湖南省安化地區某200 MW光伏電站設計分析

摘要：隨著經濟快速發展，電力短缺成為制約區域發展的關鍵因素。在湖南省益陽市安化地區，隨著黑茶產業的興起，茶廠電力需求與日俱增。以安化地區的某200 MW光伏電站為例，結合當地太陽能資源狀況，根據地形、交通和土地利用類型等條件，光伏電站設計時采用分區域發電、集中并網的結構方案；根據光伏電站的總成本、光伏支架的可靠性及后期運維等因素確定了光伏支架類型，并采用PVsyst軟件確定光伏組件最佳安裝傾角；通過相關理論計算得出光伏陣列間距和串聯的光伏組件數量，再確認逆變器類型。建成的光伏電站預計每年可為電網提供發電量18341萬kWh，相當于節約標煤5.52萬t;該項目可顯著減少大氣污染物排放，具有明顯的社會效益和環境效益。

關鍵詞：光伏組件；光伏電站；光伏支架；經濟效益；環境效益

中圖分類號：TM615文獻標志碼：A

0引言

隨著經濟社會的快速發展，電力短缺已成為制約區域發展的關鍵因素1。為緩解這一問題，推動可再生能源發電技術的應用，已成為一種迫切需要2。光伏發電作為一種重要的可再生能源利用形式，其在改善電力短缺方面顯示出了巨大潛力[3]。

由于湖南省益陽市安化地區的地形以山地為主，加之其黑茶產業發展迅速，導致當地電力短缺問題日益凸顯。根據全年太陽輻射量的監測數據，該地區年太陽輻射量為4056.9 MJ/m2，各月水平太陽輻射量在206.5～538.4 MJ/m2之間波動，整體呈現夏季（7—8月）最多、春秋次之、冬季（12—次年1月）最少的季節性分布特點I3。根據評估，該地區的太陽能資源等級被評定為C類（豐富），太陽能資源穩定度等級則為B類（穩定），表明該地區具有較好的太陽能開發潛力。

通過對安化地區的太陽能資源監測和實地調研，該地區具備建設光伏電站的優越條件。本文以安化地區某200 MW光伏電站為例，從光伏支架選型、光伏組件安裝傾角與選型等方面對該光伏電站進行設計，且該光伏電站的設計將充分考慮當地的太陽輻照特性，并優化配置以實現最大的發電效率和經濟效益。

1光伏電站介紹

該光伏電站位于湖南省益陽市安化縣的南部區域，距離安化縣城區的直線距離為41.119km，占地面積約為4350畝（1畝≈667 m2）;總裝機容量為200 MW，直流側容量為199.13 MW，交流側容量為149.05 MW。該光伏電站的場地分布較為分散，共包括6個場區，場區東側有S322省道通過，場區內有X044縣道穿過。此外，場區各區域均有鄉道連接，確保了項目在建設和運營期間的物資運輸。整個光伏電站的中心地理坐標為28°7'47”N、111°31'2”E。該光伏電站所在地的土地利用類型主要為園地、灌木林地及坑塘水面。本光伏電站位置圖如圖1所示。

2光伏電站的整體設計

在光伏電站設計階段，通過軟件結合項目地的經緯度和太陽能資源，計算出最佳容配比為1.3：1.0。由于光伏電站各場區分布零散，占地面積直接影響裝機容量，進而影響變壓器的配置；另外，為適應周邊7條集電線路，本項目采取將零散但相對靠近的光伏陣列線路集中至1條集電線路上的策略。結合安化地區太陽能資源的分布特點及地理位置等因素，本項目的設計重點在于光伏陣列布置與逆變器配置及二者優化。

基于上述考慮，本項目最終采用分區域發電、集中并網的結構方案。該光伏電站被劃分為5個容量為5.21456 MW的光伏陣列、37個容量為4.23683 MW的光伏陣列和5個容量為3.25910MW的光伏陣列。光伏陣列產生的電能首先通過直流柜匯集，然后通過組串式逆變器（無需交流匯流箱）將直流電轉換為交流電；隨后通過升壓系統將交流電壓從800V升至35 kV;然后通過7回35 kV集電線路電纜將光伏電力匯集至220 kV升壓站，并最終輸送至電網。光伏電站結構示意圖如2所示。

