分布式光伏電站設計中的電氣設計技術研究

淮北申皖發電有限公司 張光慶 王海玨

光伏發電作為我國現階段重要的新型能源項目，受到人們廣泛關注，其可以把可再生的光能源轉換為電能源，綠色環保，符合我國可持續發展基本要求，同時還可以確保電站發電量。分布式光伏電站的設計和建設工作涉及多學科的技術類型，因此具有一定的復雜性。以光伏發電系統為例，系統綜合效率不僅和太陽能資源與逆變器效率等因素相關，同時還受到光伏方陣方位角或陣列間距等因素的影響。諸如此類的技術研究都將成為后續工作的改進重點。

1 分布式光伏電站的設計與技術要點

1.1 工作模式概述

分布式光伏電站的工作模式其核心技術就在于，利用光伏的不同組件把可再生的太陽能進行轉換，使其轉化為電能，建立分布式能源系統[1]。在目前技術條件下，可以將部分的分布式光伏發電系統全部建造在用戶場所區域周圍，然后在配電系統當中通過調節平衡的方式做好能源的綜合應用。這表明分布式光伏發電系統不僅強調就近發電的基本要求，同時還強調光伏電站的發電量與電能損耗控制，減少電能遠距離傳輸的不利影響。當前一個時期，我國分布式光伏電站的電氣設計技術已發展得較為成熟，不僅輸出功率穩定，同時還能降低發電站的運行成本。與某些大型的發電系統相比，分布式光伏發電系統在投資效益上與這些系統保持接近，且技術優勢集中體現在環境友好功能層面，如在運行過程當中不會產生嚴重的噪聲污染、水污染和空氣污染，在整個系統運行階段可以確保發電和用電的同時運行。

1.2 電氣設計技術要點

分布式光伏電站在設計技術方面需要考慮到電器組件的選型要求，常見的組件類型有單晶硅、多晶硅與非晶硅，成本較低的當屬非晶硅，并且該組件對環境的適應性要求較低，不會因為外部環境產生非常嚴重的性能障礙。但該組件在運行階段仍然存在一些潛在的問題，如轉換效率可能比較低，一般都在10%以下，表明轉換效率并不穩定，所以并沒有得到廣泛的應用。

與之相比，晶硅電池組件的制造技術比較成熟，且使用周期長，產品性能在長期的使用階段得到認可，在某些大型光伏電站的建設當中，發揮了至關重要的功能。如晶硅類電池可劃分為單晶硅和多晶硅兩種類型，而兩者之間的差異主要體現在轉換效率層面，單晶硅組件的轉換效率通常高于多晶硅組件，但是在其他指標上并沒有非常顯著的差異，無論是執行標準還是執行條件上都比較接近，所以實際的發電站運行環節當中，可以根據實際需求分別選擇對應的組件類型。但值得注意的是，單晶硅電池組件的運行成本普遍較高，所以綜合技術水平和工藝要求之外，可以考慮在確保轉換效率的同時，盡可能地壓縮各項成本，讓整個光伏發電系統維持經濟、安全以及正常運轉。

分布式光伏發電系統當中的逆變器設備選擇較為重要，工作人員應具有整體觀念，把光伏發電系統的整體運行情況作為判定依據，一方面必須確保輸出功率和發電系統的輸出功率兩者之間保持一致，另一方面必須讓逆變器設備的電壓區間等參數數值處于合理。而在具體的電氣設計方面，由于匯流箱可最大限度發揮匯流處理功能，必須對多路直流電源進行處理，讓其可以連接到逆變器當中，而其中的主斷路器正是直流匯流箱中的重要組件之一。一般情況下選擇斷路器時，直流回路選擇直流斷路器或是進行三極串聯。組串連接部分要遵循基本規則，保持串聯先并聯后的工作，要求同時提前對工作電壓進行測量，最后選擇并聯方式獲得所需要的工作電流[2]。

