并網光伏電站優化設計的研究

鄭柏恒，董雙麗（廣東產品質量監督檢驗研究院國家太陽能光伏產品質量監督檢驗中心,廣東 佛山528300）

并網光伏電站優化設計的研究

鄭柏恒，董雙麗
（廣東產品質量監督檢驗研究院國家太陽能光伏產品質量監督檢驗中心,廣東 佛山528300）

隨著太陽能光伏發電的廣泛應用，優化光伏電站的設計對降低電站投資成本和提高電站收益起到了至關重要的作用。為此，從光伏電站發電性能和光伏電站并網兩個方面進行特性分析，歸納了當前電站設計與建設中暴露的幾種問題，并提出了相應的優化方案，保證光伏發電能安全可靠地并入電網，確保光伏電站的收益。

太陽能光伏；光伏電站；優化設計

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.015

1 引言

近年來，在國家多方面的扶持下，太陽能光伏發電發展迅速。截至2015年底，我國太陽能光伏發電累計并網容量達到4158×104kW，同比增長67.3%，約占全球的1/5，超過德國成為世界光伏第一大國。而且在“十三五”規劃中明確了我國將持續發展壯大太陽能光伏發電市場規模，初步規劃“十三五”光伏裝機規模目標將達1.5×108kW，即每年新增2000×104kW上下。光伏發電在電力系統中裝機容量所占的比例越來越大，它對電力系統的規劃、仿真、調度、控制造成的影響也越來越大。

然而，光伏電站具有分布式屋頂低壓并網、集中式地面高壓并網等多樣化的搭建模式，且其發電量受太陽輻照、氣溫等多種因素影響。故近年來的大規模電站建設就由于設計規劃等原因，涌現出了電站發電效率低、輸出電能質量差、原電網保護誤動等問題，造成巨大的安全問題，也無法達到預期的經濟效益。因此，并網光伏電站的優化設計十分重要。

本文通過從光伏發電能力和電站并網兩個方面，分析光伏電站優化設計的關鍵問題，并結合實際案例驗證理論分析的正確性和有效性，提高了光伏電站的可靠性和效益，并為后續更為深入的研究提供借鑒與參考。

2 光伏電站發電性能優化設計

并網光伏電站主要通過光伏組件方陣、匯流箱、逆變器、升壓變壓器以及并網點配電柜等組成[1]。光伏電站系統配置圖如圖1所示。

圖1 并網光伏電站系統配置圖

2.1 光伏組件的優化設計

2.1.1 光伏組件的選型

當前，并網光伏電站中應用的組件主要為單晶硅、多晶硅以及薄膜3種類型的組件。單晶硅、多晶硅以及薄膜3種組件主要區別在于其轉換效率、價格、重量以及可靠性，如表1所示。其中，單晶硅組件具有較好的轉換效率但是價格較高；多晶硅組件具有不錯的性價比，相比于單晶硅和薄膜更易運輸；薄膜組件轉換效率較低，由于自身的玻璃結構使其不易運輸，但它具有較小的功率溫度系數，相對于晶硅組件在弱光照下或出現遮擋時，具有較好的發電能力。因此，大型地面電站多選擇性價比較高的多晶硅組件；屋頂分布式電站為有效利用屋頂面積，多選擇轉換效率較高的單晶硅組件；光伏一體化電站由于環境較為復雜，多采用薄膜組件，既能完全貼合建筑的復雜結構，又能減少遮擋等原因帶來的發電影響。

表1 各類型組件特性

2.1.2 光伏組件的安裝

在整個光伏發電系統中，光伏組件安裝傾角直接決定了系統接收到的太陽總輻射量，從而影響整個系統的發電能力。光伏組件安裝傾角越高，對后排的遮擋越少，前后排間距越少，從而減少了光伏陣列的占地；但是，光伏組件安裝傾角偏離當地維度越大，組件能夠接收到的太陽總輻射量越少，組件發電量越少。故行業內一般認為光伏組件安裝傾角基本與安裝位置維度一致。但是，通過比較組件支架成本與系統發電收入后，可以通過適當的減少組件安裝傾角獲得效益的最大化。