2.1光伏組件選型

綜合考慮光伏電站周圍的施工條件、交通運輸便利性、太陽能資源狀況和自然環境狀況[4，確定光伏組件類型為具有抗電勢誘導衰減（PID）性能的545 W單晶硅光伏組件。該類型光伏組件為目前行業內主導產品5，具有光電轉換效率高、穩定性強的優勢。

2.2光伏陣列設計

2.2.1光伏支架選型和光伏組件安裝傾角設計

在光伏電站設計中，光伏支架類型對光伏組件接收的太陽輻照量的多少具有決定性作用，進而決定光伏組件的發電量[6-71。目前，光伏支架的類型主要包括固定式和自動跟蹤式兩種。其中：固定式光伏支架可分為固定傾角式和傾角可調式這兩種；自動跟蹤式光伏支架可分為水平單軸跟蹤式、斜單軸跟蹤式和雙軸跟蹤式這3種。通過市場調研，得到不同光伏支架的經濟技術指標，如表1所示（以1 MW光伏組件裝機容量計算）。表中：總發電量以光伏組件采用固定傾角式光伏支架時的發電量為基準。

由表1中知：自動跟蹤式光伏支架造價及總成本偏高，占地面積較大。由于光伏支架的造價在工程造價中占比較高，且從光伏電站運行角度來看，因采用自動跟蹤式光伏支架提高的光伏組件發電量所帶來的經濟收益與其造價相比優勢不明顯8，傾角可調式光伏支架由于操作困難，大多處于閑置狀態。綜合考慮該光伏電站的成本、光伏支架的可靠性及后期運維等因素，本光伏電站采用固定傾角式光伏支架，其實物圖如圖3所示。

基于Klein模型得到的斜面上接收的太陽輻射總量H的計算式為：

式中：H為地面反射輻射量；Hat為天空散射輻射量，Ht為直接太陽輻射量。

在特定區域，水平面上的散射和直接太陽輻射量已知后，式（1）可改寫為以傾斜面上傾角β為以自變量的函數：

通過式（2），可以計算出不同傾角下斜面的太陽總輻射量，并根據項目實際建設條件進行優化分析，確定光伏組件最佳安裝傾角。通過前期監測到的安化地區太陽輻照數據，并借助PVsyst軟件進行光伏組件表面各月平均太陽輻射量的模擬計算，依此得到光伏組件最佳安裝傾角及方位角如圖4所示。

由圖4可以看出：當光伏組件方位角為0°（朝正南方向），安裝傾角為17°時，相對光電轉化系數接近1，說明此光伏組件接收到的全年太陽總輻射量最大。因此，本項目光伏組件最佳安裝傾角為17°。

2.2.2光伏組串設計

光伏組串上串聯的光伏組件數量主要由裝機容量、所選逆變器型號和光伏組件參數決定，應遵循以下原則：1）在運行環境下，逆變器的最大功率點跟蹤（MPPT）電壓的最小值應小于光伏組串的最小工作電壓。同時光逆變器MPPT電壓最大值應大于光伏組串的最大工作電壓；2）逆變器允許的最大直流輸入電壓應大于光伏組串的最大開路電壓。在滿足設計要求的條件下，增加光伏組串中串聯的光伏組件數量，可以減少光伏支架和電纜耗材量I？]。

光伏組件串聯數量計算式為：

式中：Vpm為光伏組件工作電壓，V;V。為光伏組件開路電壓，V;Vdmax為逆變器允許最大直流輸入電壓，V;K、為光伏組件工作電壓溫度系數；K、為光伏組件開路電壓溫度系數；Vmmn和Vmmx分別為逆變器MPPT電壓最小值和最大值，V;t'和t分別為光伏組件在工況極限條件下的最高和最低溫度，℃;N為串聯的光伏組件數量。

本光伏電站擬選用250 kW組串式逆變器，逆變器MPPT電壓的取值范圍為500～1500 V。設定在標準測試條件（STC）下光伏組件的工作電壓為41.80 V、開路電壓為49.65 V。光伏電站所在地歷年最高氣溫為42.1℃、最低氣溫為-10.8℃，以光伏組件開路電壓的溫度系數取-0.25%/℃，代替計算得到串聯的光伏組件數量應在12～27塊之間，最終選擇26塊。

2.2.3光伏陣列間距設計

根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》，冬至日當天真太陽時9：00～15：00光伏組件四周互不遮擋時確定光伏陣列前、后排間距D的計算公式為：

