大型分布式光伏并網發電系統的設計

□徐晨璐 熊澤豪 周 游

隨著全球能源需求的急劇增大導致全球變暖環境破壞等問題，大力發展可持續清潔能源改善全球能源結構、減少溫室氣體排放量并逐步替代石化能源是走可持續發展道路的重要措施之一。因此，發展光伏發電對全球能源結構的改善具有重要意義。國內現有文獻多為小容量分布式發電現狀的綜述或對太陽能與其他能源的聯合應用。本文提出一種大型光伏并網發電系統設計方法并提供電氣設計方案。

一、光伏并網發電系統基本原理

光伏并網發電系統(如圖1所示)主要設備包括：光伏電池組件、逆變裝置和控制裝置。光伏電池組件將光能轉換的直流電能，先通過DC/DC變換器將低壓直流轉換為高壓直流，再通過DC/AC逆變器對高壓直流逆變成用戶所需的交流電。控制系統通過PWM驅動信號控制DC/DC變換器使系統保持最大功率運行。

圖1 光伏發電系統框圖

通過與單級式光伏發電系統的性能比較，兩級式光伏發電系相對單級式光伏發電系統的區別是多了一個DC/DC變換環節，通過MPPT控制逆變過程保持最大功率運行，雖然多了一個DC/DC變換環節會使得能量轉換效率有所下降，但它的PV輸入范圍一般比單級式要寬，因此控制也較簡單，兩級式發電系統一般在中大功率的發電系統中適用較多，而小功率的組串式光伏發電系統則一般都是帶單級式光伏發電系統以保證發電效率。根據光伏發電系統設計的技術要求，兩級式光伏并網發電拓撲結構如圖2所示。

圖2 光伏并網發電拓撲結構

本次設計按照要求采用工業上應用較為廣泛的模糊控制改進變步長尋找光伏發電最大功率點(MPPT)。其主要控制思想是在變步長小擾動控制方法加入模糊控制系統，使得步長變化量有更合理的選擇。DC/AC逆變部分采用PQ控制，并在PQ控制的基礎上對電流環PI參數進行了改進。對于并網同步問題采用傳統可靠的PLL鎖相技術保障系統同步運行。濾波器采用能消除開關次諧波的LCL通用濾波器。

二、光伏并網發電系統設計

(一)設計目標與方案。本文設計大型分布式光伏并網發電系統，建設容量為30MW，單個區域為5MW；選用單晶硅光伏電池組件作為本系統發電單元，根據系統選址設計科學合理的光伏發電并網系統。本文設計要求將光伏電池產生的直流電逆變為380V交流供用戶使用，多余電能并入10kV配電網。根據上述分析，要求光伏發電系統的電壓所產生的總諧波畸變率不大于5.0%，并網型逆變器在逆變后電壓波形的總諧波畸變率均控制在3.0～4.0%左右，可以達到國家標準。以單個區域為例：根據選址廠房面積和設計要求，系統設計機構由光伏電池組件經過串并聯陣列經匯流箱輸送給直流配電柜，經直流配電控制尋找跟蹤最大功率點對應電壓后，接入大功率并網逆變柜，最后通過雙分裂變壓器升壓到10kV實現并網發電，總體設計框圖如圖3所示。

圖3 總體設計框圖

(二)光伏電池組件串并聯與發電量計算。由于光伏電池單體輸出電壓、電流和功率小，需要對光伏電池串并聯以達到工作電壓和電流。設計光伏發電系統電池組件布置方案，一般計算方法如下：

光伏電池組件串聯數由系統工作電壓確定，電池組件串聯后電壓增大以達到負載要求，具體公式為：

(1)

式中，UN：系統工作電壓；Upvmax：組件峰值工作電壓；KC：正常工作下電壓峰值與額定電壓的比值，一般取1.43。

光伏組件并聯數與組件的發電量有關，其發電量與單位面積太陽能輻射每年總量、光伏組件總面積有關，同時要考慮光伏電池組件外界條件變化、自身轉化功率衰減、電路損耗、逆變器效率等因素，具體公式為：

(2)

式中，SEp：光伏系統總裝機容量；NC：光伏組件串聯數；Ppv：光伏電池組件發電功率；Ks：損耗系數；ηin：逆變器效率系數。在一般系統中，系統損耗系數取0.9，逆變器效率系數取0.9。

根據光伏電池組件面積、太陽光照強度、光伏系統光電效率、光伏電池組件轉換效率等數據，可預測光伏發電系統年發電量。其發電量計算公式如下：

EP=(HA×PAZ×K×ηsystem×ηmodule)/ES

(3)

式中：EP：光伏系統發電量k·Wh；HA：水平面太陽能總輻照量k·Wh/m2；PAZ：組件安裝容量k·Wp；ES：標準條件下的輻照度取1kWh/m2；K：綜合效率系數，根據實際情況和計算，取K=0.88；ηsystem：光伏系統的發電效率；ηmodule：電池板組件轉換效率。其中光伏電池組件轉化效率η在目前常用的光伏電池組件中，單晶硅電池組件取14%～15%，多晶硅電池組件取13%～14%。修正系數K則由多個因素造成，如：光伏電池組件朝向和傾斜角的修正系數K1，光伏電池組件高溫運行衰減系數K2，光伏電池組件室外灰塵覆蓋功率下降導致的衰減系數K3，逆變器轉化效率修正系數K4，線路損耗修正系數K5，即K=K1K2K3K4K5。在一般系統中，系統損耗系數取0.9，逆變器效率系數取0.9。

三、工程設計實例

本文以某國家級高新科技園區廠房屋頂建設30MW光伏發電及智能微電網應用示范項目為設計實例。設計選用320Wp單晶硅光伏電池組件，最大輸出電壓為46.3V，其光電轉化效率大約在14%～19%，比其他兩種光伏電池板的轉化效率高。

根據式(1)、式(2)計算光伏組件串聯數和并聯數得到系統采用14個組件串聯可達到系統工作電壓值，分布式系統單個區域采用108路并聯能到達系統設計要求；光伏并網發電系統容量為30MW，共需要93,750個光伏組件。根據式(3)預計設計系統的發電量。在設計中，系統損耗系數取0.9，逆變器效率系數取0.9。本系統中各項取值為：HA=400kWh/m2，ηsystem初始取80%，ηmodule取14.75%，計算年發電量約為28830.7MWh。應用Pvsyst軟件進行校驗，誤差小于5%即認為預計計算為準確值。

四、結語

本文主要研究和設計大型分布式光伏并網發電系統，通過對光伏發電系統的選址、光伏電池組件選型、布置角度設計，合理設計每一個區域的裝機容量，要求每一部分有合理的設計方案，考慮可靠性、優質性和經濟性等方面。根據30MW光伏并網發電系統設計實例分析，為大型光伏并網發電系統設計提供了實踐經驗。