分布式光伏電站電氣設計問題剖析

摘 要：隨著可再生能源的快速發展，分布式光伏電站作為一種清潔、可持續的能源解決方案得到了快速發展。由于光伏發電的特殊性，當前在分布式光伏電站的電氣設計中存在一些設計問題，導致出現設備選型不當、設備材料浪費、發電量減少的情況，嚴重時甚至會造成設備損毀。基于此，對分布式光伏電站在電氣設計過程中常遇見的設計問題進行了深入探討，從光伏組件和逆變器選型匹配、光伏組件的串聯數設計、斷路器選型設計、電涌保護器選型設計、容配比設計、逆變器輸出功率和變壓器容量選型匹配6個關鍵環節進行了剖析，并提出了相應的解決方案。以期對分布式光伏電站電氣設計人員、施工人員的工作有所幫助，有助于進一步提高分布式光伏電站的電氣設計水平，保證電氣設計的安全性和合理性。通過避免這些設計問題，使分布式光伏電站實現更高的經濟性、發電效率和可靠性。

關鍵詞：分布式光伏電站；電氣設計；設備選型；光伏組件；逆變器；解決方案

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著全球能源需求的不斷增長和環境問題的日益突出，可再生能源作為一種清潔、可持續的能源解決方案，受到了廣泛關注。太陽能是一種重要的可再生能源，而分布式光伏發電作為太陽能的一種重要應用形式，具有布局靈活性高、可擴展性強等優勢，已成為全球能源轉型的重要選擇[1-2]。

目前針對光伏電站的電氣設計及施工隱患方面的研究文獻很多，但基本都是研究光伏電站的常規電氣設計選型[3-7]及施工質量控制[8-11]方面，基本無關于電氣設計問題剖析及解決措施的文獻。根據筆者多年的光伏電站設計經驗，分析分布式光伏電站的電氣設計圖紙質量偏低主要原因為以下兩個方面：

1）分布式光伏電站的快速發展及設備的快速更新換代，但與其相關的國家標準、政策等卻無法匹配，造成電氣設計人員無標準可參考，許多方面僅按照常規電力、建筑電氣的標準及工作經驗來進行分布式光伏電站的電氣設計工作，導致產生了諸多問題。

2）現在電氣設計人員的成長遠跟不上分布式光伏電站的發展速度及設備的更新迭代速度，光伏電站的電氣設計人員嚴重短缺。尤其是對于分布式光伏電站而言，相關從業人員認為其電氣設計難度偏低，門檻相對較低，甚至許多分布式光伏電站的電氣設計圖紙由廠家或施工人員根據施工經驗繪制，造成圖紙質量低下，導致光伏電站的發電量和經濟性降低，有的甚至給光伏電站造成嚴重的質量問題。

文獻[12]針對光伏電站質量問題進行了統計，根據統計結果，零部件質量問題占光伏電站質量問題的一半左右，其次是工程質量問題。然而最容易忽略的恰恰就是光伏設備及元器件的選型問題，若選型不正確，元器件質量再好也不可能做到完好運行，因此，控制好光伏電站電氣設計這一環節才是保證光伏電站質量的重中之重。本文在借鑒已有研究的基礎上，結合筆者對于分布式光伏電站多年電氣設計、施工的經驗，從光伏組件（本文分析均為晶體硅光伏組件）和逆變器（本文分析均為組串式逆變器）選型匹配、光伏組件的串聯數設計、斷路器選型設計、電涌保護器選型設計、容配比設計、逆變器輸出功率和變壓器容量選型匹配6個方面對分布式光伏電站的電氣設計問題進行剖析，并提出相應的解決措施。

1" 光伏組件和逆變器的選型匹配

1.1" 電氣設計問題

電氣設計人員在做光伏設備選型設計時，未針對每個分布式光伏電站自身情況來考慮光伏組件和逆變器的選型匹配問題，每臺逆變器最大輸入光伏組串路數均按照廠家提供樣本的最大功率點跟蹤（MPPT）最大輸入光伏組串路數來設計，導致光伏組串的輸出電流和逆變器的輸入電流不適配，造成限流損失。

