基于組串型逆變器的光伏發電系統精細化設計

譚靜波，王勛志，張四維

（湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

光伏電站分為并網和離網型[1]。逆變器是光伏發電系統里面的核心設備，光伏逆變器與普通逆變器的主要區別在于光伏逆變器具有最大功率點跟蹤和低電壓穿越功能[2]。光伏逆變器主要分為組串型、集中型和集散型3種。組串式光伏逆變器具有MPPT路數多、布置靈活、價格高等特點，分布式光伏電站中一般采用50 kW及以下的組串式光伏逆變器。本文以組串型逆變器為研究對象，利用多維度對比的方法，達到精細化設計光伏電站的目的。

1 系統設計

1.1 系統構成

基于組串型逆變器的光伏發電系統構成如圖1所示，本文關鍵設備參數如表1所示。

圖1 光伏發電系統示意圖

1.2 設計原則

光伏發電系統設計始終圍繞最小化度電成本（LCOE）進行，最小化度電成本等于生命周期總共成本比生命周期總發電量[3-4]。

1.3 組串設計

串聯數：逆變器滿載時MPPT電壓最小值≤組件串聯數×一塊組件的開路電壓≤逆變器最高輸入電壓。

并聯數：組件并聯數×組件串聯數×組件功率×容配比≤逆變器的最大輸入功率。

以西寧某地區（A類太陽能資源地區（最豐富等級），根據GB/T 31155—2014《太陽能資源等級總輻射》中的表1，A類太陽能資源地區全年輻射量≥6300 MJ/m2區間）為例，組件選用某產品（STC工況下峰值功率275 Wp，NOCT工況下峰值功率為205 Wp），組件詳細參數如表2所示。

表1 主要設備參數表

表2 光伏組件參數表

光伏組件串聯數量利用GB 50797—2012中的公式計算，再結合光伏組件布置、直流匯流、施工現場實際情況等因數，進行技術經濟比較，合理設計組件串數。

根據NB/T 10128—2019《光伏發電工程電氣設計規范》第3.3.1條的條文說明：光伏組件串聯數量越多，同等安裝容量下光伏組件的串聯量越少，相應的匯流箱或組串式逆變器數量、直流電纜量越少，因此在滿足串聯計算公式條件下，串聯數量盡量取最大值，并根據組件布置形式、接線方式及對支架用鋼量影響，取綜合成本低的串聯方案；因此，組串數選擇接近最大值（偶數）24串或22串，根據實際組件布置形式選擇。

在校核條件下，當采用22組串聯時，單個275 Wp多晶硅光伏組件可能達到的最高開路電壓為38.4 V，此時光伏組件串的可能的開路電壓為845 V，同理，24組串聯時，此時光伏組件串的可能的開路電壓為922 V，但考慮到此項目現場灰塵遮擋、組件衰減和不匹配性、線路損耗等因素，正常情況下考慮到直流端的壓降損耗影響（3%～5%），實際逆變器輸入端的電壓值應小于逆變器最大功率點跟蹤工作最大電壓范圍（1000 V）。

根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》附錄B，傾角取36°（一般情況下，經濟效益最佳傾角要比最大發電量傾角小4°～5°）。

1.4 排布設計

結合50 kW逆變器，選用24串能充分利用逆變器的容量。

24串常見的排列方式有豎向2 × 12或者橫向4 ×12排布兩種，如圖2所示。

圖2 組件橫向布置圖

根據GB50797—2012《光伏發電站設計規范》，光伏方陣各排、列的布置間距應保證每天9:00到15:00時間段內，組件的前后左右不被遮擋。但是其他時間段，組件被遮擋一部分時，能盡可能的減少遮擋造成的發電損失，是光伏發電設計需要考慮的。組件橫向布置時，遮擋一部分組件，引起的發電損失較小，如圖3所示，因此推薦橫向4 × 12的組件排布方式，如圖4所示。

圖3 組件豎向布置圖

圖4 組件豎向、橫向被遮擋示意圖

從陣列占地面積和電纜平均成本方面考慮，豎向2 × 12排布和橫向4 × 12排布的經濟技術指標對比如表3所示。

表3 兩種排布方式對比

由表可知，橫向4排排布方式的陣列占地面積和電纜平均成本方面都較優，本方案推薦橫向4排排布方式，后續章節涉及支架設計均按照橫向4排的方式。

1.5 傾角設計

根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》附錄B，并網系統推薦傾角取36°（西寧）。

以西寧某地區1.6 MWp單元為例，并網系統推薦傾角為36°，然而在傾角32°～36°范圍內發電量差異不超過0.44%，土地利用率32°與36°相比提高5.16% 。

1.6 間距設計

光伏陣列必須考慮前、后排的組件，構筑物，建筑物等產生的陰影遮擋問題[5]。

本方案陣列前后排之間的空地間距的計算如圖5所示。

圖5 陣列前后排間距

1.7 電纜敷設設計

箱式變壓器、逆變器及交流匯流箱的布置位置會影響電纜的敷設路徑，進而影響系損耗及成本，組串型逆變器的光伏電站，電纜敷設方案如表4所示。

表4 電纜敷設方案比較

1.8 光伏子陣設計

1.8.1 光伏子陣布局

本設計以275 Wp組件為例，每22/24塊組件串聯為一個組串，每9路組串并聯接入一臺逆變器，每6臺逆變器接入一臺交流匯流箱；單元共32臺逆變器經6臺匯流箱匯流后接入容量為1600 kVA的箱變。單元布局設計如圖6所示。

圖6 1.6 MWp單元布局

布局說明：維護道路利用支架南北間距并適當加寬，提高土地利用率；只有一條電纜溝縮短施工周期，設備更集中便于后期巡檢；箱變居于陣列中間、靠路邊放置，便于箱變運輸、安裝、維護。

1.8.2 光伏子陣參數

光伏子陣參數如表5所示。

表5 光伏子陣參數

1.9 光伏子陣電氣拓撲

光伏子陣電氣拓撲圖如圖7所示， 每臺逆變器接入9個組串，每個組串由22/24塊組件串聯；每6臺逆變器匯入1臺交流匯流箱，6 臺交流匯流箱匯入1臺變比為35 kV/0.54 kV、容量為1600 kVA的箱式變壓器，最后并入電網。

圖7 光伏子陣電氣拓撲圖

1.10 光伏子陣通信拓撲

每個光伏子陣配置一臺智能通信箱，通過PLC模塊實現與逆變器的通信，箱變、環境監測儀、電表等設備數據與智能通信箱的通信采用RS485方式實現，最終通過光纖環網方式上傳至電站監控系統。1.6 MWp光伏子陣通信方案如圖8所示。

圖8 單元通信方案

1.11 光伏子陣系統成本

本文所選逆變器最大支持9路輸入, 9路輸入比8路輸入方案設備利用率提高10%以上，系統電氣設備成本可節省約0.04～0.05元/W，系統成本如表6所示。

表6 1.6 MWp光伏子陣系統成本

1.12 精細化設計

綜上所述光伏設計精細化設計方案，以安裝容量100 MWp的電站為例，一次性可以節省初始投資1192萬元，如表7所示。

2 結束語

本文以組串型逆變器為背景，全過程闡述了光伏發電系統的精細化設計；對分布式光伏電站的設計項目具有很好的示范作用，同時，對基于集中型逆變器的光伏電站設計也具有一定的參考價值。

表7 精細化設計節表