關于光伏電站電氣設計的研究和應用

特變電工新疆新能源股份有限公司 李 濤

關于光伏電站電氣設計的研究和應用

特變電工新疆新能源股份有限公司 李 濤

我國的經濟不斷發展，對自然資源的需求也越來越多，自然資源緊張是全世界面臨的共同問題，我國也不例外。光伏發電是當前開發新型能源的一種重要形式，利用光伏發電可以有效解決能源短缺的問題，因此國家應該予以重視。本文將具體探討光伏電站電氣設計的研究和應用，希望給相關人士提供一些參考。

光伏電站；電氣設計；研究和應用

引言

社會的繁榮發展離不開能源的支持，然而目前的石油、煤炭等傳統能源面臨著嚴峻的供需問題，阻礙了社會的可持續發展。面對能源短缺的問題，各國都加大了科技研發的力度，試圖開發新型能源。光伏發電具有高效、環保、可再生等特點，我國的光伏發電技術經過多年的發展，已經取得了階段性的成效，因此應當把光伏發電作為開發研究的重點。

1.太陽電池組件和逆變器的設計

1.1 太陽電池組件的選型

太陽電池組件的類型一共有三種，分別是晶體硅太陽電池、薄膜太陽電池和非晶硅太陽電池，這三種電池各具優缺點。第一是晶體硅太陽電池，優點是成熟穩定、安全可靠，而且應用的范圍較為廣泛。晶體硅電池包括單晶硅和多晶硅電池，價格合理，效率較高。而晶體硅的缺點是，在光照和大氣環境下，電池會出現能量衰竭的情況。第二是薄膜太陽電池，優點是高效低廉，性能穩定，缺點是原料稀缺，對大規模生產產生制約[1]。第三是非晶硅太陽電池，優點是在弱光下，性能仍然較好，缺點是電池轉換的效率較低。綜合上述三種電池類型，我國選擇較多的是晶體硅太陽電池組件。

1.2 逆變器的選型

逆變器技術結構一共有三種類型，分別是集中式逆變器、組串式逆變器和組件式逆變器。第一是集中式逆變器，其優點是效率較高，成本較低，大型的集中逆變器可以聯網，減少輸電損耗，提高發電效率。第二是組串式逆變器，其優點是增加了發電量，減少陽光陰影帶來的損失。第三是組件式逆變器，優點是應用范圍比較大，缺點是銘牌容量較小。綜合上述三種逆變器類型，我國市場上應用最多的集中型逆變器。

2.光伏陣列布置方案設計

2.1 逆變器布置方案

在布置逆變器的過程中，可以采用如下幾種布置方案：第一種方案是采用1MW逆變器單元，與兩個500kWp太陽電池方陣相連，形成一個1MWp的光伏子方陣。兩個500kWp的太陽電池方陣經過匯流箱，與2×500kW的逆變器相連，可以實現對光伏陣列的布置。

第二種方案是采用500kW的逆變器，與一個500kWp的太陽電池組件相連，輸出35kV的交流電。500kW的太陽電池方陣經過匯流箱，和500kW的逆變器相連接，最終可以構成0.5MWp光伏的光伏子方陣。

將兩種方案進行對比，可以發現二者具有不同的優缺點：第一種方案便于安裝和管理，發生故障的幾率較小，經濟效益較好，但是線損比較高。第二種方案便于布置，線損比較低，但是故障發生的幾率較大，經濟效益較低。因此，在光伏電站電氣設計的應用中，一般采用第一種方案。

2.2 光伏陣列分層結構

首先，光伏陣列的分層結構包括光伏發電單元系統。將一定容量的太陽電池方陣，和一臺匹配太陽電池方陣容量的逆變器連接，二者所構成的發電系統，可以稱為光伏發電的單元系統。

其次，光伏陣列的分層結構包括光伏發電分系統。將一臺箱式的升壓變壓器和另一臺逆變器相連接，二者所構成的發電系統被稱為光伏發電的分系統。

再次，光伏陣列的分層結構包括光伏電站。將許多臺箱式變壓器相互連接，在接入電網之后所形成的發電系統被稱為光伏電站。在光伏電站中，一般采用500kW的逆變器和315V/35kV的箱式升壓變壓器，以滿足光伏電站的發電需要。

2.3 光伏陣列電氣系統

首先，光伏陣列電氣系統包括直流發電系統。光伏陣列直流發電系統中，有太陽電池組件、匯流箱、逆變器和配電柜等等，在發電的過程中，太陽電池組件經過光伏作用，把太陽能轉化成為電能。在轉換電能時，一般采用多晶硅太陽電池組件構成的太陽電池陣列。

