大型山地光伏發電系統應用問題淺析和優化設計探討

程宇旭

（株洲中車時代電氣股份有限公司 湖南株洲 412001）

2020 年9 月22 日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話時表示［1-2］：將提高我國自主貢獻力，采取更加有力的政策和措施，CO2排放在2030年前力爭達到峰值，在2060年前努力爭取實現碳中和，這不僅規劃了碳中和、碳達峰時間表和任務圖，也為中國能源改革發展設定了總體時間表和任務圖。到2030年我國風電、太陽能發電裝機總容量將達到12億kW以上，這說明我國新能源發展迎來了更好契機。根據國家相關文件要求，牢固樹立“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念，把加快發展光伏利用作為推進能源生產與消費革命、替代煤炭等化石能源、促進電力體制改革、優化能源結構的重要方式，以擴大多元化市場、持續推動技術進步、創新體制機制為主線，積極推進光伏利用和創新發展，提高其利用的經濟性、市場競爭性和市場競爭力，為實現非化石能源發展目標和碳排放目標提供重要支撐，為經濟社會可持續發展提供重要保障。隨著我國光伏事業不斷發展壯大，裝機容量日趨增加，地理條件優越、常年日照豐富、便于施工建設的土地資源逐漸減少，針對次等建設條件的大型山地將成為未來光伏發展的重點攻克對象、資源搶占點。基于此，對大型山地光伏發電系統進行優化設計研究，使整個光伏發電系統運行性能效益達到最大值，尤為重要［3］。

1 當前我國能源產業發展現狀

1.1 大型山地光伏市場情況

從當前各地出臺的政策來看［4］，2021 年在整體推動分布式大型光伏背景下，有很多地方政府不斷出臺鼓勵政策措施，還有的地方給予光伏發電公司補貼、獎勵或補助。如浙江省在政策補貼上極為突出，現在已有麗水、溫州、寧波、泰順縣、云和縣、平湖、樂清、吳興區等8個市、縣（區）在電量上給予了一定補貼，其中寧波的電量補貼已經達到了0.45 元/kW·h；又如北京市在2020年印發了《關于進一步支持光伏發電系統推廣應用的通知》，也給出了實質性的獎勵；再如廣東省的深圳市及深圳市的南山區、東莞市以及廣州黃埔、開發區、高新區、肇慶高新區等6 個市、縣（區）在光伏方面給予了一定補貼，最高的電量補貼可以達0.3 元/kW·h，在各類建筑或構筑物上建設的分布式光伏發電項目，按照裝機容量每兆瓦18萬元給予裝機補助。這說明當前政策支持力度大，光伏發電等清潔能源發展勢頭迅猛，鑒于當前大型山地光伏發電受到諸多因素影響，造成實際裝機容量跟不上當前的產業發展需求，說明市場前景非常可觀。2021 年全國的發電裝機容量為23.77 億kW，與上年同比增長7.9%［5］，而太陽能并網的裝機容量3.07 億kW，與上年同比增長20.9%，說明光伏發電量占比上升空間還很大。

1.2 大型山地光伏建設成本現狀

雖然說當前的光伏發電成本與以前相比已經降了很多，但從大型山地的地形地貌來講，不同區域所需光伏發電設備支撐不一樣，在加強大型山地光伏發電系統建設過程中，需要更多的輔助材料，自然而然增加了更多的成本。另外，有的企業在投資建設過程中，設計單位到現場勘查勘探不到位，對光照情況和地理區域沒有進行深入了解，致使設計過于理想化，造成設計概算超過實際投資概算，無形中給企業帶來額外負擔。這說明在建設上成本依然還是不容樂觀，在如何優化設計降低建設成本上非常有必要。如在西南某地投資建設17MW 大型農業山地光伏發電站，建設、設備、土地、人工、管理等總投資概算為7.2億元；又如廣東某市的第一個大型集中式地面光伏電站裝機容量為700MW，總投資達35億。

