DC 1 500 V光伏發電系統研究與應用分析

徐傳進，吳琪，林琳，羅健明

(四川東方電氣自動控制工程有限公司，四川德陽，618000)

DC 1 500 V光伏發電系統研究與應用分析

徐傳進，吳琪，林琳，羅健明

(四川東方電氣自動控制工程有限公司，四川德陽，618000)

太陽能光伏發電在近年來得到了高速發展，已成為解決化石能源短缺和應對氣候變化的重要途徑。文章在介紹了光伏發電系統基本結構的基礎上，分析了現行DC 1 000 V光伏發電系統設計方案在降低系統成本和提高系統效率方面極其有限的現狀，具體介紹了DC 1 500 V光伏發電系統的設計基礎，以及在降低系統成本和提高系統效率方面的優勢，并給出了具體設計方案和分析了應用前景。

光伏發電，DC 1 500 V，成本，效率

0 引言

在當今油、碳等化石能源短缺，霧霾和溫室效應等愈加惡劣的環境下，能源問題已經成為關系到人類生存和發展的首要問題[1]，世界各國都加緊了發展新能源的步伐。而在新能源中，太陽能光伏發電以其取之不盡、用之不竭、就地可取、無需運輸、分布廣泛、無污染、利于生態等優點[2]，已經成為新能源領域中開發利用水平高、技術成熟、應用廣泛、極具商業化發展條件的新型能源。

近年來，全球光伏產業發展很快，以年均30%以上的速度快速增長，光伏發電的競爭力不斷提高，已成為全球最受重視的新能源發電技術。美國綠色能源市場研究機構GTM公司初步數據顯示，2015年全球光伏裝機容量較2014年增加了34%，截至年底達到了約5 900萬千瓦。而我國在規范光伏開發秩序、開展光伏扶貧工程、推進分布式示范區建設等相關光伏產業利好政策的刺激下，截至2015年底，我國太陽能光伏發電累計并網容量達到4 158萬千瓦，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“十二五”期間，我國太陽能發電裝機容量年均增長177%。圖1為2010～2015年我國太陽能光伏發電逐年裝機容量情況表。

圖1 2010～2015年我國太陽能光伏發電逐年裝機容量

目前太陽能光伏發電裝機容量的高速增長，主要依賴于各國的財政補貼政策，然而隨著裝機容量急速上升、財政補貼逐年縮減、限電棄電問題日益突出等，實現太陽能光伏發電的價格與傳統化石能源基本持平，真正實行光伏發電平價上網，已經成為當下光伏商業化進程中急需解決的問題——有效降低光伏系統的成本、提高發電效率仍將是未來光伏產業發展的核心課題。

經過近幾年光伏相關發電設備成本的急劇下降，包括光伏組件、逆變器等主要設備的降價空間已經非常有限，從而使得從光伏系統設計層面來提高光伏系統效率、降低光伏系統成本，成為一條可行性的發展道路，DC 1 500 V光伏發電系統的設計逐漸被業內所研究與認可。

1 光伏發電系統結構

太陽能光伏發電系統根據是否與電網連接，可分為并網光伏發電系統和離網光伏發電系統，其中離網光伏發電系統直流電壓較低，裝機容量有限，直流側也不存在匯流問題，DC 1 500 V系統基本不適用于離網光伏系統，故本文只對并網光伏發電系統進行研究與分析。圖2所示為目前并網光伏發電系統中常用的DC 1 000 V光伏發電系統的基本陣列單元組成結構圖。