除此之外，光伏組件的安裝方式也對光伏組件發電性能有著巨大的影響。在環境陰影、積水、污漬等遮擋條件下，光伏組件輸出特性產生變化，被遮擋部分的電池片處于反向偏置狀態，成為整個光伏陣列的負載，消耗組串產生的電能并發熱，形成熱斑現象。電池片熱斑會導致該電池片快速的衰減，且當溫度過高時會是組件失效或起火。為避免熱斑的產生，光伏組件通過接線盒里面的旁路二極管將被遮擋的電池片旁路。然而，一般光伏組件將組件上的電池片分成三份，分別旁接了二極管，如圖2所示。因此，會出現未被遮擋到的電池片也被旁路，大幅降低了組件的發電能力。故很多比較規則的遮擋，如房屋陰影、污漬、積水等遮擋，可以通過改變組件的橫豎安裝方式，避免陰影遮擋到組件的多路電池片，減少光伏組件發電能力的損失。

圖2 組件接線盒原理圖

廣西南寧某30MW光伏電站中一期為8MW光伏組件以常規的豎式安裝在地面支架上，二期為22MW光伏組件以橫式安裝在相同的支架上。分別抽取一期和二期同一型號且其接入容量相同的逆變器同時進行一天的監測，其逆變器負載率如圖3所示。不難看出組件橫式安裝的逆變器較早開始啟動并發電，較晚停止發電進入待機狀態，且同一時刻負載率比組件豎式安裝的逆變器要高。組件橫式的安裝實實在在地提高了光伏電站的發電效益。

圖3 組件橫式和豎式安裝的逆變器負載率曲線圖

2.2 逆變器的優化設計

2.2.1 逆變器的選型

目前，光伏電站一般根據電站規模、地理環境等條件，采用集中式和組串式兩種的逆變器。集中式逆變器容量大，性價比較高，具有較好的可調度性，但是MPPT數量較少且需要占用一定的地方用于安裝，多用于大規模地面電站；組串式逆變器具有較多的MPPT數量，易于安裝放置，較高的防水等級，但容量較小，成本較高，多用于地形復雜的分布式電站。

而近年來組件生產技術不斷成熟，采用規模化流水線式生產方式使光伏組件在產品質量和一致性上得到了有效的控制。但是，要做到百分百的一致性是不可能的，原材料的差異，生產線的不同，會使組件與組件之間存在一些微小的差異。而這些差異會在組件串并聯起來以后，產生不同程度的串并聯失配現象。而且電池片旁路雖然避免了熱斑現象的產生，但是被遮擋的組件與其他組件發電能力的一致性大幅下降，也產生了較大的串聯和并聯失配損失[2]。

為減少串聯、并聯失配的損失，優化光伏電站發電能力，在逆變器選型時盡量選擇具有多路MPPT功能的逆變器，并且盡量將同一屋面同一朝向同一型號同一批次的組件接入到同一個逆變器。

2.2.2 組件與逆變器的容量比

當前一般電站設計中，光伏組件的安裝容量和逆變器的安裝容量是不一致的。其主要原因是光伏組件存在光致衰減和光伏組件發電能力隨環境而定。

由于P型晶體硅電池片經過光照出現的衰減以及由于紫外線照射造成的電池片和封裝材料老化出現的衰減，因此，通常光伏組件第一年衰減3%左右，然后，每年遞減不超過0.8%，25年內衰減不超過20%。針對這一類型的組件功率衰減，再設計上通常通過在逆變器上適當增加光伏組件接入的數量，即適當提高組件與逆變器的容量比。

