基于海口電廠灰場智能光伏發電系統總體設計

李婷 李承儒

摘要：太陽能作為安全可靠性的清潔可再生能源，使得光伏并網發電具有諸多優點，本課題從光伏發電系統基本設計理論對海口電廠灰場光伏發電系統進行了研究，主要研究內容和結論如下：

闡述了太陽能資源總輻射的計算方法，對光伏發電系統電氣部分的選型進行介紹，給出了海口電廠灰場光伏發電系統的總體設計方案。結論表明：本文基于天文總輻射和日照百分率的方程近似計算太陽總輻射氣候學特征。選用285Wp 單晶硅組件，共213360 塊，實際裝機容量60.8076MWp，共36 個方陣，每個方陣約為1.7MW，選用50kW 組串式逆變器。

關鍵詞：光伏并網;太陽能資源;系統設計

1太陽能資源總輻射計算方法

我國太陽能資源由于國土面積大而具有明顯優勢，如果將我國的每年地表接受的太陽能資源按照標準煤炭儲量進行換算，可以達到17000 億噸的數字。根據氣象部門的調查、測算，我國的太陽能年輻射量最大面積集中在青藏高原地區，輻射量最高可以達到10100MJ/m2，我國的太陽能年輻射量最小面積集中在四川盆地，輻射量平均為3300MJ/ m2）將等值線進行劃分后，可以從從大興安嶺南一直向西南方向，途徑河套地區，向南可沿伸至青藏高原東側，最遠可達西藏南部，這條等值線以東地區屬于非內陸地區，全年降雨量較大，云量較多，包括東北、長江中下游地區、花唄以及四川地區，其中四川地區的輻射量最小，由四川向南北兩方向輻射量呈遞增。等值線以西為太陽能輻射量多的地區，這些地區的年日照小時數大于3000小時，這些地區地處內陸，氣候以干旱少雨為主。即便如此，我國的太陽能能源仍舊處于世界領先地位，其豐富以及較為豐富的地區占國土總面的三分之二。

QX/T 89-2008提到的《太陽能資源評估方法》，將太陽能豐富程度做四個等級劃分，劃分結果如下所示：

上表中將太陽能資源的豐富程度做了四等級的劃分，其中：一類地區：全年輻射量≥6300MJ/ m2。涵蓋的地區主要包括了甘肅北部、青藏高原以及新疆南部和寧夏北部地區。二類地區：全年輻射量在 5040～6300MJ/m2，主要包括了山西北部、寧夏南部以及甘肅中部和青海東部以及內蒙古南部以及河北西北部地區。第二類地區為太陽能資源較豐富地區。三類地區：全年輻射量在 3780～5040MJ/m2。三類地區：全年輻射量在 3780～5040MJ/m2。其中主要包括了山西南部、河北東南部、河南山東地區、新疆北部、吉林以及云南、浙江和陜西北部、福建以及遼寧、安徽北部和江蘇北部地區。四類地區：全年輻射量<3780MJ/m2。四類地區：全年輻射量<3780MJ/m2。，其中主要包括了四川盆地、長江中下游以及貴州地區，這些地區因為日照較少、降雨和云量較多，成為了我國太陽能資源最不豐富地區。總體而言，前三類地區的年日照數都大于等于2200小時，同屬太陽能資源豐富和較為豐富地區，面積占我國國土縱面的四分之三以上，四類地區由于條件限制，太陽能資源較少，利用價值相對較低。

現階段常見的計算太陽總輻射的方法是利用估算方程得到基于基于日照百分率和天文總輻射的數學方程：

（1-1）

式中? Q——太陽總輻射;

Q0——天文總輻射;

S/S0——日照百分率，其中S為實照時數，S0為可照時數;

a，b——回歸系數。

在式（2-1）中，提到的天文總輻射計算公式如下：

（1-2）

式中? T——周期（24×60×60s）;

I0——太陽常數（13.67×10-4MJm-2s-1）總輻射;

ρ——日地相對距離;

ω0——日落時角;

ψ——地理緯度;

δ——太陽赤緯。

利用逐項求和的方式，將每個月的日天文總輻射用Q0來表示。

在式（2-1）中，可照時數S0可利用下式計算得到：

（1-3）

式中? r——蒙氣差，一般取34。

2. 電氣部分的選型和設計理論

2.1 逆變器選型技術指標

作為太陽能光伏發電最為重要的部件以及系統設計中的關鍵部分，光伏逆變器的正常運行直接影響著整個發電系統能否正常工作，所以對于逆變器的選型，需要特別注意。逆變器的配置除了應該參考光伏發電系統的各項指標進行選定，同時還需要根據產品出廠時商家配備的操作手冊和說明進行選定，一般需要考慮的技術指標包括了：