圖2 DC 1 000 V并網光伏發電系統基本陣列單元組成結構圖

由圖2可知，并網光伏發電系統主要包括太陽能光伏組件、匯流箱、直流防雷配電柜、逆變器、變壓器以及其他輔助系統。其工作原理為:太陽能光伏組件利用半導體材料的電子學特性，將光能轉化為電能，由于單塊組件所串聯和并聯的電池片數量有限，其輸出電壓（一般30～40 V）和電流（一般7～9 A）較小，故將多塊組件串聯以提高直流電壓，形成光伏組件串，再將多串組件串并聯匯入光伏匯流箱以提高直流電流，進而多個匯流箱并聯接入直流防雷配電柜，進一步提高直流電流，再通過光伏逆變器將直流電轉化為工頻交流電，經過變壓器升壓后與高壓電網連接并網。

在并網光伏發電系統中，除組件、匯流箱、逆變器、變壓器等主要設備外，還需其他如監控系統、有功無功補償系統、安防系統、防雷接地系統等輔助系統，但本文主要分析研究DC 1 500 V系統與常規DC 1 000 V系統的優缺點，只涉及直流相關的組件、匯流箱、直流防雷配電柜、逆變器和它們之間的連接電纜，故對其他輔助系統不做深入介紹。

2 DC 1 500 V光伏發電系統設計和應用基礎

由并網光伏發電系統的工作原理可知，系統的直流電壓主要由光伏組件串的組件塊數決定。在目前常用的DC 1 000 V光伏發電系統中，與之配套的光伏組件、匯流箱、直流防雷配電柜、逆變器及電纜等，設計直流電壓均為DC 1 000 V。因此，設計與研究DC 1 500 V光伏發電系統，其前提是相關配套設備已滿足DC 1500 V系統要求。

2.1 太陽能光伏組件

太陽能光伏組件是光伏發電系統中的核心部分，也是光伏發電系統中成本和價值最高的部分，其作用是將太陽的輻射能轉換為電能。

1 500 V系統電壓會降低組件電氣的安全性和可靠性，同時增大PID等風險。因此制作1 500 V光伏組件主要考慮背板局放、電連接器和電絕緣等影響組件可靠性和安全性的因素，其難點主要在材料選取上，相關組件廠家主要采取以下方式來解決此問題。

（1）材料升級:背板PET中間層加厚；

（2）接線盒升級:線纜、連接器、電器間隙以及爬電距離均需滿足1 500 V認證要求；

（3）組件結構方式升級:

常規背板型結構:玻璃+1 500 V背板+EVA（POE）+鋁框+1 500 V接線盒。

雙玻型結構:玻璃+EVA（POE）+玻璃+1 500 V接線盒（無框）。

目前一些組件廠商已經相繼推出了1 500 V認證的產品，如英利、晶澳、中電光伏等主流組件廠商，為DC 1 500 V系統的應用提供了重要基礎。

2.2 匯流箱與直流防雷配電柜

匯流箱和直流防雷配電柜的作用都是為了減少太陽能光伏組件陣列與逆變器之間的連線，同時起到分級關斷功能。

DC 1 500 V光伏發電系統與常規DC 1 000 V光伏發電系統相比，當光伏系統電壓升至1 500 V后，對系統的安全性能要求也更高了，直流電和交流電不同，沒有過零點，一旦出現漏電，將會造成大的事故。因此根據斷路器的額定工作電流、額定工作電壓、分斷能力三大指標，來選擇一款合適的1 500 V直流開關對提升整個系統的安全性至關重要。

目前IMO、歐普、PROJOY、施耐德等均有符合相關要求的直流斷路器。

2.3 逆變器

光伏逆變器將光伏陣列產生的直流電轉化為交流電，是光伏發電系統的核心部件之一。

1 500 V系統電壓對光伏逆變器要求更高，主要考慮絕緣、電氣間隙以及電壓升高后可能帶來擊穿放電等問題，因此逆變器需要采用更復雜的拓撲結構設計和更高電壓等級的功率器件以及直流開關設備。

目前陽光電源、SMA等廠家均推出了適用于DC 1 500 V的光伏專用逆變器。

隨著符合DC 1 500 V光伏發電系統要求的太陽能光伏組件、匯流箱、直流防雷配電柜、逆變器等主要設備的研發成功，DC 1 500 V光伏發電系統已經具備了設計和應用的基礎。

