分布式光伏發電系統優化設計研究

［摘 要］隨著能源需求的不斷增長和環境保護意識的提高，分布式光伏發電系統作為一種清潔、可再生的能源利用方式受到越來越多的關注。然而，如何優化設計分布式光伏發電系統，提高發電效率和系統可靠性，是當前亟待解決的問題。在此背景下，文章探索了分布式光伏發電系統的優化設計，從光伏方陣布置和系統低壓側系統配置兩個方面入手，提高系統整體性能和經濟效益。

［關鍵詞］分布式；光伏發電；系統設計；光伏方陣布置；系統低壓側系統配置

［中圖分類號］TM615 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0039–03

1 光伏方陣布置

1.1 障礙避讓計算

利用高精度三維建模和地理信息系統（GIS）進行障礙避讓計算，這一方法通過構建光伏電站的三維模型，結合GIS 技術，能精確識別出地形、地貌、建筑物等潛在障礙物，并計算出對光伏方陣產生的陰影遮擋范圍和時長。通過這種方式，可在設計階段就精確避開障礙物，優化光伏方陣的布置，確保光伏組件始終處于最佳接收太陽輻射的位置，其具有高度的精確性和可視化，能夠直觀地看到光伏方陣的布局效果，做出更加科學合理的決策。

采用動態陰影分析技術進行障礙避讓計算，該方法基于太陽位置的變化和障礙物的高度、形狀等信息，實時計算陰影遮擋的范圍和時長，并據此調整光伏方陣的布置。該動態分析技術可考慮到一天中太陽位置的變化以及不同季節太陽高度角的變化，確保光伏方陣在不同時段都能最大化地接收到太陽輻射。此外，動態陰影分析技術還可以考慮風速、風向等氣象因素，進一步提高障礙避讓計算的準確性，其具有較高的實時性和動態性，能夠更好地適應復雜多變的環境條件，確保光伏發電系統的高效穩定運行。

1.2 光伏方陣布置間距

在分布式光伏發電系統的優化設計中，對于平鋪安裝的光伏組件發電系統而言，其設計相對直接，需要充分考慮到光伏組件周圍的障礙物，確保這些障礙物不會遮擋到光伏組件接收陽光，這是保證發電效率的基礎。根據光伏組件的組串設計，必須留置合理的檢修通道，以便在日后的維護工作中能夠便捷地進行檢查和維修。

然而，對于以固定傾角安裝的光伏組件而言，設計過程則更加復雜和精細。由于光伏組件的安裝傾角是固定的，因此，必須根據屋面的坡度和建筑的方位角進行精確的計算。這種情況下，光伏方陣的間距計算公式需要進一步優化，確保光伏組件之間既不會相互遮擋，又能充分利用屋面空間。

在確定光伏方陣布置間距時，需根據光伏組件的規格和性能確定方陣的基本間距，該間距必須足夠大，確保在一天中任何時刻，光伏組件都不會相互遮擋，最大限度接收太陽輻射，同時，該間距也不能過大，免浪費土地資源。在實際操作中，可通過模擬軟件，輸入光伏組件的規格、性能參數以及當地的太陽輻射數據，計算出理論上的最佳方陣間距，間距既保證了光伏組件的充分采光，又充分利用了土地資源，實現了經濟效益和環境效益的雙贏。還需考慮地形、地貌以及建筑布局等因素對方陣間距的影響，在地形起伏較大的地區，根據地形走勢適當調整方陣間距，確保光伏組件始終處于最佳采光角度。在建筑密集的區域，則需要考慮建筑高度、朝向等因素對方陣間距的影響，避免建筑物對光伏組件產生遮擋。此外，還需要考慮當地的風向、風速等氣象條件，確保方陣間距的設計能夠抵抗強風等極端天氣的影響，保證光伏系統的穩定運行。光伏方陣間距計算示例見表1。

由表1 中的數據可以清晰地看出，建筑屋頂上安裝的光伏方陣間距受建筑方位和屋面坡度的影響極為顯著，這種影響不容忽視，因為其直接關系到光伏系統的發電效率和整體性能。在實際工程設計中，必須充分考慮這些因素，確保光伏方陣能夠最大限度地接收太陽輻射，實現更高的發電效率。以我國南方某屋頂光伏發電工程為例，該工程在設計過程中未能充分考慮建筑屋面排水坡度對方陣間距及安裝傾角的影響，從而導致，南坡光伏陣列與北坡光伏陣列之間的發電效率差異高達15%。這一數據直觀地反映了忽視建筑方位和屋面坡度影響所帶來的后果。在光伏方陣的布置過程中，應充分考慮建筑的方位和屋面坡度，通過精確計算和模擬分析，確定合理的方陣間距和安裝傾角，這樣不僅可確保光伏系統的高效運行，還可以降低后期維護成本，提高整體經濟效益，也符合可持續發展的理念，有助于推動綠色能源的發展和應用。

1.3 光伏組件排列方式的選擇

安裝于建筑頂面的光伏發電系統高度相較于地面電站更為顯著，因此，承受的風載荷也呈現出較大差異，為了確保系統的穩定性和安全性，光伏組件支架結構的設計優化顯得尤為關鍵，光伏陣列的布置高度不宜過高，避免因風力作用而帶來的潛在風險。在實際應用中，常見的光伏陣列布置形式包括單排豎向布置和雙排橫向布置，根據GB50797-2012《光伏發電站設計規范》中關于陰影遮擋避讓的要求可知，在一天中的特定時間段（如9 ：00 前和15 ：00 后），光伏方陣的前排和后排之間難以避免地會存在遮擋現象。

