浅谈光伏发电的方案设计

张燕妮

（辽宁新创达电力设计研究有限公司，辽宁沈阳 110179）

随着石油和煤炭的大量开采，不可再生能源的储量越来越少，能源问题位列世界众多焦点问题之首。特别是随着世界经济的发展、世界人口的剧增和人民生活水平的不断提高，世界能源需求量持续增大，由此导致能源枯竭、环境污染加重等问题日趋严重。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国之一，燃煤已成为我国大气污染的主要来源。因此，大力开发太阳能、风能等新能源和可再生能源利用技术，将成为我国在能源领域的工作重点［1］。光伏发电作为太阳能工程体系中的一项重要技术，随着清洁能源的开发研究也在电力设计领域中发展起来。

1 光伏发电电池阵列单元的选择

光伏发电系统通过将大量的同规格、同特性的太阳能电池组件，经过若干电池组件串联成一串以达到逆变器额定输入电压，再将这样的若干串电池板并联达到系统预定的额定功率。这些设备数量众多，为了避免它们之间的相互遮挡，须按一定的间距进行布置，构成一个方阵，这个方阵称之为光伏发电方阵。其中由同规格、同特性的若干太阳能电池组件串联构成的一个回路是一个基本阵列单元。每个光伏发电方阵由预定功率的电池组件、逆变器和低压配电室等组成。若干个光伏发电方阵通过电气系统的连接共同组成一座光伏电站［2］。

目前市场生产和使用的太阳能光伏电池大多数是用晶体硅材料制造的，随着晶体硅太阳能电池生产能力和建设投资力度的不断增长，一些大型新建、扩建项目也陆续启动，同时薄膜太阳能电池项目的建设也不断扩大，产能也在不断上升，薄膜电池中非晶硅薄膜电池所占市场份额最大。

2 光伏发电方阵容量的选择

采用光伏发电方阵布置方式，具有电池板布局整齐美观，厂区分区明确，设备编号和管理方便，运行和检修吹扫方便等优点。

拟以每1 MWp容量电池板为一个方阵，共20个方阵，每个方阵相应设置一个逆变小室。单个光伏方阵容量为整个光伏电站5%容量，单个光伏方阵故障或检修对整个光伏电站的运行影响较小［3］。

如每方阵电池板容量按2 MWp考虑，则2 MWp容量固定安装电池板布置面积将达到约430 ×300 m2，将配电室布置方阵中部，最长的低压直流电缆将长到200～350 m，接近低压输电经济长度极限。

故以每1 MWp容量电池板为一个方阵方案具有降低工程造价、便于运行管理、电池板布局整齐美观等观点。

3 太阳能光伏方阵单元型式的确定

电池组件串联组数的确定主要依据其工作电压、开路电压、当地温度和瞬时辐射强度对开路电压、工作电压的影响来分析。

电场实际装机容量为20 304 kWp，太阳能电池组件选型为0.235 kWp多晶硅电池，逆变器容量选用500 kW。

a．电池组件计算参数

组件及线路损耗、尘埃遮挡等电压损失为4%。

冬季最低环境温度:－30.1℃，夏季最高环境温度:39.1℃。

b．电池组件组合计算

计算公式:

N≤Vdcmax/Voc×96%

N≥Vdcmin/Vmp×96%

式中Vdcmax——逆变器MPPT最大输入电压（900 V）;

Vdcmin——逆变器MPPT最小输入电压（450 V）;

Voc——电池组件开路电压，V;

Vmp——电池组件最佳工作电压，V［4］。经计算得出串联光伏电池数量N:15≤N≤23。考虑到组串端电压越高，其电路损耗越低，因此选择20块组件串联。

固定阵列布置方式以1 MWp为一个基本发电单元，共20个基本发电单元。每20块电池组件组成一串，每40块电池组件组成一面电池板阵。全厂20 MWp需要这种电池板支架数量为4 320/40× 20=2 160套，需要这种电池组件40×2 160= 86 400块。

4 太阳电池方阵安装方式的确定

太阳电池方阵的发电量与阳光入射强度有关，当光线与太阳电池方阵平面垂直时发电量最大，随着入射角的改变，发电量会明显下降。太阳能跟踪装置可以将太阳能板在可用的8 h或更长的时间内保持方阵平面与太阳入射光垂直，将太阳能最大程度转化为电能［5］。目前国内外一些太阳跟踪装置生产厂的产品大致可以分2种，一种为单轴跟踪，即东西方向转动跟踪太阳;另一种为双轴跟踪，既有东西向跟踪，同时太阳能板倾角也随季节的不同而改变。一般来说，采用自动跟踪装置可提高发电量20%～40%［6］。

