大型光伏電站電氣設計與分析

喬麗麗

(特變電工沈陽電力勘測設計有限公司，沈陽110025)

1 國內外光伏發展現狀

近年來，國際上對太陽能的利用，無論是理論研究還是應用研究都取得了不小的進步，各國都將太陽能發電作為重點研究項目。據統計，到2050年，歐洲能源供給的100%將來自可再生能源，歐洲總電力裝機將達到1956 GW，其中PV裝機將達到962 GW。美國電力供給的80%將來自可再生能源，其中光伏總裝機將達300 GW。到2030年，日本全國一半以上的居民用電都來自太陽能，電力裝機容量快速增長。在光伏產業迅猛發展背景下，逆變器的技術水平也在不斷提升。在太陽能光伏并網發電系統中，逆變器是最為核心的部件之一，它具有完善的并網保護功能，對系統安全穩定運行起到了積極的促進作用。從目前來看，相較于國內，國外制造的逆變器效率更高，容量更大。

我國光伏發電的國內市場已被啟動，但在實施過程中卻舉步維艱。由于我國光伏發電站建設起步相對較晚，所以逆變器制造技術過于落后。很多設計單位不愿意將大量精力投入到光伏電站的設計上，因為光伏電站的投入成本與利潤不成正比。為了幫助光伏產業渡過難關，政府相關部門應建立健全政策支持和管理體系，不斷提高國內光伏電站的設計水平，將太陽能光伏電池的發電性能充分發揮出來，從根本上解決能源消耗問題。

2 太陽能資源

太陽能是世界上最為豐富的永久能源，在能源問題日益凸顯的今天，太陽能光伏發電作為一種新興的可再生能源而受到廣泛關注。太陽能光伏發電系統是由蓄電池、光伏電池、交直流逆變器、控制器等部件構成的。蓄電池用于存儲從光伏電池轉換來的電力，光伏電池用于光電轉換，交直流逆變器用于交直流轉換，最大限度地把光伏電池轉換的電能送入電網。控制器用于控制整個系統的全過程。相較于生物質能發電和風力發電，光伏發電沒有噪音，沒有枯竭危險，安全可靠，絕對干凈。我國是太陽能資源相對豐富的國家，具有利用太陽能進行光伏發電的優越條件。按照接受太陽能輻射量的大小，我國大致上可分為以下五類地區：一類地區為太陽能資源最豐富地區，二類地區為太陽能資源較豐富地區，三類地區為太陽能資源中等類型地區，四類地區為太陽能資源較差地區，五類地區為太陽能資源最少地區，具體如表1所示。

表1 我國太陽能資源分布表Fig.1 Distribution list of solar energy resources in China

3 主要設備選擇

光伏電站電氣系統主要包括高壓配電裝置、通信裝置、就地升壓變、無功補償裝置、繼電保護裝置、站用電裝置、主變壓器、逆變器、低壓配電裝置、匯流箱、集電線路。本研究具體分析光伏組件、逆變器和匯流箱。

光伏組件。由于硅材料成本低，其已成為光伏產業的重要基礎原材料。太陽能光伏硅材料通常分為以下三種：多晶硅、單晶硅、非晶硅薄膜。被光伏產業廣泛應用的是多晶硅和單晶硅，非晶硅薄膜幾乎處于停滯狀態。但今后一段時間，這三類硅材料都將是光伏產業主要的原材料來源，具體如表2所示。

表2 多晶硅、單晶硅、非晶硅薄膜三類硅材料的太陽能技術性能Fig.2 Solar energy technical characteristic of three types of silicon material, including polycrystalline silicon, monocrystalline silicon and amorphous silicon membrane

逆變器。作為一種新興的轉換器，是太陽能光伏并網發電系統的核心設備。逆變器的效率直接關系到系統的發電量。光伏逆變器按運行方式可分為光伏并網逆變器和獨立運行的光伏逆變器兩大類。光伏逆變器按系統連接方式可分為微型逆變器、組串型逆變器以及集中型逆變器三大類。光伏逆變器按用途可分為微網儲能逆變器、離網逆變器以及并網逆變器三大類。

匯流箱。作為一種接線裝置，它不僅能夠保證光伏組件有序連接，還能夠保證匯流功能的接線。方陣連接盒包括過壓保護功能、雷擊保護功能、多路太陽能方陣并聯功能以及太陽能電池過載保護功能。在設計選型時，要重點考慮溫升、顯示功能、安全、通信、浪涌、光伏組串過流保護、箱體結構、防雷、外殼防護等級因素。

光伏系統配置。要使光伏系統設計更加科學合理，必須充分考慮以下因素：組串設計、最佳傾角設計、組件性能、影響因素、光伏組件安裝方式、前后排間距計算。

4 光伏電站電氣設計

光伏電站電氣設計主要包括地升壓變、光伏電站發電單元、光伏電站集電線路接線方式以及升壓站主接線方式的連接。合理選擇主接線方案能夠切實提升電站運行的安全性、經濟性、穩定性。由于光伏電站集電線路的造價比重較大，所以在設計光伏電站集電線路時應科學選擇集電線路電壓等級和發電單元分組連接方式。電壓等級一般會選擇10 kV和35 kV。發電單元分組連接方式一般包括鏈形、環形、星形。從度電成本看，光伏投資的投資性不高，這在一定程度上阻礙了光伏發電的進一步發展。應在設計系統時對成本進行合理控制，提高光伏發電的市場競爭力。進出線回路數及其接線方式會隨著各側所接的系統情況發生變化。選擇電氣主接線時，應充分考慮操作簡便性、運行靈活性、供電可靠性等。光伏逆變器和光伏組件是光伏電站電氣設計時的重點選型設備，需要認真計算和分析光伏電站主接線方案。