.5～50.5Hz，運行過程中，一旦超出該頻率區間，立即切換到逆變器運行模式。

3.5 主變壓器選擇

以西北某光伏電站為例，對主變壓器選擇進行說明。該項目基于11個村級電站用電總容量，對子方陣容量進行科學配置，由于該項目所處地域內地下有很多光纜及水溝，將該地段劃分為分散的很多區域，為了較好適應于此地段不規則的地形，實現地形空間的利用最大化，避免電力資源浪費。所以，選用1.2MW、1.45MW、1.8MW、2.2MW 光伏電站子方陣。

考慮到逆變器的輸出電壓值較小，倘若光伏電站的矩陣選取的功率較高，導致升壓變壓器單側工作電流過大，從而造成線路能量損失較大，增加了設備選型的難度，故不采用容量較高的子方陣，為保證系統的供電安全性，建議選擇主變壓器多個子系統的安裝方案。子方陣容量及箱變分配表詳見表3。

表3 子方陣容量及箱變分配表

為了充分保障光伏電站電氣設備選型時的工作質量，避免人員麻痹大意造成的設備選型錯誤，還要積極落實生產責任制，明確各級工作人員的工作職責，利用上下級管理關系，形成萬一設備選型或運輸存儲過程中發生事故，便可逐級匯報，逐一落實，并將具體的責任量化，追究到個人。從管理上加強對光伏電站電氣設備選型的精準把控，嚴格保證每一步工作質量及工作進度，提高設備選型工作效率。

4 結語

本文首先介紹了光伏電站電氣設備的選擇背景，然后在分析光伏電站系統的構成及工作原理的基礎上探討了光伏電站系統光伏電池、光伏電站濾波器、光伏電站逆變器、主變壓器等電氣設備的選型，通過對主要設備的科學選型，大幅度降低了因電氣設備部件質量達不到要求而造成光伏電站設備故障的發生頻率。根本上保證分布式光伏電站總體運行質量，提高人們用電體驗的同時也促進電力企業的健康發展。