1.3 電纜設備篩選

電纜設備篩選時要綜合考慮到環境因素可能產生的影響，如根據分布式光伏發電系統的具體情況來看，需要配置光伏設備專用電纜，保持各個組件之間的跳線和匯流。而光伏電纜相比于普通電纜而言對于環境的要求相對較高，如導體的工作溫度不得超過120℃，環境溫度則應長期處于-40℃至90℃，并且電纜應該具有良好的紫外線耐性、抗化學腐蝕特性、抗臭氧性等。綜合來看，分布式光伏發電系統的運行環境溫度大多在60℃以上，并且在對載流量合理修正之后，整個光伏發電系統的光能源轉換率可維持在較高的水準區域內，居民用電質量可得到充分保障。

2 分布式光伏發電系統的優化設計

2.1 光伏陣列運行方式

光伏陣列布置是整個發電系統優化設計時的核心要點，其方正運行方式按照是否能夠追蹤太陽來做好分類，包括自動跟蹤式和固定跟蹤式兩種類型。集中固定運行的光伏陣列可以安裝在支架之上，以最佳傾角布置完成之后傾角不進行改動。單軸跟蹤是以組件陣列面上的某個方向為軸，進行旋轉跟蹤完成對太陽高度角的追蹤以及太陽方位角的追蹤，保障組件的整體發電量。而雙軸跟蹤式組件則有兩個可以旋轉的軸水平方向旋轉，完成太陽高度角的追蹤，發電量同樣大幅提升。

基于太陽輻射量的增益來看斜面所接收到的輻射量，直接決定了光伏電站發電性能，假設對某些地區使用跟蹤支架后就可以對輻射量進行模擬計算，在這些具有代表性的地區當中，月輻射量曲線都呈現出正態分布，原因在于我國處于北半球，夏季時太陽處于北回歸線和赤道之間具有充足的太陽輻射，斜面同樣可以接收到較大的輻射量；反之，冬季時太陽輻射相對較少，所接收到的輻射量也因此減少。

無論采取哪種支架方案，年輻射量分布本身都遵循正態分布的基本規律，夏季輻射量永遠大于冬季輻射量。為了改進年輻射量的數據，需要考慮到冬季太陽輻射較少時的輻射量接收情況，如北半球冬季最佳傾角比夏季階段的最佳傾角要更大，夏季時輻射量提升的百分比相對較低，所以冬季支架方案對輻射量提升的情況效果較好，如對斜面角度進行調整之后讓其與太陽光線保持垂直，此時輻射量的提升會更加明顯。實際上根據不同地區的仿真結果分析來看，不同區域或不同緯度，對于年輻射量提升的影響同樣明顯，水平面太陽總輻射中的直射比就會隨著緯度的升高而身高。在光伏陣列運行過程當中，選擇跟蹤式系統的優勢在于對陣列方位角和陣列傾角進行調整，而國北方地區或一些緯度較高的地區，則可以選擇雙軸跟蹤系統或斜單軸跟蹤系統發揮追蹤作用[3]。

跟蹤支架本身對于提升光伏系統的發電量效果突出，但使用跟蹤支架之后，整體的成本消耗會隨之提升，如果增加的發電量所產生的利潤能夠填充這些建設成本，則表明跟蹤式支架技術方案具有良好的應用可能性。假設使用雙軸跟蹤支架，那么系統運行過程當中可以提升一部分發電量，以固定安裝式作為參考依據，可根據實際需求確定是否要采用固定式支架、雙軸跟蹤支架水平單軸支架等。但是在這些方案當中，固定式支架系統的發電量雖然最低，但其成本消耗同樣較低，占地面積較小，所以光伏電站在運行過程當中無需進行后期大規模維護，在一定程度上降低了潛在運行成本。

當然，整個光伏陣列運行方式考慮投資效益和發電量之外，還需要考慮到安全性和便捷性，從而為光伏系統的平穩安全提供針對性保障。以地面大型光伏電站為例，為了獲取較高比例的投資回報，一般會采用跟蹤式系統，而對于某些小型光伏電站，使用跟蹤式系統往往會增加單位發電量和裝機容量，使得總發電量反而降低，發電量的提升并不能完全彌補裝機容量降低帶來的損失。而屋頂分布式光伏電站的承載能力比較有限，使用跟蹤式支架系統時，可能還需要對屋頂進行額外加固，增加使用成本。