根据已建工程调研数据，若采用斜单轴跟踪方式，系统实际发电量可提高约18%，若采用双轴跟踪方式，系统实际发电量可提高约25%。在此条件下，以固定安装式为基准，对1 MWp光伏阵列采用3种运行方式比较如表1所示。

表1 1 MW p电池阵列3种运行方式比较

由表1中数据可见，固定式与自动跟踪式各有优缺点:固定式初始投资较低，且支架系统基本免维护;自动跟踪式初始投资较高、需要一定的维护，但发电量较倾角最优固定式相比有较大的提高。若自动跟踪式支架造价能进一步降低，设备的可靠性和稳定性不断提高，则其发电量增加的优势将更加明显;同时，若能较好解决电池阵列同步性及减少运行维护工具，则自动跟踪式系统相较固定安装式系统将更有竞争力。

5 光伏发电站主接线方案

温都花光伏发电站工程本期光伏电站规模为10 MWp，电压等级为10 kV。本光伏发电站采用1 MWp为一个子方阵的设计方案，每个1 MWp的子方阵设置1台升压变压器，构成1个并网发电单元，本期光伏电站共有10个并网发电单元。

光伏电站逆变器出口交流输出电压为0.27 kV，因此需采用两级升压，将逆变器输出电压由0.27 kV升压至66 kV接入系统。由于光伏系统利用小时数较低、并网逆变器功率因数较高（约为1）且有一定的损耗，同时考虑到变压器具有一定的过载能力，因此升压变压器的额定容量按与逆变器容量匹配进行选择，即升压变压器容量选择1 000 kVA。逆变器与升压变压器之间的组合方式可采用1台1 000 kVA双圈变压器接2台500 kW逆变器或1台1 000 kVA双分裂变接2台500 kW逆变器（本工程采用的为后者）。

根据10 kV电压等级的经济输送容量，本光伏电站采用10 kV集电线路，共10台1 000 kVA箱式变压器，经该箱式变压器升压到10 kV后，通过电缆集电线路接入电场的66 kV升压站10 kV母线侧。经计算，箱式变压器与升压站之间的集电线路采用1根YJV23－8.7/10.3×50 mm2电缆连接。

图1 电气主接线图

光伏组件布置区域内组件布置紧凑，集电线路长度较短，且光伏组件布置区域地势过渡平缓，场内线路宜采用电缆方式，每2套逆变器配用1台容量为1 000 kVA的就地升压变压器，构成光伏电池逆变器—变压器组扩大单元接线，就地升压变压器选用双分裂绕组干式变压器，容量1 000 kVA。光伏电站共由10个1 MWp多晶硅电池方阵组成，每个1 MWp多晶硅电池方阵组成连接2台500 kW并网逆变器，并通过1台1 000 kVA双分裂变升压至10 kV接入已建66 kV升压站。图1为电气主接线图。

6 结束语

太阳能发电是清洁、无污染的可再生能源，太阳能光伏发电是将太阳能转变成电能的过程。在整个运行过程中，不会产生大气、水、固体废弃物等方面的污染物，也不会产生大的噪声污染。从节约煤炭资源和环境保护的角度分析，太阳能电场的建设代替燃煤电场的建设，将大大减少对周围环境的污染，并起到利用清洁的、天然的可再生资源，节约不可再生的化石能源，减少污染及保护生态环境的作用。具有明显的社会效益及突出的环境效益，节约煤电的同时也具有良好的经济效益。今后我国在能源领域的主要任务仍是加快能源工业结构调整步伐，努力提高清洁能源开发生产能力。以光电、风力发电、太阳能热水器、大型沼气工程为重点，以“设备国产化、产品标准化、产业规模化、市场规范化”为目标，加快可再生能源开发。随着光伏电站的相继开发，在这种趋势下光伏发电产业将成为又一重点发展产业，它会为地方开辟新的经济增长点，对拉动地方经济的发展，加快实现小康社会起到积极的作用。

［1］闫晓虹．“十二五”期间中国将加快发展清洁能源发电［E］．中国新闻网，2011，3，3．

［2］孟懿．太阳能光伏发电的发展［J］．东北电力技术，2010，31（11）:19－21．

［3］张金花．太阳能光伏发电系统容量计算分析［J］．甘肃科技，2009，25（12）:57－60．

［4］GB 50797—2012．光伏发电站设计规范［S］．

［5］张相明，邓玮，关焕新，等．光伏发电双轴自动跟踪控制系统的设计［J］．东北电力技术，2013，34（3）:48－50．

［6］杨欢军，姜青海．基于阳光自动跟踪控制的光伏阵列设计及应用［J］．机电工程技术，2010，39（4）:41－43．