3 DC 1 500 V光伏發電系統優勢

與DC 1 000 V光伏發電系統相比，DC 1 500 V光伏發電系統具有以下優勢:

（1）可以有效提高光伏系統效率

光伏系統功率為式（1）:

其中U為系統直流電壓，I為逆變器直流輸入電流。

由式（1）可知，直流系統電壓由1 000 V提高到1 500 V，直流輸入電流I減小。系統線損由式（2）計算:

導線截面積不變，導線電阻R不變，故線損P損降低，從而提高了系統效率。

（2）可以有效降低系統成本

當直流系統電壓提高到1 500 V時，組件串可串聯的組件塊數增加，在相同功率的系統中，相比DC 1 000 V光伏發電系統，DC 1 500 V光伏發電系統所需的匯流箱及組件與匯流箱的連接電纜數量均減少，從而降低了系統的成本。

（3）有效應對組件效率提高帶來的系統開路電壓提高的挑戰

由于轉換效率的提升，組件每提升5 W功率，峰值和開路電壓會線性提升0.3 V。在目前的DC 1 000 V系統的組網方案中，可以測算光伏組件達到480 W功率時系統開路電壓能超過DC 1 500 V，直流低壓側最高電壓極限為DC 1 500 V。故DC 1 500 V光伏發電系統的設計研究可以應對組件效率提升對直流系統電壓的要求，可以享受較長期的研發成果。

系統效率提高、系統造價下降對目前光伏設備市場具有非常大的意義，而有效應對組件效率提高對系統帶來的挑戰，也是極具前瞻性的研究。因此，DC 1 500 V光伏發電系統的設計研究具有實際經濟效益和廣泛的應用前景。

4 DC 1 500 V光伏發電系統設計和應用分析

4.1 設計思路

為了直觀地比較DC 1 500 V相對于DC 1 000 V光伏發電系統的優勢，本文針對1 MW光伏發電陣列單元，分別采用DC 1 000 V和DC 1 500 V進行系統設計，考慮組件開路電壓和短路電流溫度系數，首先確定組件串中組件的塊數，再選擇匯流箱和直流防雷配電柜，進而選擇合適的逆變器，并配置各設備之間的電纜。由于兩種設計方案只存在直流部分的差別，故本文對交流及其他輔助系統部分不做涉及。

4.2 DC 1 000 V光伏發電系統設計

本方案采用280 Wp的單晶光伏組件，其技術參數如表1所示，并選用陽光電源SG500MX逆變器2臺，其最大輸入開路電壓為1 000 V，MPPT電壓范圍為460～850 V。

表1 280 Wp的單晶光伏組件技術參數表

由表1可知:280 W組件的開路電壓Voc= 44.86 V，開路電壓溫度系數為-0.31%/℃，考慮溫度因數，在-20℃環境溫度中單塊組件的開路電壓為式（3）:

在逆變器的最大輸入開路電壓條件下，可串聯的組件數計算為式（4）:

因此，可選用19塊電池組件組成組件串接入發電系統，串聯后每串光伏組件串功率為:19× 0.28 kWp=5.32 kWp。故1 MW光伏發電陣列單元需配置188個電池串列，實際總功率為1 000.16 kWp，相應的需要配置16路智能光伏匯流箱12面，8路直流防雷配電柜2面，同時組件串與匯流箱連接電纜選用1×4規格約16 km，匯流箱與直流防雷配電柜連接電纜選用2×70規格700 m，直流防雷配電柜與逆變器之間選用1×300規格150 m。

4.3 DC 1 500 V光伏發電系統設計

針對DC 1 500 V系統方案，采用滿足1 500 V直流電壓的280 Wp的單晶光伏組件，其技術參數除最大系統電壓為1 500 V以外，其他與表1所示一致，并選用陽光電源為DC 1 500 V光伏發電系統專門研發的SG1000 HV逆變器1臺，最大輸入電壓1 500 V，MPPT電壓范圍780～1 200 V。