光伏組件標稱的發電功率是在AM1.5、1000W/m2、25℃條件下的最大發電功率，而光伏電站現場環境根據所處地理位置而改變，如：在新疆、青海等地區大部分時間輻照值能達到1200W/m2以上，組件實際發電功率高于其標稱值，故可以適當降低組件與逆變器的容量比；在廣東、廣西等地區大部分時間輻照值在800～1000輻照值，組件實際發電功率稍低于標稱值，故可以稍微提高組件與逆變器的容量比。

2.2.3 逆變器擴展功能

隨著技術的不斷進步，當前逆變器不僅起到了直流與交流之間的轉換，而且為了提高可靠性與安全性提供了各種保護裝置，如：過載保護裝置、PID防治裝置等。其中，PID，電勢誘導衰減，是電池組件長期處于一定的偏置電位，并且在高溫高濕環境下誘發的發電性能衰減現象。故在廣東等濕熱地區，多選用具有PID抑制裝置的逆變器。

3 光伏電站系統并網分析

3.1 對并網點頻率的影響

由于天氣等環境影響，光伏發電出力隨機、頻繁、大幅地波動。這對電網系統有功平衡造成沖擊，影響系統的調頻，使電網頻率質量下降[3]。故需要大量的修改電網系統的備用優化設備，但是也大大的提高了成本。因此，在光伏電站選址設計時，優先選用工廠等用電大戶附近的地段，盡量使光伏發電就地消化，既削弱了對電網系統的影響，又減少了輸電送電的成本。

3.2 對并網點電壓的影響

光伏發電隨機波動的有功出力會影響到電網的無功平衡特性，使周邊母線電壓大幅波動[4]。

對于大規模光伏集中式接入電網而言，大量的光伏電力需要通過高壓遠距離外送。高壓輸電線路由于光伏發電隨機波動的有功出力，改變了沿途無功平衡，使沿途母線電壓大幅波動，容易發生電壓越限等問題。

對于規模化光伏分布式接入配電網而言，光伏發電的接入改變了電網原有的網狀結構，由單電源結構變成了多電源結構，使電網潮流更為復雜，增加了調度的難度。

海南海口某屋頂光伏電站，由于電站建設在工業區水泥屋頂，區域內用電負載較多，而且由于當地供電距離較長，供電電壓普遍偏低，因此多次使光伏電站并網點電壓超限，使二次側保護動作，造成大量的經濟損失，而且嚴重影響了工業廠區配電網的安全。為此與當地供電局協商，通過調度供電線路環網結構，減少該并網點原供電距離后，情況得以改善。

因此，光伏電站接入位置、接入規模的設計十分重要。正確的接入位置與接入規模能盡量使光伏發電就地消費，不僅降低了對電網系統的影響，還能分擔電網用電的壓力。

3.3 對并網點諧波的影響

光伏發電產生諧波的主要源頭有三個：（1）逆變器逆變電路開關切換產生頻率附近的諧波；（2）太陽輻照劇烈變化或過低時光伏發電產生的諧波；（3）逆變器MPPT跟蹤下電壓電流變化產生的諧波。相對于較大容量的電力系統，小容量系統更為容易受到諧波的污染，導致電力線路損耗大增，危害用電設備的安全，輕則縮短設備壽命，重則損壞設備[5]。

針對光伏電站諧波問題，目前，主要的方法是裝設動態響應的無功補償裝置，如：電力濾波裝置、靜止無功補償裝置（SVC）、靜止無功發生裝置（SVG）等。然而，這些裝置雖然維持了電壓的穩定，改善了系統諧波狀況，但是，也增加了項目的成本。因此，合理的設計光伏發電的接入位置、接入規模，選擇電能質量較好的分布式電源接入點（PCC），提前規避產生諧波超限的風險。

