內蒙古自治區村級光伏扶貧電站系統設計及優化

王明

(上海霆華能源科技有限公司，上海 201314)

0 引言

脫貧攻堅戰是黨的十九大提出的三大攻堅戰之一，光伏扶貧作為“十大精準扶貧工程”之一受到高度重視[1]。第1批光伏扶貧項目共下達14個省(自治區)、236個光伏扶貧重點縣、8 689個光伏扶貧電站，扶持對象為14 556個建檔立卡貧困村的710 751戶建檔立卡貧困戶，其中包括內蒙古自治區錫林郭勒盟3個縣、112個村級光伏扶貧電站。本文以內蒙古自治區錫林郭勒盟村級光伏扶貧電站為研究對象，從實際工作出發，分析村級光伏扶貧電站的選址、系統設計以及并網方案的優化設計，為將來光伏扶貧電站項目的系統設計提供參考。

1 錫林郭勒盟村級光伏扶貧電站現狀

錫林郭勒盟位于中國的正北部，土地面積為20.3萬km2，全盟草原總面積為19.7萬km2，地處東經115°13′～117°06′，北緯43°02′～44°52′；年平均氣溫約4.3 ℃，極端最高氣溫為38.7 ℃，極端最低氣溫為-38.8 ℃，無霜期約130 d，季節性標準凍結深度為2.60 m；年降水量為170～190 mm，年蒸發量約為2 384 mm；風向主要為西北風，風力一般為3～5級，最大9～10級，年平均風速為5.5 m/s，是國內最佳的風力發電場地；海拔1 104.23～1 109.97 m，地形起伏不大，地貌屬第四系沖洪積平原地貌；當地以漢族為主，有蒙古族、回族、朝鮮族等23個少數民族。 綜上所述，在村級光伏扶貧電站選址和設計階段會面臨地廣人稀、語言溝通不便、氣候惡劣、草原防火等問題，導致系統設計的合理性更加難以把握。只有結合當地的實際情況對系統設計方案進行優化，才能使投資收益最大化。

2 村級光伏扶貧電站的選址

錫林郭勒盟地廣人稀、地形復雜、草甸草原分布廣泛，不適宜分散建設村級光伏電站。擬建項目存在建設用地距并網點距離遠、建設成本大、線路損耗高等問題。

對此，根據當地實際情況并征求相關政府部門意見后，確定該項目設計方案為多村聯建、分表計量、整體送出、統一運維，以方便運維及管理，并且為以后光伏發展留有空間。基于此，選址宜在有足夠消納能力的35 kV或110 kV變電站5 km以內。

表1 組件串聯數不同時開路電壓比選Tab.1 Comparison of open-circuit voltage with different number of components per string V

3 村級光伏扶貧電站的系統設計及優化

根據《光伏扶貧電站管理辦法》，村級扶貧電站單個電站規模原則上不超過300 kW，具備就近接入和消納條件的可放寬至500 kW。村級聯建電站外送線路電壓等級不超過10 kV，建設規模不超過6 000 kW。錫林郭勒盟有118個建檔立卡貧困村，備案112個村級光伏扶貧電站，采取多村聯建、分表計量、整體送出、統一運維的系統設計方案，將很大程度解決貧困村電網改造、扶貧項目選址、后期運營維護、三大村級光伏扶貧電站建設等難題。

3.1 光伏扶貧電站模式

光伏扶貧電站主要由光伏場區和送出線路兩部分組成，光伏場區包括光伏組件、組串式逆變器、交流匯流箱、變壓器等主要電氣設備。按照《光伏扶貧電站管理辦法》，村級光伏扶貧電站所發電量全部賣給國家電網有限公司，也就是“全額上網”。國家能源局和國務院扶貧辦對每座村級光伏扶貧電站進行了統一編碼并建立檔案目錄。國家電網有限公司提供計量表，國家根據發電量和相關政策結算補助資金。

3.2 光伏組串設計及優化

GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》中光伏組件串的串聯數N的計算公式為(2個公式需同時滿足)