2.2 安裝傾角選擇

由于固定式支架方案光伏電站的支架和組件設備在安裝完畢之后無法調節傾斜角度，所以在正式完工之前應該選擇合理的傾斜角度，確定項目所在地的最佳傾角以及陣列間距。分布式光伏電站的陣列傾角變化時，陣列間距也會隨之改變，影響到光伏電站的總發電量，對此應明確發電量和傾角數據之間的聯系，選出最佳的傾角。

計算時要綜合分析光伏發電過程當中的效率與成本數據之間的關聯，我國每個地區的經度和緯度不同，所以對應月份的太陽輻射量必然存在不同程度的差異，在這些影響因素當中光伏發電量與輻射量的聯系最為緊密，固定式運行的光伏方陣，在工程設計當中需要優先處理的技術問題就是陣列傾斜角度和最大化太陽輻射量，從而保障系統效率。對此，需要先準確地計算斜面年總輻射量，然后在0～90°區間確定總輻射量最大時的對應傾角度數[4]。氣象觀測站可以直接測量這些數據，然后確定光伏電池陣列和水平面上太陽輻射量的數據結果，精確計算出不同傾斜角度前提下的月平均太陽輻射量，然后確定地面反射太陽輻射量和斜面的散射輻射量，需注意的是地面狀態會直接影響到反射率，如干燥地帶、沙漠地帶、干燥地、冰面都有著不同的反射率，只有將所有存在的因素全都考慮在內，才能確保計算結果的準確性。

中國處于北半球，北半球的固定式光伏方陣朝向為南，此時方正斜面接受的輻射量達到最大標準。并且為了避免陣列前排與陣列后排之間出現陰影遮擋情況，減少接收到的輻射量，陣列之間本身要預留出一定的空間，然后根據光伏電站的地理坐標與太陽位置等來確定前后方陣之間的最佳間距。此時，可將組件的前排間距和后排間距計算方法導入編程程序當中計算，得出陣列垂直高度陰影長度和最小間距數據。

分布式光伏電站與居民區比較接近，所以輸電損失相對較少，當前比較普遍使用的屋頂分布式光伏發電系統和地面分布式光伏發電系統，受到場地面積的限制程度不一，對此需要提升單位面積的發電量，特別是在占地面積不發生改變時傾角與發電量之間的平衡設計。考慮到傾角增加會降低電站的安裝容量，對此單位面積發電量的土地利用率也會受到影響。如果光伏電站占地面積不變，那么可以減少安裝傾角，從而增加裝機容量，保障單位面積發電量。另外在確定合適的傾斜角度之后，還需要綜合評估發電成本，選擇最佳傾角度數，確保光伏發電系統處于良好的工作狀態。

2.3 組件串聯與組件并聯

光伏組件串聯時輸出電壓的波動范圍需要始終在逆變正常工作電壓范圍之內，總輸出功率也應在額定接入功率和最大允許接入功率的范圍之內，并且電池組件和逆變器之間的直流電纜原則上應越短越好，降低直流損耗，同一光伏陣列當中主線的主要參數保持一致。

2.4 發電量計算

發電量計算可以使用專業的軟件來進行光伏系統設計與模擬，由于多種因素對于發電效率都會產生一定的影響，包括電池組件類型、光伏方陣方向、傾斜角度、光照利用率、變壓器損失等，這些因素都會直接影響到太陽輻射量和系統發電量的比值。除此之外，還應去做好生命周期發電量的計算和工程經濟評估，如系統在夏季時的綜合效率明顯優于冬季，原因在于夏季空氣溫度較高，組件熱量可以長時間保存。

3 結語

無論是自然環境還是電氣設備選擇等，都將影響到系統的運行狀態。光伏發電站作為一種先進的技術手段，能夠充分突出節能減排的技術優勢，對太陽能源進行合理轉換，滿足社會對于電能源的需求，發揮良好的社會經濟效益。在未來的工作當中，應進一步規劃光分布式光伏電站的技術應用，對系統方案進行重新設計，保障良好的發電效率，維持電能質量。