（1）額定輸出功率

逆變器向負載端供電的能力稱之為額定輸出功率，額定輸出功率越高則代表逆變器可以將更多的電量向負載端輸入。在選定光伏逆變器型號的時候，首先就需要將額定輸出功率考慮在內，應該選定可以滿足最大負荷情況下設備對于負載功率的產生情況以及考慮擴容情況下，外接負載的功率大小。當線路負載的功率因數在0.9以上或用電設備的負載端是以純電阻作為主要負載的情況下，選定的逆變器額定輸出功率應該為用電設備總功率計算結果的110%至115%。

（2）輸出電壓的調整性能

光伏逆變器輸出電壓的穩壓能力用輸出電壓調整性能來衡量。在選定該參數時，往往需要參考允許范圍內的直流輸入電壓，將逆變器的輸出電壓波動偏差百分比計算出來，并將這一數值稱之為電壓調整率。同時有些高性能的逆變器還會同時給出零負載至滿負載變化過程匯總，光伏逆變器輸出電壓的偏差百分比，并將這一數值稱之為負載調整率。分別衡量光伏逆變器電壓調整率以及負載調整率的指標是：小于等于±3%、小于等于±6%。

（3）整機效率

逆變器自身功率損耗情況用整機效率來表示。一般情況下，需要對于容量較大的逆變器額外給出不同負荷狀態下工作的效率值，包括低負荷工作狀態和滿負荷工作狀態。一般 kW 級以下的逆變器的效率應為 85%以上;10kW 級的效率應為 90%以上;更大功率的效率必須在 95%以上。由于逆變器的效率直接回影響到光伏發電系統的發電量以及承恩控制，所以一般選擇光伏逆變器時，會優先選擇整機效率較高的型號。

（4）啟動性能

額定負載條件下逆變器的啟動可靠性評價指標稱之為啟動性能，能夠做到連續且多次在滿負荷情況下正常啟動且可靠性較強的光伏逆變器稱之為高性能光伏逆變器，同時也是為了保證功率開關等器件和其他電路的穩定運行。而常見的采用軟啟動或限流啟動措施的電路則會選用小型光伏逆變器。

2.2 光伏方陣的設計和布置

設計光伏方針的原則可以歸納如下：

（1）組串是由太陽能電池組件串聯而得到的，組串的輸出電壓變化應該在逆變器正常工作的輸入電壓允許范圍內。

（2）太陽能電池組件與逆變器的直流輸入側相連的總功率應該要超過設定的逆變器的額定輸入功率，但是要在逆變器的最大輸入功率允許的范圍內。

（3）組串的最高輸出電壓應該在自身系統允許電壓的范圍內。

（4）電池板到逆變器的直流部分這段距離，應該采用盡可能短的線纜，這樣不僅可以做到降低系統的功率損耗還可以降低線路的電流以及電壓損耗。

根據《光伏發電站設計規范》中關于光伏子方陣串并聯設計的GB 50797-2012標準規范，計算得到光伏組件數量為：

（1-4）

式中? Vdcmax——逆變器允許最大直流輸入電壓;

Voc——光伏組件開路電壓;

KV——光伏組件開路電壓溫度系數;

t——光伏組件工作條件下的極限最高溫度;

N——光伏組件串聯數。

實際的施工設計中，還需要考慮方陣的布置方向以適應不同的環境變化。下圖就展示了兩種常見的光伏方陣布置方案，即豎向布置與橫向布置，分別如圖1-1 和1-2所示：

圖1-1 光伏組件豎向布置的光伏電站

圖1-2 光伏組件橫向布置的光伏電站

就目前建成的光伏電站中，橫向安裝方式由于的成本較高且安裝過程較為復雜，建設完工速度較慢等缺點而造成使用的場合較少。相比之下，采用最多的就是豎向布置方式，主要是因為安裝技術成熟、安裝過程簡單且建設完工速度較快。但隨著各光伏電站運行中經驗總結，橫向的安裝技術已經相對成熟，另外，豎向或橫向布置對發電量影響較大。具體如下：

（1） 前后遮擋造成電站發電量損失

電站的設計往往需要考慮到陣列的間距大小，作為設計中非常重要的參數，實際工程中，常會將陣列間距的設置條件假設為僅存在冬至日的6 個小時不遮擋。同時為了能夠降低面積的占用率，需要在不同時段，對方陣進行必要的遮擋措施，以免造成不必要的電力損耗。因此，相同裝機容量的電站，橫向排布相比較豎向排布，陣列間距相對要小，占地面積減少，可以節省用地。

