光伏發電系統的設計及應用

趙靈燕

（北京中鐵建電氣化設計研究院有限公司，北京 100043）

0 引 言

隨著“碳達峰、碳中和”各項工作政策的發布，在眾多有利因素加持下，國家能源局表示“十四五”時期因地制宜地建設一批農光互補、漁光互補、牧光互補等多模式的光伏發電項目[1]。光伏發電原理是光生伏打效應。光生伏打效應是半導體PN結表面受到太陽光照射時，其內產生大量電子空穴對，在電場作用下運動，產生電動勢和電流。單晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化鎵以及硒銦銅等材料的發電原理基本相同，現以常用的單晶體為例，結合華電韶關熱電公司3.8MW分布式光伏項目描述光伏發電的設計過程。

1 太陽能資源的分析

1.1 我國水平面太陽輻射分布

太陽總輻射包括3部分內容，分別是直接輻射量、散射輻射量以及反射輻射量。直接輻射量為太陽直接發出而沒有被大氣散射改變投射方向的太陽輻射；散射輻射量是空氣等各種微粒被太陽輻射分散成無方向性且不改變其單色組成的輻射；反射輻射量是太陽輻射被表面折回的且不改變其單色組成的輻射。

按照GB/T 37526—2019《太陽能資源評估方法》，太陽能資源豐富程度以太陽總輻射的年總量作為指標（國際單位1 kWh/m2=3.6 MJ/m2國內氣象單位）[2]。年水平面太陽總輻照量等級如表1所示。

表1 年水平面總輻照量等級

1.2 太陽能資源數據的獲取

太陽能資源數據的主要來源有以下兩個方面。一是NASA衛星數據，美國國家航空航天局下屬的科學委員會長期支持衛星觀測系統并提供相關數據，該數據廣泛應用于地球科學系統研究。二是Meteonorm數據，該數據來源于瑞士的研究所，包含有全球7 000多個氣象站的輻照數據，其中我國有90多個氣象輻射觀測站收錄在該軟件的數據庫中[3]。

本項目采用Meteonorm7.0氣象數據計算得到場址代表年水平面總輻射量取值為4 795.2 MJ/m2，處于3 780～5 040 MJ/m2范圍內，年水平面總輻射量屬于C類（豐富），太陽能資源穩定度為0.42，項目所在地的太陽能資源屬于B類（穩定），項目場址太陽能資源直射比年平均值為0.62。從太陽能資源的豐富性角度來看，本項目具備較好的開發潛力[4]。

2 光伏系統方案設計

2.1 光伏系統構成

光伏發電系統由光伏組件矩陣、逆變器、箱變、升壓站等組成，光伏組件矩陣所發出的直流電流經逆變器逆變成交流電流，以一定的電壓等級從用戶側或公共電網側傳輸到與電網連接的光伏發電系統。光伏發電系統構成如圖1所示。

圖1 光伏發電系統構成

2.2 光伏組件的選用

單晶硅光伏組件的功率規格目前分為兩檔，分別為60片電池片（半片組件為120片）和72片電池片（半片組件為144片）。選型時需考慮降低光伏組件安裝量，減少安裝時間和安裝材料，減少系統連線，同時還要考慮市場供求關系。為確保項目如期順利投運，經過詢價和調研市場上各功率段組件產能，本項目選用540W單晶PERC半片多主柵光伏組件，耐壓1 500 V，光電轉換效率為20.9%。

2.3 逆變器的選型及計算

逆變器是光伏發電站系統中的關鍵裝備，應具備如下功能和特點。一是高效的DC/AC功率變換和組串最大功率點追蹤，將光伏組件發出的直流電流轉換為交流電流再并入電網；二是支持多路最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術、低啟動電壓技術以及低運行/自耗電技術；三是能長期在1.1倍額定功率下運行；四是具有高可靠性技術，能夠實現零接觸運維。

光伏電站的組串高精度數據采集單元負責實現對每路組串電壓、電流數據的采集和上傳功能，確保數據采集的準確度。本項目選用的100 kW組串式逆變器交流輸出額定功率100 kW，交流輸出最大功率110 kW，最高直流輸入電壓1 100 V，每路MPPT最大輸入電流26 A，每路MPPT最大短路電流40 A，MPPT電壓范圍200～1 000 V，額定輸入電壓585 V，輸出電壓頻率50 Hz，最大輸出電流158.8 A。

