光伏電站電氣設計的實際應用

文/徐 群

社會的高速發展背后需要巨大的能源支撐。截至目前，一次性能源如煤炭、石油等消耗巨大，再生耗時久。光伏發電作為當前世界重要的新型能源生產方式，具有可再生、環保、高效等特點，可有效解決能源稀缺的問題。本文研究了電氣設計在光伏電站中的實際應用。

1 光伏并網系統概述

1.1 光伏組件

光伏組件是光伏系統的重要設備之一。光伏組件利用光生伏特的特點把太陽能直接轉化為直流電能，將能源轉換變為可能。其主要分3種類型：單晶硅光伏組件、多晶硅光伏組件、薄膜光伏組件，優缺點各不相同。晶體硅太陽電池，優點是安全性高，技術較為成熟，且應用范圍廣，價格相對低廉，效率較高，但缺點是在大氣與光照環境下，會出現電池能量衰竭的問題。薄膜光伏組件效率高，性能更加穩定，但是原料稀缺，大規模生產具有較大困難。目前，硅膠材料價格大幅下跌，且硅晶組件技術成熟，因其超高性價比在市場占有率達80%以上，使得薄膜光伏組件技術幾乎不再發展。單硅晶電池使用單晶硅硅棒生長工藝，效率較高。多晶硅的生產則使用多晶硅鑄錠工藝，其生產工藝基本與單晶硅一致，效率略低于單晶硅，但更節約硅原料，使效率與工藝成本達到了一個平衡。目前，市場數據顯示，我國主要生產的晶硅太陽能組件規格多為245 ～ 315Wp ，多應用于大型并網光伏發電系統。光伏電站應選擇效率高、大功率的光伏組件，在提高系統效率的同時最大限度地降低造價。

1.2 逆變器

逆變系統包括逆變器與其保護控制電路。其中，光伏并網逆變器是光伏系統的核心設備。由于光伏并網逆變器可以將光伏組件產生的直流電能轉換為交流電能，故在極大程度上，逆變系統的質量影響著光伏系統整體的運作效率。根據光伏逆變器的內部電路的結構、功率以及應用地點的不同，將光伏逆變器大體分為3類：微型、集中型、組串型。由于光伏電站較少運用微型逆變器，另兩類系統組成如下：

（1）組串型逆變器：逆變器，光伏組件，交流配電，直流電纜，電網。

（2）集中型逆變器：逆變器，光伏組件，直流匯流配電，交流配電，直流電纜，匯流箱，隔離變壓器，電網。

逆變器選擇需遵循以下原則：

（1）高效率，性能穩定。

（2）安全性高，具有保護功能。

（3）具有數據采集與監控功能。

（4）功率因數盡量高，波形畸變盡量小。

綜上所述，逆變器作為光伏系統的核心設備，須根據其具體應用地點、電站大小等具體因素選擇，以達到提高發電量、降低系統成本的目的。

1.3 光伏匯流箱

集電線路分為直流線路、直流配電柜、防雷匯流箱3種。其中，直流線路可以將直流電能通過電纜載流直接傳輸到逆變系統；防雷匯流箱和直流配電柜則主要負責匯流，將分散線路匯流后集中傳送到逆變系統。光伏電站較常使用防雷匯流箱，又名光伏匯流箱。光伏匯流箱可減少光伏組件與逆變器間的連接線，方便維護，可靠性高，可與光伏逆變器配套組成完整的光伏發電系統解決方案。光伏匯流箱可根據逆變器輸入的直流電壓范圍，將一定數量的、規格相同的光伏組件串聯組成一個光伏組件串列，再將若干個串列接入光伏匯流箱進行匯流，通過防雷器與斷路器后輸出，方便了逆變器的接入。

為了保障人身安全，降低危險性，光伏匯流箱的安裝、使用須遵循以下原則：

（1）需滿足室外安裝的要求。

（2）同時可接入16路太陽電池串列，每路電流最大可達10安。

（3）配有光伏專用高壓防雷器，正極負極都具備防雷功能。

光伏匯流箱安裝維護方便、簡單，使用壽命長，能滿足電站的使用需求。

1.4 升壓系統

依據光伏系統大小可將升壓系統分為一級升壓與多級升壓。分布式光伏系統大多采用一級升壓即可接入，大型地面電站則可使電流經子方陣逆變升壓后匯入主變壓器升壓至110千伏、220千伏或者330千伏,再接入主網，完成多級升壓。

1.5 接入系統

接入系統是連接電網系統與光伏系統的通道，作為光伏系統較為重要的部分，需經由專業電力部門批準才可接入光伏系統。目前，接入困難是光伏電站中較難解決的問題之一。

（1）選擇光伏電站接入系統的首要原則是滿足本地負載需求，在此之后才可將多余電能輸入電網。公用電網分配與傳輸網力過程中必然會產生能量損耗，且我國的電網傳輸能量損耗較大，故對于光伏發電系統所發出的電能，基本原則是減少能源傳輸，盡量就地產生，就地消耗，提高能源的利用率；盡量保證光伏發電系統發出的電可優先滿足系統內負載需求；盡量使光伏發電系統的發電曲線和負載的需求曲線相一致，最大限度地提高電能的利用效率。

