光伏電站光伏區電氣系統設計研究

文_楊敏 上海能輝科技股份有限公司

并網光伏發電就是電池板吸收太陽光能所轉化成的直流電能經過并網逆變器逆變成交流電然后與公共電網相連，由電網統一調度并配電給用戶。

本文針對并網型光伏發電項目（預計裝機容量約為100MWp），詳細介紹了太陽能電池板、智能直流防雷匯流箱、并網型集中逆變器等設備的設計和選型，并對預期能力進行了展望。

1 光伏組件選型

1.1 單晶硅、多晶硅組件

目前廣泛使用單晶硅、多晶硅電池組件，且國內的光伏組件也主要是以晶硅電池為主。晶硅電池組件有很多優點，包括晶體硅光伏組件技術成熟；產品性能穩定；使用壽命長；電池轉換效率高；組件故障率低；運行、安裝簡單方便等。

單晶硅和多晶硅的性能、價格都比較接近，但從控制工程造價的角度考慮，選擇性價比高的多晶硅組件有一定的優勢。同時多晶硅比單晶硅更節省能源，因此采用多晶硅組件更環保。本項目暫按325Wp 多晶硅電池組件進行設計。電池組件詳細技術參數見下表。本項目采用高效325Wp 多晶硅光伏組件307700 塊，總裝機容量為100002.5kWp，詳見表1。

表1 光伏組件技術參數表

短路電流溫度系數 %/K 0.050太陽能電池組件效率 %16.8 10 年功率衰降 %≤10 25 年功率衰降 %≤20

1.2 逆變器的選擇

按照容量大小，逆變器可分為集中型逆變器和組串型逆變器兩種，集中型逆變器容量可達到兆瓦級別，而組串型逆變器容量一般在幾千瓦到幾十千瓦。兩者的區別在于，集中型逆變器匯集的組串數目較多，一般在逆變器前端配置匯流箱、直流柜等進行兩級分級，并且所匯集的組串一般只能同時進行最大功率跟蹤；組串式逆變器匯集的組串數目較少，前端不需要配置匯流箱可直接接入逆變器。集中型逆變器適合不同組串遮蔽差異很小的情況，因此，本設計方案選用集中性逆變器技術途徑。考慮光伏組件與逆變器的配合，同一串聯的組件選用相同的系列。詳見表2。

表2 光伏陣列組串配置表

組件與逆變器的配合：光伏組件的容量一般用峰值表示，峰值即最大的瞬時輸出功率，實際的運行中，太陽能組件的輸出功率值往往小于額定的數值。逆變器都有一定的過載能力，一般直流側可超配10%左右，結合項目所在地的輻射、溫度等條件，盡可能利用逆變器的容量。本項目暫時按照2MW集中型逆變器選擇。

為使直流側的光伏板盡量接近100MW，各方陣逆變器所接組串數不相同，詳細配置如下：

逆 變 器 N 0 1 ～ N 2 6 ：2 0 片 ×3 3 4 串×325Wp=2,171,000Wp；

逆 變 器 N 2 7 ～ N 3 7 ：2 0 片 ×3 3 5 串×325Wp=2,177,500Wp；

逆 變 器 N 3 8 ～ N 4 3 ：2 0 片 ×3 3 6 串×325Wp=2,184,000Wp；

逆變器N44：20 片×330 串×325Wp=2,145,000Wp；

逆變器N45： 20 片×333 串×325Wp=2,164,000Wp；

逆變器N46：20 片×337 串×325Wp=2,190,500Wp；

組件安裝的總容量：P=26×2171000Wp+11×2177500Wp+6×2184000Wp+1×2145000Wp+1×2164000Wp+1×219050 0Wp=100,002.5kWp。

2 光伏電站陣列設計

2.1 光伏方陣設計

本項目總容量為100MWp，初步設計由46 個光伏子陣組成，每個方陣按2 臺1000kW 并網逆變器配置，根據對光伏組件安裝方式經濟性的分析和把控項目成本的同時，本次設計采用固定式支架安裝。

2.2 光伏子方陣設計

逆變器采用2MW 集中型逆變器為主，根據逆變器的參數，在極端溫度下，滿足逆變器運行要求的情況下，選用325Wp 多晶硅組件，串聯級數10 ～22，根據溫度、濕度變化情況進行修正，確定選擇325Wp 多晶硅太陽能組件，級數為20 塊/串。整個工程光伏陣列由46 個光伏子陣構成，為防止直流側超配，每個子方陣組件安裝數量不同，總容量為100,002.5kWp。

在采用325Wp 電池板的情況下，固定安裝的光伏子陣的單體模塊由4 排組成，80 塊組件的單體模塊可以組成4 并組串，每MW 光伏子陣包含的組串數不同，總的組串數為15385 串。

2.3 支架安裝形式和樁基礎的選擇和安裝

太陽能光伏組件陣列支架形式為三角門型支架，采用表面強化處理，防腐壽命不低于20 年。支架和基礎設計依據光伏組件規格型號、組件數量、組串布置形式來確定方陣的結構尺寸；同時根據工程地理位置及季節變化，確定太陽能光伏板的角度變化情況。經過現場考察確認該項目可使用螺旋狀基礎。施工方便的同時也能降低項目成本。