3.4 配電系統改造

光伏的穿透率定義為光伏發電量占整個發電系統總發電量的百分比[6]。過高的光伏穿透率會引起饋線的逆向潮流以及母線電壓的升高，母線故障電流大小、方向及持續時間均發生變化，原有饋線保護將受到影響，保護裝置可能出現誤動或拒動[7]。為此，將需要對原有的配電系統進行改造，但是為了節省成本，目前大部分的方案是在饋線上加裝防逆流裝置，以犧牲部分光伏發電量為代價，保證系統的正常運行。

廣東佛山市某15.2MW屋頂光伏電站，經過當地供電局審核后，計劃通過7個并網點并入7路10kV輸電線路。然而，該電站并網試運行后，業主廠區電力監控系統發生功率因數報警。經第三方檢測機構檢查后發現原因為該電站平置倉庫子系統發電量遠大于用電量，使并網點母線產生了逆流，故造成原有的配電系統發生報警。為保證整個廠區用電安全，只能犧牲該子系統的發電效益，在該母線的饋線上加裝防逆流裝置。

因此，光伏電站接入位置、接入規模的設計還需要對接入點原有配電系統進行分析評估，避免不必要的經濟損失。

4 結語

隨著分布式發電的應用越來越廣泛，作為其中的太陽能光伏發電在現代發電系統中的地位也越來越重要。本文既分析了光伏電站組件、逆變器兩種關鍵設備的特性，又分析了光伏電站并網的特性，歸納了當前電站設計與建設中暴露的幾種問題，并且，針對這些危害提出了相應的改善措施和建議，為太陽能光伏發電電站的設計與建設提供指導，為有效地提高光伏電站的效益和供電網絡的穩定性、安全性和可靠性做出貢獻。

【1】姜齊榮，張春朋，李虹.風能與太陽能發電系統：設計、分析與運行[M].北京：機械工業出版社，2009.

【2】張曉強，張衛平，劉元超，趙一陽，等.光伏系統的PSpice建模[M].北京：機械工業出版社，2014.

【3】崔紅芬，汪春，葉季蕾，等.多接入點分布式光伏發電系統與配電網交互影響研究[J].電力系統保護與控制，2015,43（10）：91-97.

【4】WidenJ,Wackelgard E ，PaateroJ，et al． Impacts of distributedphotovoltaics on network voltages：stochastic simulations of threeSwedishlow-voltagedistributiongrids[J]．ElectricPowerSystemsResearch，2010，80(12)：1562-1571．

【5】董偉杰，百曉民，朱寧輝，等.間歇式電源并網環境下電能質量問題研究[J].電網技術，2013,37（5）：1265-1271.

【6】PerezR,Taylor M,hoff T,etal.Reaching consensus inthe definition ofphotovoltaics capacity credit in the usa:Apractical application ofsatellite-derivedsolar resourcedata[J].IEEEJournalofSelectedTopicsinAppliedEarthObservationsandRemoteSensing,2008,1(1):28-33.

【7】楊國華，姚琪.光伏電源影響配電網線路保護的方陣研究[J].電力系統保護與控制，2011,39（4）：12-17.

Research on Optimized Design of Grid-connected PV System

ZHENGBo-heng，DONGShuang-li
(GuangdongTestingInstituteofProductQualitySupervisionNationalCenterofSupervisionandInspectiononSolarPhotovoltaic ProductsQuality,Foshan528300,China)

By widely application of Solar photovoltaic，the optimized design of PV system is important to reducing the cost ofinvestment and enhance efficiency.Therefore，according to the features of PV system generating capacity and grid connection, someoptimal schemes are proposed to solve the problems in the design and construction of PVsystem,Which can ensure PVsystem safelyoperatingandguaranteedrevenue.

solarphotovoltaic;photovoltaicpower stations;optimizeddesign

TM615+.2

A

1007-9467（2016）12-0066-04

2016-08-18

廣東省科技計劃項目（2016A040403070）

鄭柏恒（1990～），男，廣東佛山人，工程師，從事光伏產品、分布式發電系統的檢測和科研工作。