移動光伏系統的設計計算方法

袁 元，張海龍，葛玉石，周力民，郭 慶，唐春秀

(常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州213025)

0 引言

電網覆蓋不到的偏遠地區，目前仍采用傳統的柴油發電機供電。柴發供電方式存在油料補給困難、利用效率不高，而且污染環境、噪聲大、隱蔽性差等問題，既影響了人員休息、有害健康，也浪費了自然資源。為了改善這些不利因素，結合當地光照豐富的自然條件，光伏等新能源發電開始運用到這些供電場景中。但現有的光伏發電設備往往需要就地施工，結構復雜，不便于移動和轉運。即便有少量的移動光伏系統，也多與車輛集成、光伏容量小［1］。或是簡單存放于集裝箱內，使用耗時耗力、供電的便捷性不足［2-3］。開發一種移動光伏系統投入到上述場合，將有效緩解野外供電方式單一的局面，提高野外設備的用電安全［4］。

1 整體概況

本移動光伏系統一般有兩種典型的使用方式。一是將整套光伏系統安裝于一個方艙中，對外為一路輸出，光伏系統需要與單獨的儲能方艙配合使用。儲能方艙的PCS 上設有多路光伏輸入的接口，多個光伏方艙可以對接到同一儲能方艙上。光伏方艙與儲能方艙的數量可以靈活組合，以改變新能源的輸入占比。二是將光伏、儲能均集成在一個方艙內，使用更方便，但不便于擴展［5-7］。兩種方式涉及到光伏系統部分的結構類似，本文按第一種方式舉例展開討論。

2 電氣部分

電氣部分是實現光伏方艙發電的功能載體，該部分由光伏板、匯流箱以及連接線纜組成。光伏板尺寸受到制造工藝、成本以及安裝等因素限制，單塊光伏板的電流、電壓較小，難以滿足用電負荷的功率需求。因此需要對光伏回路進行一定的串、并聯設計，以提高光伏系統的輸出功率。

2.1 光伏板參數

在標準大氣質量 AM1.5、溫度 25 ℃、輻照度1 000 W/m2條件下，相關參數如表1。

表1 單塊光伏板參數

2.2 理想工作電流、電壓

本文中，光伏方艙集成40 塊小光伏板，均布在20 塊組件上，即每個組件上安裝有2 塊小光伏板，最終一個光伏方艙對外只有一路總輸出。

單個組件上裝2 塊光伏板，采用串聯方式，電氣參數：

20 塊組件，采用“4 串 5 并”方式連接。將 20 個組件分成5 組，組內4 個組件連接方式為串聯，組與組之間連接方式為并聯，每串電氣參數：

因此，光伏方艙對外總輸出的電氣參數：

實際光照下的工作電流會小于上述理論值，但工作電壓差別不大。

2.3 理想開路電壓

光伏板開路后電壓會有所升高，經過一定的串聯后電壓升高值會被進一步放大，考慮到移動微電網系統的電氣安全要求，須對光伏方艙的理想開路電壓進行計算，以指導絕緣設計。本文中選用的單塊光伏板開路電壓升高倍數為39.9/32.6 = 1.22，由此可知：

單個組件的開路電壓：

光伏方艙對外輸出母線的開路電壓：

實際光照下的開路電壓與上述理論值差別不大。

2.4 匯流箱

為減少光伏電池陣列與PCS 之間的連接線路，優化系統結構，提高可靠性和可維護性，需在光伏電池陣列與PCS 之間增加匯流箱。本系統的匯流箱為5路輸入、1 路輸出，通過防雷器和斷路器后輸出，方便后級PCS 的接入。匯流箱由熔斷器、接地端子、直流防雷器、直流微型斷路器、面板插座、透氣閥等部分組成。

2.5 系統接地

根據國標規定，電氣設備外殼需有效接地。本文中在光伏方艙外殼上焊接螺柱作為接地點，光伏方艙外殼接地點、匯流箱接地點均使用接地線連接。匯流箱接地點需先接入匯流箱中的接地端子，然后將匯流箱的接地端子與光伏方艙外殼接地點等電位連接。最后將光伏方艙外殼接地點與地釘(大地或地網)連接，接地完畢后需測量接地電阻。

3 結構部分

移動微電網系統不同于傳統的光伏發電設備，考慮到設備工作地點經常變更，故對設備安裝與部署的便捷性有較高要求。為減輕設備的重量，便于操作維護，光伏方艙采用了大量的桁架結構［8］。由于系統工作在偏遠地區，常有大風等惡劣氣候條件，因此需要對關鍵支撐桿等部件進行校核計算，以確定方艙的安全性。要求的抗風壓能力為：風速9.4 m/s(相當于5 級風力)條件下展開、收攏，風速20.7 m/s(相當于8 級風力)條件下穩定運行。