1.2" 原因分析

隨著目前光伏組件成本的一再降低，分布式光伏電站宜以裝機容量最大作為光伏組件選型的評價指標[13-14]。當前針對分布式光伏電站的光伏組件選型均選用大功率光伏組件，主流光伏組件的硅片尺寸（長×寬）為182 mm×182 mm和210 mm×210 mm（下文分別簡稱為“182型光伏組件”和“210型光伏組件”）。在正常情況下，182型光伏組件的最大功率點輸出電流約為13.9 A，目前市場主流的逆變器可適配；但對于個別品牌的逆變器，光伏組件的最大功率點輸出電流會超過逆變器的最大輸入電流，造成限流損失。210型光伏組件的最大功率點輸出電流約為18.6 A，目前市場主流的逆變器已無法適配，會造成限流損失[15]。主流光伏組件和各主流廠家組串式逆變器的技術參數如表1所示。需要說明的是，本文分析均以1000 V系統為例。

1.3" 解決方案

在進行逆變器選型時，不能僅根據以往的電氣設計經驗及廠家提供的逆變器樣本的MPPT最大輸入光伏組串路數來設計，需要綜合考慮逆變器與光伏組件的適配性。

2" 光伏組件的串聯數設計

2.1" 電氣設計問題

電氣設計人員在計算光伏組件的串聯數時，若完全套用GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》[15]中的式6.4.2-1，會導致光伏電纜選型不當，存在安全隱患。該計算式為：

N≤" " Vdc，max

Voc[1+（t–25）Kv]" " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：Voc為光伏組件的開路電壓，V；Vdc，max為逆變器允許的最大直流輸入電壓，V；t為光伏組件工作條件下的極限低溫，℃；Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數。

2.2" 原因分析

根據式（1）計算光伏組件的串聯數時，采用的是逆變器允許的最大直流輸入電壓，隨著逆變器的技術發展，其最大直流輸入電壓已提升為1100 V，而光伏電纜依舊選用PV1-F型號。根據德國標準2 Pfg 1169/08.2007《Requirements for cables for use in photovoltaic-systems》及由德國技術監督協會（TüV）出具的PV1-F型號光伏電纜認證報告（報告截圖見圖1），PV1-F型號光伏電纜的額定電壓為DC1000 V。國內電氣設計人員在進行分布式光伏電站的電氣設計時并未考慮這一因素，若完全按照GB 50797—2012來套用公式，會導致計算得到的光伏組件串聯數偏大，長期運行可能造成光伏電纜發熱，影響其使用壽命，甚至會燒毀電纜。

2.3" 解決方案

1）根據式（1）計算光伏組件串聯數時，逆變器允許的最大直流輸入電壓的取值為整個直流系統的額定電壓1000 V。

2）根據式（1）計算光伏組件串聯數時，若逆變器允許的最大直流輸入電壓的取值采用1100 V，則光伏電纜需要更換為H1Z2Z2-K型號光伏電纜，TüV出具的該光伏電纜的認證報告截圖如圖2所示。

3" 斷路器的選型設計

3.1" 電氣設計問題

在進行光伏發電上網所經回路斷路器（下文簡稱為“光伏回路斷路器”）選型時，電氣設計人員通常根據常規配電設計來選型，并未考慮光伏回路斷路器的反接能力，從而造成其選型不當，存在安全隱患。

3.2" 原因分析

根據GB 50254—2014《電氣裝置安裝工程" 低壓電器施工及驗收規范》[16]的規定，電源的進線應接在斷路器、隔離器的靜觸頭接線端，出線應接在觸刀側的接線端。根據國家電網有限公司編制的《分布式光伏發電項目接入系統典型設計》，光伏專用并網斷路器應具有電源端與負荷端反接（即下進上出）能力。若所選斷路器不具有反接能力，在光伏發電這種需要倒送電的工況中安裝時，需降低其額定分斷能力才能滿足電氣設計要求[17-18]。針對采用“自發自用、余電上網”模式的分布式光伏電站，對光伏專用并網斷路器及光伏回路斷路器進行選型設計時，未考慮斷路器電源端與負荷端反接能力，導致斷路器的分斷能力不能滿足電氣設計要求。