式中：Vdc,max為逆變器允許的最大直流輸入電壓；Voc為光伏組件的開路電壓；Vpm為光伏組件的工作電壓；Vmppt,min為逆變器最大功率點跟蹤(MPPT)電壓最小值；Vmppt,max為逆變器MPPT電壓最大值；Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數；Kv′為光伏組件的工作電壓溫度系數；t為光伏組件工作條件下的極限低溫；t′為光伏組件工作條件下的極限高溫。

根據該地區的氣象資料，特別是歷史最高氣溫和最低氣溫，同時考慮固定安裝特點進行計算。

(1)逆變器參數：MPPT電壓范圍，200～1 000 V；最大輸入電壓，1 100 V。

(2)光伏組件參數：開路電壓Voc，38.9 V；峰值功率電壓Vmp，31.8 V；工作電壓溫度系數Kv，-0.330%/℃；開路電壓溫度系數Kv′，-0.330%/℃；額定功率，295 W。

(3)環境參數:最低溫度，-37.2 ℃；最高溫度，40.0 ℃。

將上述參數代入式(1)、式(2)計算N為18～24時的直流輸入參數，見表1。由表1可知，N為18～22時，可滿足逆變器的輸入要求。

綜上所述，該地區單臺逆變器可采用峰值功率為295 W的單晶硅電池組件，22 塊組件串聯為1 路組串。

在實際項目中，光伏組件的工作溫度和開路電壓受輻照度、溫度等環境因素影響較大，系統設計時直接取該地區極端低溫缺乏合理性。系統設計時需對光伏組件工作條件下的極端低溫進行修正[2]。

修正溫度

式中：tw為光伏組件在輻照度為80 mW/cm2、環境溫度為20 ℃及風速為1 m/s條件下的工作溫度，一般晶硅組件為45 ℃；S為輻照度，mW/cm2；ta為環境溫度，℃。

優化后可根據項目地實測的輻照度S和環境溫度ta計算出符合當地環境的組串串聯數量。

4 并網方案

根據國家電網有限公司頒布的《分布式光伏扶貧項目接網工程典型設計的通知》(國家電網運檢〔2016〕408號)，該地區村級光伏扶貧電站接入方式宜為10 kV電壓等級并網[3-4]。

5 圍欄設計

光伏扶貧電站設計理念是“無人值班、少人值守”，圍墻作為電站的保護設備顯得尤為重要。錫林郭勒盟屬于草原地區，冬季風大，大風很容易把枯草吹積在圍欄一側，長期積累會造成圍欄垮塌。建議圍欄方案為：先建設800 mm高磚墻作為圍欄基礎，再在磚墻之上做1 000 mm圍欄。這種設計雖然成本有所增加，但可以有效抵抗風沙、枯草給圍欄增加的載荷。

6 場區防火設計

該地區春秋季降雨較少，風較大，而且光伏場區內的直流極易產生拉弧，一旦引起草原火災，后果十分嚴重。因此，該地區除了采取規范要求的防火措施外，還要充分考慮當地的自然條件，建設草原防火隔離帶。草原防火隔離帶的寬度要視光伏場區實際地形而定，要能有效控制火勢蔓延。在易產生拉弧的設備附近安裝智能火源識別系統，保證第一時間發現火源、控制火勢。

7 結束語

(1)錫林郭勒盟的貧困村自然環境比較惡劣、交通不便、電網條件相對落后，按照備案分散實施，施工難度大、收益和后期運維無法保證。因此，對于偏遠地區的村級光伏扶貧項目，一定要深入貧困村收集一手資料，針對不同的地區，因地制宜，設計出合理方案。

(2)村級光伏扶貧設計最重要的環節之一就是送出系統。送出系統需要設計單位和當地電網公司積極配合才能順利完成相關設計。在初步設計階段，扶貧工作主導部門要做好各部門的協調工作，積極推進。

(3)國家電網有限公司規定：小型光伏電站總容量不能超過上一級變壓器供電區域內最大負荷的25%，這一規定使貧困村的光伏接入容量受到限制，建議國家相關部門加快貧困地區農網改造，確保村級扶貧電站和接網工程同步建成投產，光伏扶貧項目上網電量全額收購，及時發放補貼，使貧困人口都能用上綠色能源，早日脫貧。