其前后排方陣的間距及傾角如圖1所示。

圖1 光伏支架典型布置圖

前后排方陣的間距及傾角如圖2 所示。

圖2 方陣間距及傾角

方陣前后的間距可以根據以下公式計算：

式中L—陣列傾角面長度；

D—兩排陣列間間距；

β—陣列傾角；

φ—當地緯度。

其中公式(1)的最佳安裝傾角β可以根據中國的《光伏電站設計規范》中計算公式得出，本項目的最佳傾角是通過PYsyst 軟件反復模擬，最終得到傾角在27°的時候發電量是最高的，與當地的緯度相一致，所以本設計中傾角選擇27°。

2.4 陣列行、列距的選擇

為充分接收太陽能能源，太陽能光伏陣面法線朝南，傾斜角度為27°。光伏方陣中列與列之間預留1m 寬的通道，以便于組件的搬運和以后的運行維護。為確保全面至少6 個小時的光照時間，本階段前后兩排光伏單列間距通過公式(1)計算出為2.5m。場區中需要設置6m 的行車道路來方便逆變器等大型設備的運輸，方便運輸檢修。

2.5 方陣接線方案設計

防雷匯流箱選用16 進1出的匯流箱級數方案。一個方陣中共21 個匯流箱，10 個接入1 個1000W 逆變器，另外11 個接入另一個1000W 逆變器，共同組成2MW 的光伏方陣。其中組件至匯流箱小線及匯流箱至逆變器電纜均采用套管直埋的方式。本工程共配置46 臺2000kW 逆變器。

3 電氣方案設計

3.1 光伏場內主要電氣設備選擇

3.1.1 并網逆變器及就地升壓設備

本工程選用2000kW 并網預制式箱體布置逆變器。采用一體式結構，節省占地，安裝簡便，施工周期短。

3.1.2 場內升壓設備的選擇

為節省占地、縮短工期及安裝方便，本光伏區內升壓設備采用箱式變電站模式，箱變內配置高壓、低壓柜，自用變及節能型升壓變。箱變進出線均采用電纜方式。其設備參數如下：

(1)高壓設備

技術途徑選擇“負荷開關+熔斷器”這一成熟方案，可作操作電器使用，又可斷開短路電流，能有效保護升壓變壓器。在升壓變出口處配置帶電顯示器及避雷器，均安裝在開關柜內。

(2)低壓設備

低壓設備配置三相斷路器，三相電流互感器。另外配置浪涌吸收裝置、電流表、電壓表等。

(3)自用變壓器

自主要用于升壓設備內部操作電路、逆變器室照明、通風及檢修電源等分系統的能源供給。

(4)升壓變壓器

升壓箱式變壓器采用分裂變壓器，油浸式，容量為2000kVA，型號S11-2000/33，聯結組別為D，y11，y11，阻抗電壓為6.5%。

3.2 防雷、接地及過電壓保護設計

太陽能光伏陣面工作于自然環境中，雷電成為重點防護手段，主要通過防雷保護機構、匯流環等組件，實現感應雷的有效防護。

逆變器安裝于逆變箱房內，其輸出端設置防雷裝置，同時箱變的高低壓側均配置避雷器或過電壓保護器，可實現防止雷電侵入波、操作過電壓等故障。

光伏場區內應形成覆蓋整個場區的主接地網，主接地網輪廓與光伏場區范圍一致，且成閉合環狀，并由橫向和縱向的水平接地體形成接地網網格，在接地網邊緣及內部應均勻敷設垂直接地體。

逆變房與箱變周圍需敷設一圈均壓接地網，并應與光伏場區主接地網不少于兩點連接。箱變自帶金屬外殼，多處與均壓接地網可靠連接，逆變房內所有屏柜均應可靠接地。

3.3 集電線路方案

本工程集電線路采用電纜連接方式。經過4 條集電線路連接到升壓站中；4 條集電線路分別為：方陣1-12 為第一路；方陣13-24 為第二路；方陣25-35 為第三路；方陣36-46 為第四路。場區內電纜采用直埋方式敷設，根據光伏場內主接線串接逆變單元的數量以及逆變單元之間連接段的輸送容量、經電纜載流量的計算分別確定不同截面的電纜，截面規格分別采用95mm2、185mm2、240mm2、400mm2。 33kV 電纜選用交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套鋼帶鎧裝三芯電力電纜。

本工程由每臺箱變之間環接，最終接入升壓站的進線柜中。按短路情況熱穩定校驗，本工程33kV 電纜選用交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套鋼帶鎧裝多芯電力電纜。同時，為了考慮站內電纜的防火要求，選擇33kV 電力電纜為阻燃型電纜。

3.4 場內通訊

為滿足光伏場內的通訊要求,在電纜敷設時同時敷設一根非金屬光纜用于保證每組逆變單元之間與中央控制室保持通訊聯絡，以滿足通訊的要求，推薦場內非金屬光纜采用12芯光纖，該規格可滿足光伏場內逆變單元的通訊需要。

4 結語

方案設計完成后，基于太陽能光伏組件的折舊速率，對該項目預期的發電量進行了理論計算：首年度的光伏電站發電量約為17.3 萬MWh，后續逐年遞減，20 年后理論值約為14.2 萬MWh，20 年平均值約為15.7 萬MWh。