（2）中型光伏發電系統通常會選擇一個集中并網點，但是大型光伏發電系統則可根據實際需要選擇兩個及以上并網點，以提高系統運行的可靠性。

2 光伏電站電氣設計應用

2.1主接線設計應用

在設計光伏電站的主接線時，工作人員需綜合考慮電站裝機大小、場站布置、接入系統的主要方式及電氣設備特點等。當光伏電站以35千伏或者更高的等級進行升壓時，通常其內部接線有1級或2級升壓的情況，此時，需從經濟性與技術性兩方面出發進行分析。光伏電站只需使用恰當技術，即可從外網引入電量。

當光伏電站規模、占地面積較大時，電纜降壓也較大，其選取的電纜截面也較大，此時，逆變區內用電將從箱變低壓側進行接引，兩個相近的箱變可作為彼此的備用裝置。當光伏電站規模較小，占地也較小時，在其逆變區內，符合用電且使用低壓配電裝置接引即可。

2.2防雷接地設計應用

光伏電站的防雷設計應在遵循法規、規范的前提下，根據其內部、外部情況綜合考慮，是光伏電站電氣設計的重要一環。其具體防雷設計須注意以下兩點：

（1）直擊雷防護。在并網發電過程中，光伏設備如電池組件等分布十分廣泛，且高度差別較小，若設置獨立避雷裝置保護的范圍過小，大量設置又將大幅提升建設成本，不符合經濟性，且由于占位較多，易設計不當，導致出現遮蔽陽光、降低發電效率的情況。光伏陣列屬于三級防雷建筑物，可以使用金屬構架連接的方式，故可以有效連接方陣支架上的所有金屬結構、所有電池組件與接地網，通過此種連接方式實現防直擊雷。

（2）感應雷防護。光伏電站中的防感應雷系統主要工作就是防止感應雷通過外界線路入侵室內設備，感應雷由靜電感應與電磁感應產生，由于其形成感應雷電壓的概率較高，故對建筑內設備威脅較大，需重點防范。感應雷主要通過以下兩個途徑侵入光伏系統：第一，由光伏系統組件方陣直流線路侵入；第二，由交流并網供電線路侵入，設計時需從以上兩點入手。

在設計大型并網光伏電站電氣設計時，電站的防雷接地設計極為重要，可在箱式變電器高壓側放置避雷器，避免箱式變電站耦合過電壓問題的同時，預防感應雷導致的過電壓對光伏電站中的設備產生破壞。

2.3電纜敷設設計應用

大中型光伏電站的規模較大，其內部各區域光伏發電母線與發電模塊如采用輻式連接，可將各區域發電模塊發生故障時的損失降至最小，但卻增加了開關柜及電纜數量。采用“T”式連接，可以較大程度上節省開關柜及電纜數量。工作人員可根據具體經濟技術情況確定集電線路數量。

部分丘陵及山地的光伏電站需采用綜合的敷設方案，如電纜橋架加直埋敷設，電纜橋架可順地勢敷設，利用了地形優勢，但為保護電纜，其橋架最好采用玻璃鋼橋架或鍍鋅橋架。平地的光伏電站光伏陣列區域電纜則宜使用直埋敷設，直埋應設置于凍土之下，地面光伏電站多位于西北區域，凍土多且深，進行直埋時工程量巨大。此種情況采用耐寒電纜較為合適，在由凍土層向非凍土層敷設時加裝電纜保護管，用以保護電纜不受損害。這樣操作可以在保護電纜安全運行的同時，減少工程的經濟壓力。

2.4光伏陣列支架設計應用

光伏支架直接決定著電氣設計的使用效率，影響光伏組件的運行安全、建設耗資及破損率。當前，大型地面光伏電站光伏支架可選用兩類：固定傾角式與逐日跟蹤式。逐日跟蹤式的效果與太陽輻射的散射輻射關系密切，散射輻射比例越大，其效果越差。但其靈活性更強，可以使光伏方陣表面按照太陽運動規律進行活動，可接收更多的光能量，提高發電量，減少光伏組件的使用量，降低工程建造成本。而固定傾角式比跟蹤式單體的經濟性更高。其組裝后組件傾角與方向不能調整，較為死板，當太陽光無法很好地照射方陣時，也無法進行活動，需布置多個、多方向。故在選擇光伏電站光伏支架， 從電站自身情況考慮才能最大限度地降低工程成本，提升發電效率。如光線較好，方陣處可長時間大面積受到陽光輻射時，采用固定傾角式將合理地降低工程造價；若光線變化情況較大，方陣無法在一個方向長時間大面積接收陽光輻射時，選擇逐日跟蹤式則更有利。

3 結語

當前，我國電網建設水平顯著提升，但由于能源短缺，我國對于光伏電站的建設十分重視。光伏電站電氣設計的優化，將提升光伏發電效率，促進能源的可持續發展，進一步推動社會化進程。