1.3 技術應用與系統效率情況

在以前一段時間內，出現并網難度較大，尤其是大型山地受到地理地域、電網布局結構及配套電氣系統等相關技術限制，光伏產業布局、發電站建設等無法找到更加先進的技術支撐，產業發展的速度從一定程度上受到了嚴重制約。隨著國家供給側結構性改革，光伏發電技術得到了快速推動，行業供給水平加速發展升級，在未來行業內針對工藝落后、設施設備低端、產品效果低效的產能將被逐步淘汰退出市場，終究會被優質、高端、高效、低耗及附加值高的產能供給所替代、更替。同時，光伏發電產業的未來必將經歷一場技術創新革命，當前產業規劃、產品生產、發電站建設等相關的市場產業業態必將進行專業化、聚集度高的復合產業整合，產業要素和資源最終會向用戶或產業開發方向傾斜。然而近年來，光伏發電的技術已經逐步發展成熟，但在系統優化設計方面仍然存在很多不足，當前最為明顯的就是光伏發電效率問題總會被設計忽視，系統效率制約而影響著光伏發電設施設備的有效運轉，往往造成了相關電氣設備浪費，給發電站建設和日常運營維護帶來更高的投入成本。另外，運行可靠性存疑，長此以往，給光伏發電技術應用與市場化推廣帶來了不利影響。

2 大型山地光伏發電系統主要存在問題

2.1 有限山地面積難以滿足裝機容量的設計要求

大型山地光伏發電系統設計、建設、管理、應用等是滿足大型山地光伏發電系統高效運行的必備條件［6］，然而受到大型山地地理位置的影響，難以成片開發設計，針對有限的使用面積，設計人員得到現場進行反復勘探，點對點地專門設計，需要花費大量的人力、物力、時間，建設光伏發電站、維護發電系統運行、提升生產效益也會受到嚴重影響，一定程度上來講，光伏發電事業的長效發展受到了一定的阻礙。受大型山地地質地貌的影響，區域電場中存在大量溝溝坎坎、陡坡邊角等，在遇到洪水、大風等不可抗力時，發電站中所布局的電纜電線、避雷針、箱逆變等一些主要設施設備將會受到一定威脅，日常的維護管理很艱難。

2.2 電站系統效率達不到設計要求

在行業內［7］，很少有人會注意到光伏電站建成后的實際系統效率，大部分人認為光伏電站的效率是按照設計時的效率運行的，當運行效率達不到設計效率時，總會認為是不是后期運營管理不當造成的，但實際上造成發電系統效率的原因有很多，因為光伏發電站系統效率隨著輻照強度的不斷變化而變化，輻照強度越低、日照時間越短，那系統運營的效率也就越低。如果組件、線纜、箱逆變等設施設備存在損耗過大同樣會造成光伏電站系統效率變低。設施設備運行運轉需要耗費一定的自耗電，在低輻照狀態下自耗電就會較高，同樣也是造成系統效率降低的原因之一。當然，如果存在系統設計缺陷，發電系統效率就更難以保證了。

2.3 技術革新跟不上產業迭代需要

從當前光伏發電系統來講，整個設計大體分為硬件系統和軟件系統兩大類［8］。電氣設備如組件、逆變器、箱變、電力電纜、電站監控及配套系統等選型不夠精準，無法支撐系統高效運行，如在發電元器件和支桿支架等硬件方面，有些生產廠家為了降低企業生產成本，大量使用質量比較差、加工比較粗糙的發電必要材料，致使電子元器件的質量達不到很好要求或使用壽命縮短，這會給整個發電系統造成致命影響。在軟件方面，如果電站的信息化程度低，對運維后期將會造成很大的影響，如軟件系統在設計過程中存在漏洞或缺陷，要么導致整個發電系統運轉不正常、時常出現異常，要么直接導致整個系統癱瘓，從而大大降低了發電工作效率。