（2） 光伏組件都有旁路二極管

將串聯支路中由于受到遮擋而造成無法進行光伏轉化而只作為負載進行電能消耗從而產生熱量損耗的現象叫做熱斑效應。由于熱斑效應而造成電路損耗過重的現象，可能會危及其他太陽能電池組件，為了能夠將這種效應造成的損失降至最低，需要在太陽能電池組件的正負極間并聯一枚二極管，類型為旁路二極管，這樣就可以避免因遮擋而造成無法進行光伏轉化而只作為負載進行電能消耗從而產生熱量損耗的問題發生。）旁路二極管的作用：當出現太陽能組件由于熱斑效應引起的部分組件不能發電只能發熱的狀況時，起到旁路作用。使得有問題的組件所產生的電流能夠從旁路二極管中流出，不會影響系統的繼續運行，這樣就消除了問題所產生的影響。

（3） 二極管在縱向遮擋和橫向遮擋時的作用

使用豎向遮擋時，會使得陰影同時能夠遮擋住三個電池串，如果此時將三個二極管全部放置為正向導通，那么此時的組件功率輸出為0，如果此時三個二極管沒能全部放置為正向導通，那么此時組件產生的功率會被電池消耗，但是此時組件的功率輸出也表現為0。使用橫向遮擋時，會使得陰影同時能夠遮擋住一個電池串，此時二極管因為承受正壓而正向導通，那么此時的組產生的功率會被電池消耗，另外2 個電池串可以正常輸出功率。總結起來是，采用豎向遮擋，三個電池串可能會收到一定的影響而導致組件的輸出功率為0;橫向遮擋會使得一個電池串受到影響，保證另外兩個電池組件正常運行。

計算兩種遮擋方式，可以得到以下結果：采用豎向遮擋，組件的輸出功率為0，采用橫向遮擋，組件的輸出功率為正常情況下的三分之二，橫向遮擋對線路和組件起到了明顯的保護作用。因此實際工程中，常采用橫向排布用于太陽能電池組件的搭建，可以降低因為陰影遮擋面積減小造成的發電量損失的不良影響。

2.3 光伏換流器模型和基本控制理論

圖1是使用了電壓源式的光伏逆變裝置的拓撲結構圖，其中逆變器側以及電網側電感分別表示為Lk和Lgk。Rk和Rgk為線路上的逆變器側和電網側寄生電阻，R為直流母線上的限流電阻，Udc為直流母線電壓，其中k=a、b、c。其拓撲結構如圖1-3所示。

圖1-3 光伏換流器的結構

圖1-3中ilk

由圖3的逆變系統含高次系數與不含高次系數的波特圖對比可知，由于考慮到高次系數對于低頻信號的影響較弱，將高次系數忽略，更新后的開環傳遞函數是：

（2-9）

（3）考慮到場區的情況以及實際工程經驗，本設計的組串式逆變器是24個組件串聯而成。采用光伏組件橫向排布方式，水塘部分采用水面光伏形式，考慮當地臺風影響采用橫9 豎4 布置方式，組件隨坡平鋪。項目接入系統電壓等級按110kV 考慮，光伏單元內共安裝4800件245 W光伏組件，總共240串光伏組件，每20塊分為一個單支，總共設計18個直流防雷匯流箱，按照每12至16個支路連接匯入防雷匯流箱，每臺直流匯流柜接來自4～5個直流防雷匯流箱的匯總出線，最終再由250kW逆變器接入來自直流匯流柜的直流電。新規劃一座 35kV 配電室，廠區內規劃36 個子方陣，共計60MW。根據本工程性質、接入系統電壓等級，電站應向海南中調、海南備調、海口地調發送遠動信息，并接受調度部門的指令。選擇《繼電保護和安全自動裝置技術規程》以及《電力裝置的繼電保護和自動化裝置設計規范》作為本設計的繼保配置參考手冊。設計的復合控制策略，簡化了坐標變換和解耦計算過程，加強了入網電流的控制能力，最終可以改善系統的動態穩定可靠程度，同時提升并網后的電流質量。系統總效率為81.632%。

3 展望

本設計參考了光伏發電系統基本設計理論、對光伏電場工程深入了解后，基于光伏電場工程地質分析以及系統的電氣設計，雖然對海口電廠灰場光伏發電系統進行了深入的研究，但還有很多不足之處需要深入開展研究：

（1）應深入廣泛的統計該地區歷史氣象數據和地址數據，預測得到更為準確的太陽能資源信息和巖土地址信息，為光伏電場后續運行提供數據基礎。

（2）在現有設計方案的基礎上，應深入探索可靠性更高、效率更高的太陽能組件與逆變器等元件的設計方法。

（3）在電氣一次設計中，應配合網架結構，進一步加強光伏并網運行的穩定性，研究電網擾動時光伏的保護方法。

（4）應深入研究和優化現有控制策略，保證光伏系統并網穩定運行和故障良好響應。

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