3.3" 解決方案

1）進行光伏回路斷路器選型時，電氣設計人員應在廠家提供的斷路器樣本中選擇說明書上標明可以反接的斷路器，計算斷路器的分斷能力，并根據計算結果選擇符合要求的斷路器。某廠家提供的斷路器說明書截圖如圖3所示，內容中明確寫出了該斷路器上進線與下進線的分斷能力。

2）斷路器反接時，一定明確標注好進線端和出線端，最好放置警示牌，防止觸電。

4" 電涌保護器的選型設計

4.1" 電氣設計問題

電氣設計人員在進行逆變器交流側，尤其是升壓變低壓側的電涌保護器選型時，若未考慮采取防電勢誘導衰減（PID）措施，會增加交流側對地電壓的影響。在這種情況下若仍選擇采用常規的電涌保護器，將導致電涌保護器的額定電壓不能滿足運行要求，長期運行會造成電涌保護器被燒壞。

4.2" 原因分析

1）分布式光伏電站的逆變器通常采用空間矢量脈寬調制（SVPWM）算法使其具備直流母線利用率高和輸出電壓諧波小等優點，但是SVPWM算法會帶來較大的輸出共模電壓；同時，在無變壓器隔離的光伏發電系統中，光伏陣列與大地之間存在寄生電容，寄生電容也會產生共模電壓。基于以上原因，逆變器工作時交流側存在1個對地的共模電壓。

2）隨著光伏發電系統運行中光伏組件工作電壓的提高，光伏組件中的電路與光伏組件接地金屬邊框之間存在電位差，在此電位差作用下會出現離子遷移，造成光伏組件的發電性能持續衰減，即產生PID效應。為了消除PID效應，需提高光伏組件負極輸出的對地電壓，使所有負極輸出的對地電壓接近于0 V，如此可使逆變器的相對地電壓升高。

基于以上兩點原因，分布式光伏電站逆變器交流側回路的相對地電壓可升高約451 V，按照常規選擇的最大持續工作電壓為385 V的3P電涌保護器已無法滿足運行要求。

4.3" 解決方案

1）采用“3P+1P”型式（4片的最大持續工作電壓為385 V）的電涌保護器，線電壓為770 V，相對地電壓為770 V，可滿足運行要求。該電涌保護器的接線方式示意圖如圖4所示。

2）逆變器廠家要求的電涌保護器參數需明確簽訂在與箱變廠家的箱變技術協議中，并說明與箱變低壓側有電路聯系的設備（例如：控制變壓器、連接控制變壓器的斷路器等）的絕緣性能均需滿足逆變器的輸出電壓特性。

5" 容配比設計

5.1" 電氣設計問題

容配比即為連接至逆變器的光伏組件在標準測試條件下的峰值功率之和與逆變器額定輸出功率的比值[19]。電氣設計人員在進行分布式光伏電站電氣設計時，無論項目位于任何地區、采用何種光伏組件安裝傾角，都不經過任何測算就按照同一個容配比進行設計，且容配比的選擇過于保守，導致該光伏電站的平準化度電成本（LCOE）不能達到最佳，從而影響其整體收益。

5.2" 原因分析

分布式光伏電站在運行過程中會受其所在地的環境因素及電氣損失的影響，導致光伏組件直流輸出功率達不到其峰值功率，因此需考慮容配比的選擇。由于容配比的主要影響因素與項目所在地的太陽輻照度和光伏組件安裝傾角等參數有關，因此應根據項目所在地的環境條件、光伏組件安裝方式及安裝傾角來確定容配比的值[20-23]。