根據4.2中計算方法可得，可選用29塊電池組件組成組件串接入發電系統，串聯后每串光伏組件串功率為:29×0.28 kWp＝8.12 kWp。故1 MW光伏發電陣列單元需配置124個電池串列，實際總功率為1 006.88 kWp，相應的需要配置16路智能光伏匯流箱8面，8路直流防雷配電柜1面，同時組件串與匯流箱連接電纜選用1×4規格約10 275 m，匯流箱與直流防雷配電柜連接電纜選用2×70規格480 m，直流防雷配電柜與逆變器之間選用1×185規格150 m。

4.4 成本對比分析

由4.2和4.3部分的直流系統設計，結合現行光伏系統基本造價，可得如表2所示的1 MW基本陣列單元的成本對比表。

表2 直流系統主要設備清單及成本對比表

由表2可以得出，DC 1 500 V光伏系統設計方案價格比DC 1 000 V低0.097元/W，考慮相應土建和工程量，該數據約為0.11元/W。因此，采用DC 1 500 V光伏發電系統可節約電站成本約1.38%。

4.5 效率對比

由4.2和4.3中設計所得的相關數據，結合式（2）所示的線損計算公式，可得如表3所示的電纜損耗分析表。

表3 直流系統電纜損耗分析表

由于光伏逆變器效率相同，由表3可知，DC 1 500 V光伏系統設計方案效率比DC 1 000 V高0.316%。

5 總結

隨著太陽能光伏產業的高速發展和裝機容量的不斷上升，依靠財政補貼始終不是長遠之路，而提高光伏系統效率、降低光伏系統成本，真正實現光伏發電平價上網，是未來光伏產業的核心研究方向。

在目前光伏產業各設備成本降價空間極其有限的情況下，本文研究的DC 1 500 V光伏發電系統設計方案在降低系統成本和提高系統效率方面，均有良好的效果，與現行常規的DC 1 000 V光伏發電系統相比，可降低系統成本約0.11元/W，提高系統效率約0.316%，這對目前競爭激烈的光伏市場具有重要的作用，且可以提前應對光伏組件效率提升對直流系統電壓的要求，該研究具有一定的前瞻性。

雖然目前DC 1 500 V光伏發電系統未能得到廣泛應用，但隨著符合該系統應用的各設備的研發成功，以及相關標準的出臺和示范項目的應用，具有成本優勢和更高效率的DC 1 500 V光伏發電系統設計方案必將成為未來光伏發電系統應用的主流發展趨勢。

[1]田浩.風光互補并網發電系統的研究與開發[D].天津大學,2006.

[2]劉溪,王婷樂.太陽能光伏發電與并網系統的組成[D].華中電力,2014.

Research and Application Analysis of DC 1 500 V PV Systems

Xu Chuanjin,Wu Qi,Lin Lin,Luo Jianming

(Sichuan Dongfang Electric Auto Control Engineering Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

In recent years,the solar photovoltaic power generation has got rapid development and become an important way to solve the shortage of fossil fuels and cope with the climate change.Based on the introduction of the fundamental structure of PV systems, this paper has analyzed the current design scheme of DC 1 000 V PV systems which has a tiny space on reducing the system cost and improving the system efficiency.Then it has introduced the design basis of DC 1 500 V PV systems and advantages on reducing the system cost and improving the system efficiency,and finally has given the specific design scheme and analyzed the application prospect of DC 1 500 V PV systems.

PV,DC 1 500 V,cost,efficiency

TM614

A

1674-9987（2017）02-0061-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.02.014

徐傳進（1986-），男，工學碩士，工程師，畢業于天津大學自動化專業。現從事太陽能光伏及相關新能源領域產品研發、系統設計工作。