式中：a為光伏組件安裝傾角；φ為當地緯度；L為光伏組件傾斜面長度。光伏陣列間距示意圖如圖5所示。

根據式（4）計算得出，在本光伏電站中，當光伏陣列前、后排間距大于6.662 m、光伏組件傾斜面長度為4.576 m時，才能保證冬至日9：00～15：00時間段內光伏組件間互不遮擋。綜合考慮避免陰影遮擋、土地利用率及施工運維的便利性等因素，確定光伏陣列前、后排間距為6.8m。

2.3逆變器設計

在光伏電站中，逆變器可以將光伏組件產生的直流電轉換為交流電1，其類型的選擇對于整個光伏電站的性能和發電效率至關重要。目前市場上主要的逆變器有3類：集中式逆變器、集散式逆變器、組串式逆變器[10]。組串式逆變器因具有多路MPPT功能，能更有效地管理光伏組串失配問題，且具有較小的單臺容量，功率等級通常在50～250 kW，設計上較為靈活，因此本項目采用組串式逆變器。該組串式逆變器電路結構框圖如圖6所示。圖中：EMI為電磁干擾；PE為保護地；L？、L？、L？分別代表線路中的3個相線。

3減排與節能效益分析

光伏發電是將太陽能直接轉變為電能的過程[1，與傳統的化石燃料發電相比，光伏發電過程中不涉及燃燒過程，因此不會產生噪音污染，也不會污染空氣等。光伏發電系統的節能效益主要體現在其運行過程中不需要消耗任何不可再生能源[12]，環境效益主要體現在光伏發電系統安裝完成后，除了維護和必要的清潔工作外，幾乎不需要額外的能源輸入。本光伏電站總裝機容量為199.13101 MW，建成后，預計其平均每年可為電網提供18341萬kWh的清潔電能，相當于每年節約標煤5.52萬t。與燃煤電廠相比，本光伏電站可顯著減少環境污染物的排放，具體的污染物減少量可通過預估計算得出，如表2所示。

4結論

本文對安化地區某裝機容量為200 MW的光伏電站進行了設計分析。基于所在地的地形特點、交通便利性、土地利用類型及太陽能資源狀況，確定光伏電站采用分區域發電、集中并網的結構方案，光伏支架類型選用固定傾角式光伏支架，光伏組件為具有抗PID性能的單晶硅光伏組件，并采用PVsyst軟件確定光伏組件最佳安裝傾角，每串光伏組串共26塊光伏組件；選用組串式逆變器。研究結果顯示：建成后的光伏電站預計每年將為電網提供電量18341萬kWh，相當于節約標煤5.52萬t;與燃煤電廠相比，可顯著減少環境污染物的排放。該項目具有明顯的社會效益及環境效益，可為國家節能減排貢獻力量。

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DESIGNANALYSIS OF 200 MW PV POWER STATION INANHUAAREA，HUNAN PROVINCE

Cai Hui1，Zhu Qunqiang2，Zhang Yuzhou3，Li Feilong？

（1.Venture New Power Survey and Design Co.，Ltd.，Changsha 410000，China;

2.Hunan Labor And Human Resources Vocational College，Changsha 410137，China;

3.Hunan Guozhiyun Technology Co.，Ltd.，Changsha 410000，China;

4.Guangzhou Mingde Power Technology Co.，Ltd，Guangzhou 510540，China）

Abstract：With the rapid development of the economy，the shortage of electricity has become a key factorrestricting regional development.In the Anhua area of Yiyang city，Hunanprovince，the rise of the dark teaindustry has led to an increasing demand for power by tea factories.This paper takes the 200 MW PV powerstation in the Anhua area as an example，and based on the local solar resource conditions，a block powergeneration and centralized grid-connected structure plan for the PV power station is adopted according to theterrain，transportation，and land use types.The type of PV bracket is determined based on the initial investmentcost of the PV power station，the reliability of the PV bracket，and the later maintenance factors，andtheoptimal installation angle of the PV modules is determined using PVsyst software.The spacing of front and backPV arrays and number in one PV string of PV modules are calculated through relevant theoretical calculations，and then the type of inverter is confirmed.The constructed PV power station is expected to provide an annualpower generation of 18341 million kWh to the power grid，equivalent to saving 55200 t of standard coal.Theproject can significantly reduce the emission of atmospheric pollutants and has obvious social and environmentalbenefits.

Keywords：PVmodules;PV power station;PVbracket;economicbenefits;environmental benefits