5.3" 解決方案

1）針對具體的分布式光伏電站進行設計時，應根據其所在地的太陽能資源情況、光伏組件安裝方式及安裝傾角等參數建立仿真模型并仿真運行，基于該光伏電站的LCOE達到最低來確定其最佳容配比[20-23]。

2）在項目前期方案設計階段，可根據不同地區，參照NB/T 10394—2020《光伏發電系統效能規范》[19]中的推薦值來確定容配比。

6" 逆變器輸出功率和變壓器容量的選型匹配設計

6.1" 電氣設計問題

在選擇變壓器容量時，電氣設計人員通常根據逆變器輸出的最大視在功率來選擇，但這會造成逆變器與變壓器選型不匹配，從而影響分布式光伏電站的發電量。

6.2" 原因分析

根據逆變器廠家提供的技術資料，逆變器工作的環境溫度過高會降低其散熱效果，使其運行溫度過高，從而會降低其安全性和使用壽命；此時逆變器會降低視在功率運行，以確保其安全性和使用壽命。逆變器的視在功率隨環境溫度變化的曲線示意圖如圖5所示，圖中：S為逆變器的視在功率；T為環境溫度；Pn為逆變器的額定功率；Uac為a、c相之間的線電壓。從圖中可以看出：環境溫度小于等于35 ℃時，逆變器的視在功率為其1.1倍額定功率；環境溫度為40 ℃時，逆變器的視在功率為其額定功率。

根據DL/T 5222—2021《導體和電器選擇設計規程》[24]，變壓器的額定功率是在環境溫度為40 ℃時標定的。

6.3" 解決方案

根據上述分析及NB/T 10128—2019《光伏發電工程電氣設計規范》[25]的規定，在進行變壓器容量選型時，不需要根據逆變器的最大輸出功率來選擇，而應根據逆變器的額定功率進行選擇。

7" 結論

本文對分布式光伏電站在電氣設計過程中常遇見的設計問題進行了深入探討，從光伏組件和逆變器選型匹配、光伏組件的串聯數設計、斷路器選型設計、電涌保護器選型設計、容配比設計、逆變器輸出功率和變壓器容量選型匹配6個關鍵環節進行了剖析，并提出了針對性的解決措施。以期本文研究結果對分布式光伏電站電氣設計、施工人員的工作有所幫助，有助于進一步提高分布式光伏電站的電氣設計水平，保證電氣設計的安全性和合理性。通過避免這些設計問題，使分布式光伏電站實現更高的經濟性、發電效率和可靠性。

需要說明的是，本研究基于筆者對分布式光伏電站電氣設計的一些個人理解與分析，難免存在不足與偏頗，希望同行批評指正。

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ANALYSIS OF ELECTRICAL DESIGN ISSUES IN

DISTRIBUTED PV POWER STATIONS

Shao Hongxing

（Qingdao Eastsoft Communication Technology Co. Ltd.，Qingdao 266011，China）

Abstract：With the rapid development of renewable energy，distributed PV power stations have seen rapid growth as a clean and sustainable energy solution. Due to the particularity of PV power generation，there are currently some design issues in the electrical design of distributed PV power stations，resulting in improper equipment selection，waste of equipment materials，reduced power generation capacity，and even equipment damage in severe cases. Based on this，this paper deeply explores the design problems commonly encountered in the electrical design process of distributed PV power stations. It analyzes six key links，including the selection and matching of PV modules and inverters，the design of the number of series connected PV modules，the selection and design of circuit breakers，the selection and design of surge protectors，the design of PV power to inverter power ratio，and the selection and matching of inverter output power and transformer capacity. Corresponding solutions are proposed. In order to provide assistance to electrical designers and construction personnel in distributed PV power stations，and to further improve the electrical design level of distributed PV power stations，and ensure the safety and rationality of electrical design. By avoiding these design issues，distributed PV power stations can achieve higher economic efficiency，power generation efficiency，and reliability.

Keywords：distributed PV power station；electrical design；equipment selection；PV modules；inverter；solution