2.4 光伏系統設計

2.4.1 太陽電池組件的設計

本項目選用的組串式100 kW逆變器最高允許輸入電壓為1 100 V，輸入電壓MTTP工作范圍為200～1 000 V。電池組件串聯數計算公式為：

式中，Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數；K′-v為光伏組件的工作電壓溫度系數；N為光伏組件的串聯數（取整數）；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；UDCmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓；Umpptmax為逆變器MPPT電壓最大值；Umpptmin為逆變器MPPT電壓最小值；Uoc為光伏組件的開路電壓（V）；Upm為光伏組件的工作電壓[5]。經計算得，電池串聯數6≤N≤20。綜合考慮陣列排布的合理性及靈活性，選用18塊組件串聯組成一個太陽能電池組。結合所選100 kW逆變器的額定功率計算，每臺逆變器可接入10～12路串聯組件。

2.4.2 光伏子陣列排布

我國位于北半球，最大日照輻照接收量為正南方向，陣列傾角確定后，需關注南北方向前后陣列間的間距，避免出現陰影遮擋。光伏矩陣組件串前后排安裝時的最小距離計算原理如圖2所示。

圖2 最小距離計算原理

最小距離的確定原則為冬至日當天早上9點至下午3點光伏矩陣不被遮擋。

太陽高度角的計算公式為：

太陽方位角的計算公式為：

最小距離計算公式為：

式中，Φ為當地緯度25.14°；δ為太陽赤緯，冬至日的太陽赤緯為-23.5°；ω為時角，早上9點的時角為-45°；H為組件矩陣前排最高點與后排組件最低的高度落差[6]。

經計算，本工程地面部分陣列軸線間距按6.5 m考慮，混凝土屋面組件軸線間距按5.1 m考慮，彩鋼瓦屋面的光伏組件沿屋面平鋪安裝，故組件本身不產生陰影遮擋，但在進行光伏組件的布置時要避開屋面采光通風天窗的陰影以及屋脊高差產生的陰影。由于屋面面積緊張，為提高使用率，方陣間預留0.5 m的檢修通道。

3 發電量的計算

3.1 年理論發電量

太陽能光伏發電站年理論發電量按以下公式計算：

式中，W為發電量；U為日射量；Pm為太陽能光伏電池組件最大工作功率；P為太陽能光伏電池組件數量；HP為太陽能光伏電池組件參數；HC為線路損耗系數；PO為照射強度。

本項目廠房屋頂朝向分為2種情況，分別計算不同傾角輻射量并進行加權平均，從而得到屋頂綜合輻射量。

3.2 光伏發電系統效率分析

本項目太陽能光伏發電站屬溫帶半干旱大陸性季風氣候類型，其溫度折減按2%考慮，溫度損耗折減修正系數為98%。本工程采用540W型單晶硅光伏組件，該組件失配率小、一致性好，其組合損耗系數為2%。太陽電池的灰塵、積雪等污染折減取2.2%，按照冬至日09：00—15：00前后排不遮擋進行設計，發電量損失按2%考慮。

結合以上所述光伏組件效率、逆變器效率、交流并網效率等經驗系數，確定光伏發電總效率如表2所示。

表2 系統發電效率損失表

3.3 年上網發電量的估算

光伏電站建成后投入運營年的年發電量為逐年理論發電量與系統效率的乘積[7]。根據項目場地、屋面等現場實際情況對光伏電站進行優化布置，安裝7 038塊單晶硅電池組件（540 W），總容量為3.8 MW。其中一期總容量2.002 32 MW，初步估計電站投入運營第一年并網電量為219.86萬kW·h，運營期25年平均年上網電量為207.75萬kW·h，年平均等效裝機利用小時數為1 041 h。二期總容量1.798 2 MW初步估計電站投入運營第一年并網電量為199.36萬kW·h，運營期25年平均年上網電量為188.38萬kW·h，年平均等效裝機利用小時數為1 051 h。

4 結 論

當光伏電站供給負載后有剩余電能，余電上網；當光伏電站所發電能不滿足負載的需求或停止發電時，由電網向負載供電。光伏系統應確保所發電能與電網同電壓、同頻率，避免對電網造成諧波污染，防止發生孤島效應。分布式并網光伏系統設置在用戶附近，可根據就近負荷的消納能力選擇“自發自用，余電上網”的模式。