3 光伏發電系統設計優化

3.1 光伏設備技術選型

光伏設備選擇總體來講有光伏組件、光伏支架、逆變器、線纜、配電箱（匯流箱）等。太陽能板可根據實際，選擇市場份額占比大、技術成熟、25年輸出功率不低于初始功率80%的單晶組件（或多晶組件）；在山地光伏陣列基礎設計時，綜合考慮技術經濟及施工難度等因素，優先選用鋼筋混凝土灌注樁基礎。灌注樁基礎成孔較為方便，混凝土和鋼筋用量小，開挖量小，施工澆筑工序較為簡單。對于地形復雜地區，設備機械等無法到達的場地鋼筋混凝土灌注樁基礎適應范圍較強。在選擇光伏支架時，通常建議選擇固定式熱鍍鋅C型鋼支架，與組件使用壽命保持一致，盡量一次性設計到位，避免現場焊接，確因特殊原因需現場焊接的，切實做好防銹處理并定期檢查，盡可能選擇市場占有率大、口碑好的組串式逆變器，選擇耐高溫、抗老化、承載力、折彎等性能較好的光伏線纜。基于電站交流側相當損耗水平的電氣性能應用，可考慮采用鋁合金電力電纜進行系統降本增效優化。

3.2 優化布局光伏陣列

受地形地貌客觀條件的影響，山地項目光伏陣列布置設計中需綜合考慮山體數目、高度、位置、朝向、坡度、植被等多種因素，進行陣列優化布局設計。單塊太陽電池板可輸出電壓有限，想確保光伏陣列輸出電壓滿足逆變器輸入要求，必須科學串聯光伏組件布置形成陣列；同時考慮山地地形地貌現狀，盡可能充分地利用現場土地，提前清理可能造成陣列陰影遮擋的障礙物。針對每組陣列間的有效間距和安裝角度要進行充分測量計算和設計施工，將遮陰距離縮小到最佳位置，保證在有限照射強度和時間范圍內，太陽光得到最大化的接收和利用，使得光伏組件運行達到最大值。根據國家標準，光伏陣列在冬至日9 點至15 點不能出現遮陰，則遮陰距離為d2=0.707H/tan[arcsin(0.648cosΦ-0.399sinΦ)]（H為上一組件的高度，Φ為項目所在地的地理緯度），詳見圖1。

圖1 光伏陣列有效間距示意圖

在山地光伏發電系統設計階段，基于選定的箱變、逆變器、升壓站設備電氣參數、設備布局位置參數及集電線路選型、路徑，采用電力系統仿真軟件建模仿真，進行光伏電站電氣系統損耗仿真，以達到電氣系統效率優化設計目標。

3.3 光伏發電系統智能化、信息化

在光伏電站設計時，同步考量智能化建設、數據采集軟件安裝、規范KKS 編碼體系、信息化運行管理、運行指標體系建設等，遠程監控監測現場、運行情況，針對故障通過顏色辨別，快速定位、及時分析、跟蹤處理，彌補傳統光伏發電系統不足，降低管理成本、提高綜合發電效率、保障系統安全，通過基礎數據分析，建立數據模型，提高市場應用，推動光伏電站智能化、信息化和科學化。

3.4 其他優化方向

此外，根據不同資源區輻照條件等因素進行逆變器容配比優化設計，可以有效降低LCOE，同時可以使發電曲線更為平滑，降低電網的調峰壓力，提高光伏發電滲透率；開展精細化的光伏方陣容量設計研究，可進一步減少電站逆變器、變壓器等設備配置數量，降低安裝維護成本，同時可減少線纜投資和降低施工成本；預裝式升壓站因可有效避免設計耗時長、土建工作量大、協調管理工作量大、調試困難、專業化要求高等傳統升壓站建設痹癥，已逐步受到愈多投資方和設計運維人員的青睞。

4 結語

隨著光伏發電系統應用場景不斷拓展，大型山地光伏應用逐步進入越來越多發電企業投資視野。本文通過分析大型山地光伏發電系統目前存在的諸如有限山地面積難以滿足裝機容量設計要求、電站系統效率達不到設計要求、信息化程度低等主要存在問題進行分析，詳細闡述了光伏設備技術選型、光伏陣列布局優化、智能化信息化升級等山地光伏發電系統的優化設計方向，使整個光伏發電系統運行性能效益達到最大值。本文研究對大型山地光伏發電系統優化設計具有一定的參考和借鑒意義。