3.1 基本參數

單個組件質量：MZJ= 33 kg；光伏板與水平方向夾角：20°。工作風壓：8 級，ω0= 0.276 kN/m2。安裝條件：地面粗糙度為B 類。

風荷載標準值［9］：

上式中：βz為風振系數，取 1.0；μs為體型系數，逆風取-1.35，順風取 1.35；μz為風壓高度變化系數，取1.0。

3.2 受力分析

由于野外條件下風向變化較多，不同條件下支撐桿的受力各不相同，但是其最大受力不會超過幾種典型的風向條件下的值，故本文僅對幾個典型的條件進行設計計算。

(1)風垂直于光伏板向下吹時，支撐桿受力情況，受力情況如圖1 所示。結合實際工作狀態簡化分析，且認為左桿、右桿受力方向為桿的軸向，風力方向垂直于光伏板，單側光伏板有兩組支撐。

圖1 光伏板展開后受力圖(風力向下)

單塊組件的外形尺寸為1.6 m × 2.1 m。

此種工況下，支撐桿件受力壓縮。根據GB50009-2012 選取使被分析對象受力較大的安全系數，風力的安全系數取1.4，重力安全系數取1.2，故：

以光伏板中間鉸鏈為節點：

右側：

左側：

即 F左桿= 1.33 kN

從而，F桿max= F左桿= 1.33 kN

(2)風垂直于光伏板向上吹時，支撐桿及繩子受力情況，受力情況如圖2 所示(簡化計算，設繩子與地面夾角為45°，單側光伏板有兩根繩子，右桿不受力)。

圖2 光伏板展開受力圖(風力向上)

此種工況下，左支撐桿件受力壓縮，繩子受力伸長。根據GB50009-2012 選取使被分析對象受力較大的安全系數，風力的安全系數取1.4，重力安全系數取 1.0，故：

右側：

左側：

從而，F繩子= 0.86 kN，F左桿= 0.91 kN

(3)當一側光伏板展開，另一側光伏板未展開，風垂直于未展開側光伏板吹時，該側繩子受力情況，見圖3、圖4：(簡化計算，設繩子與地面夾角為45°，單側光伏板有一根繩子)

圖3 光伏機構抽出圖

圖4 光伏機構抽出受力圖

同上，風力安全系數取1.4，故：

第一級：

第二級：

(4)當一側光伏板展開，另一側光伏板未展開，風垂直于集裝箱側壁吹時，為校核集裝箱的抗風能力，分析光伏艙箱壁受力情況(簡化計算，不考慮繩子拉力)：

同上，風力安全系數取1.4，重力安全系數取1.0，集裝箱和第一、二級光伏板的相關尺寸如圖3、圖5 所示，故：

重力力臂L1= 0.75 m(質心到側壁距離)；風力力臂L2= 1.05 m(箱高一半)

則風力對網絡光伏艙傾覆力矩T1為：

T1= F風力× L1= 10.56 × 1.05 = 11.08 kN·m

網絡光伏艙自重抗傾覆力矩：

T2= W總× L2= 16.66 × 0.75 = 12.5 kN·m

得T1＜T2，所以光伏艙能滿足抗風要求。

(5)艙門所受風力大小計算

風力是面力，在單位面積上均勻分布，所以它合力的作用點在門的幾何中心，艙門受風力示意圖如圖6 所示。

圖5 光伏艙傾覆受力圖

圖6 艙門受力圖

最大艙門面積：A = 1.126 × 1.814 = 2.04 m2

同上，風力安全系數取1.4，故：

則，F開門力= F風力/2 = 0.53 kN

一般成年人的臂力是300 ～600 N，因此，在5級風力下開合電站各門所需的力在一般人的臂力范圍之內。

由上計算得知，方艙能在5 級風力下展開收攏。

4 野外調試

某次野外調試，系統由儲能方艙、光伏方艙兩部分組成，數量各為1 套。環境為離網無市電、 儲能SOC 儲備較高、有光伏輸入，記錄風速為7-8 級風。

早上，儲能方艙上電開機，按相應控制策略成為主機，設備網絡編號為5。網絡中無油機方艙或其它儲能方艙接入，在線設備數量為1。由于有光伏輸入，無負載(顯示運行設備為0)，儲能運行于逆變帶載、待供狀態，系統按“充電模式”運行。此時光伏輸入功率為6.9 kW，對儲能電池充電，由于顯示精度、零漂、損耗、SOC 容量較高充電功率限制等原因，顯示電池充電功率為-4.5 kW，儲能電池SOC 為89%。“-”為電流的方向，含義為電池處于充電狀態；如果不帶符號，則含義為電池處于輸出狀態。由于早上光照較弱，光伏發出了額定功率的58%。

圖7 光伏對儲能充電界面

5 結語

光伏板經“4 串5 并”方式連接后，方艙對外輸出母線的電壓為260.8 V，電流為45.95 A，理想工作條件下的輸出功率達到12 kW。經設計計算，本文中的光伏方艙在8 級風力下正常工作時，支持桿的最大受力為1.33 kN，防風繩的最大受力為2.9 kN。方艙可以在5 級風力下完成部署，方艙自重可以滿足在8級風力下的正常工作而不發生傾覆。最終經野外調試運行，本光伏方艙具有可行性，運用到移動微電網系統可以有效提高新能源發電的比例，改善離網地區的供電結構。