基于對光伏組件發電效率與布置方式之間關系的深入研究，通過對比不同布置方式下的發電效率數據，發現橫向布置能夠更好地利用太陽輻射，減少陰影遮擋對發電量的影響。屋頂光伏發電系統光伏組件布置方案對比見表2。此外，由于經串聯接線的光伏組件與單塊光伏組件在電氣特性上具有相似性，橫向布置方式也更便于系統的集成和維護。

2 系統低壓側系統配置

2.1 光伏組件串聯接線

在分布式光伏發電系統的設計中，組件串的布置和連接方式對于整個系統的效率和成本有著顯著的影響。圖1 展示了一字形組件串聯接線方案，該方案簡單直接，但在某些布局中，可能會因直流匯流箱或組串逆變器的位置而導致出線電纜長度較長，增加了系統的成本和維護難度。圖2 所示的U 形組件串聯接線方案則允許根據直流匯流箱或組串逆變器的實際布置位置，靈活調整U 形的開口方向。無論直流匯流箱或組串逆變器布置在組件串的哪一側，U 形接線方案都能有效縮短出線電纜的長度。這種優勢在實際應用中尤為顯著。通過減少電纜長度，不僅可降低系統成本，還能減少能量在電纜傳輸過程中的損失，提高系統的整體效率。在條件允許情況下，優先選擇U 形接線方案，并根據實際情況靈活調整其開口方向，以實現出線電纜長度的最小化，優化系統的效率和成本。

當光伏方陣中出現前后排遮擋的情況時，組件串的性能會受到顯著影響。由于組件串的布置形式為U形，前后排遮擋對兩個組件串的影響相似，意味著兩者的輸出功率都會降低，但其輸出特性將保持一致，這種一致性使系統能夠更穩定地運行，減少了因遮擋造成的性能波動。一字形串聯接線方案受到的遮擋影響范圍可能會有所不同，導致兩組件串的輸出功率和電壓存在差異，進而可能引發一系列問題。為了避免這種情況，需要在直流匯流箱內配置防反二極管，其作用是防止不同組件串之間出現環流和倒灌現象，從而確保系統的穩定運行。在選擇使用組串式逆變器時，還需特別注意將不同電氣特性的組件串接入不同的MPPT（最大功率點追蹤）單元，這是因為MPPT單元能夠根據不同組件串的特性調整其工作參數，從而確保每個組件串都能達到最佳的工作狀態。由于二極管在工作時會產生熱量，因此，需要在匯流箱的安裝場所設置必要的遮陽措施，并注意通風降溫，確保二極管在適宜的溫度下工作，提高其使用壽命和穩定性，避免因過熱而導致系統故障或性能下降。

2.2 光伏組件及逆變器選型

采用一字形組串接線方案，通過合理布局和規劃，最大限度地減少因遮擋造成的性能損失。同時，配合組串逆變器的使用，將具有相同電氣性能的組件串接入逆變器的相同路MPPT 單元，MPPT 單元能夠根據每路組件串的特性進行獨立調整，確保其都在最佳的工作狀態下運行。然而，僅依靠合理的組串接線方案還不足以應對所有挑戰，特別是在多雨潮濕的地區夏季高溫環境下，光伏組件極易產生PID（電位誘發衰減）效應。PID 效應會導致光伏組件的性能下降，進而影響到整個系統的發電效率。而采用抗PID 的材料和工藝、優化組件的結構設計等，可從源頭上降低PID 效應的發生概率。光伏組件還需要通過相關的測試認證，確保其具備足夠的抗PID 能力。在逆變器端，應配置相應的抗PID 功能，通過檢測光伏組件的電壓和電流變化，預測PID 效應的發生，并采取相應的措施進行干預。例如，當檢測到PID 效應的跡象時，逆變器可自動調整其工作參數以減少對組件的影響，或通過向組件發送反向電流消除積累的電荷，阻止PID效應的進一步發展。

這種雙重保護機制能夠顯著降低PID 效應對系統發電效率的影響：一方面，通過選擇具有抗PID 能力的光伏組件和逆變器，可從源頭上減少PID 效應的發生；另一方面，當PID 效應不可避免地發生時，通過逆變器的抗PID 功能，可及時采取措施進行干預，將損失降到最低。此外，為了確保分布式光伏發電站的長期穩定運行，還需加強系統的監測和維護工作，通過定期巡檢、數據采集和分析等手段，及時發現并解決潛在的問題和隱患，根據系統的實際運行情況，對組串接線方案、逆變器參數等進行調整和優化，從而不斷提升系統的發電效率和可靠性。

3 結束語

在光伏方陣布置方面，科學的障礙避讓計算和光伏方陣布置間距選擇，可最大化光伏板的接收太陽能效率。在系統低壓側系統配置方面，合理選擇光伏組件串聯接線方式和光伏組件及逆變器選型，可提高分布式光伏發電系統的穩定性和可靠性，降低系統故障率和維護成本。未來，應探索更多新技術在系統設計中的應用，不斷提高系統的智能化水平和自動化程度，實現對系統運行的更加精準、高效的管理和控制。

參考文獻

[1] 陳毅湛，吳昊，鄒鼎森，等. 基于太陽能電池微裂紋的失效分析與光伏發電系統優化設計[J]. 五邑大學學報（自然科學版），2022，36（2）：15-19，28.