其次，光伏陣列電氣系統包括交流輸出系統。光伏陣列交流輸出系統中，有電纜、開關柜等等，逆變器采用了最大功率跟蹤的技術，可以實現直流電轉換成交流電的效率最大化，使輸出的電能符合電網的需求[2]。在轉換電能的過程中，控制器和外部的傳感器連接，動態監測外部的日常環境和光伏陣列的運行情況，保證光伏陣列的正常運行。光伏陣列和發電分系統之間沒有直接的電氣聯系，這樣一來，當光伏發電的分系統出現問題，光伏陣列并不會出現運行停止的狀況，方便檢修人員對光伏發電分系統進行維護的檢查。在光伏組件的選擇上，可以減少光伏組件的塊數，進而減少光伏電纜的數量，將工程投入成本限制在一定的范圍之內，提高分系統的發電效率。

3.電氣系統設計

3.1 集電線路一次系統設計

3.1.1 確定集電線路的初步方案

首先，應該確定集電線路的初步方案。在光伏陣列的選件上，可以選用容量為1000kVA的變壓器，將逆變器的輸出電壓升到35kV，然后將電流匯流到開關站的母線。200MWp光伏陣列的每個分陣，都可以采用首尾串接的方式并入電線路。在箱變高壓測，應該設置高壓負荷開關，避免一個方陣的分合對其他方陣的正常運行產生不利影響。

3.1.2 對35kV的開關站進行電器計算

其次，應該對35kV的開關站進行電器計算。開關站一般布置在地勢較為平緩的地段，如光線較少遮擋的山頂，這樣可以減少土方量，便于線路的接入。在選擇電氣主接線時，應該分為低壓站用電壓和高壓站用電壓兩級電壓，經過兩回集電線路匯集電能之后，將電能發送到35kV的開關站，然后再通過35kV的單回架空出線接入變電站。

在35kV系統中，主要采用單母線主接線方式，母線是由一次性建成的，在母線上面設有六面柜，分別是架空出線柜、電纜進線柜、無功補償饋線柜、變壓器出線柜和母線PT柜，這六個柜分別步驟在母線的六面。

在計算35kV側電容電流計算時，已經集電線路電纜總長度，按照集電線路側電網單相接地的電容電流計算公式，可以得到Ic=0.1×UexL，帶入數字計算，可以求出Ic的值。

在選擇35kV的測消弧線圈和接地站用變容量時，需要計算消弧線圈的容量，和接地兼站用變壓器的容量。按照設計的手冊，在計算容量之后應該采用站用接地變成套裝置，布置在接地變及消弧線圈的間隔內。

3.2 電氣一次設備選型

3.2.1 35kV配電裝置選擇

在進行35kV配電裝置選擇的過程中，應當考慮開關站的海拔高度，和場地的污穢等級。在評估地理位置的要素時，要選用固定式的開關柜，固定式的開關柜和移動式的開關柜具有各自的優點。以固定式的開關柜為例，它的造價較低，修正方便，而且維護空間較大，但是更換頻率較低。以移動式的開關柜為例，它的體積較小，重量很輕，而且外表美觀，但是容易發生失靈等問題，增加維護人員的工作量[3]。

3.2.2 其他設備技術參數

開關柜的技術參數包括以下幾個指標：額定電壓、頻率、電流、短路開斷電流、短路關合電流、動穩定電流、熱穩定電流和外殼防護等級。斷路器的技術參數要綜合考量如下指標：耐受電壓、短路開斷電流、短時耐受電流、峰值耐受電流等等。隔離開關要考量的技術參數包括：短時工頻耐受電壓、雷電沖擊耐受電壓、短時耐受電流、接地開關額定短路關合電流、峰值耐受電流等等。

3.3 電氣二次系統設計

3.3.1 NCS

首先，在電氣二次系統設計時，應當設置一個監控系統NCS，對光伏系統發電的運行狀況進行動態監測和在線分析，對光伏電站的發電能力進行科學評估。NCS包括站控層和間隔層，在站控層失去效用時，間隔曾仍然能進行獨立工作。光伏電站的NCS監控范圍包括太陽電池方陣、逆變器和開關站配電裝置等系統，具體功能有監視、控制、報警和保護等。

3.3.2 安全自動裝置和UPS系統

其次，在電氣二次系統設計時，應該采用安全自動裝置和UPS系統。安全自動裝置要對35kV架空送出線路、電纜集電線路進行保護，UPS系統指的是交流不停電系統，可以為蓄電池浮充電等不停電負荷提供不間斷的供電。

4.結論

我國面臨嚴峻的能源短缺問題，針對這種情況，國家應該重視光伏電站的電氣設計，尋找新型能源，促進社會的可持續發展。

[1]陳琨.高校太陽能光伏屋面電站的設計、安裝及并應用研究[D].山東建筑大學,2013.