分布式光伏發電系統電氣設計分析

王 玨

（國網黃石供電公司， 湖北 黃石 435000）

0 引言

我國電力資源分布不均勻，許多偏遠地區不具備集中式發電的條件，依靠架空線纜進行電力資源的遠距離傳輸，不僅造成電力資源的浪費，而且集中式發電無法根據外界電力負荷的變化而實時改變。為解決用電負荷不能靈活切換而引起的電力運轉成本增加的問題，有效提高電力資源的利用率，分布式光伏電站應運而生。我國的光伏發電技術仍處于發展階段，由于缺乏經驗，設計人員還沒有掌握光伏電站電氣設計及安裝的技術要點。另外，光伏發電站的電氣設備部件均是精密度要求較高的材料，如果不能正確選擇設備及材料型號，就會導致電氣設備及部件的質量不符合要求，進而造成光伏電站頻繁發生設備故障[1]。因此，對分布式光伏電站電氣系統進行全面的設計分析和研究，以便提高電氣系統的性能，保證其運行質量。

1 光伏電站系統的構成及工作原理

光伏電站系統主要由光伏組件、匯流箱、交直流逆變器、配電箱、監控控制系統和安裝支架等組成[2]，如圖1 所示。其工作原理為：光伏電池采用串聯或并聯方式，以一定的角度在光伏支架上進行安裝，組成光伏陣列，最大程度上吸收太陽量，并將太陽量轉化為直流電，通過匯流箱進入逆變器。在逆變器中逆變為交流電后，輸送到主電網中。監測儀可以對系統的實際發電、用電情況進行跟蹤記錄、顯示和儲存等，并對輸入主電網的電量進行統計[3]。

圖1 分布式光伏發電系統的主要原理結構

2 分布式光伏發電系統電氣設計要點

2.1 接入方案設計

根據《分布式電源接入系統典型設計》的內容要求，合理設置并網點總數及箱式變壓器容量，在滿足基地自身用電的基礎上，將剩余電量接入電網，提高電能資源的利用效率。

2.2 電氣主接線設計

在進行光伏電站電氣主接線設計過程中，工作人員需要綜合考量光伏電站設計的裝機容量、系統接入方式、樞紐布置情況和具體的設備特點等，在此數據上完成電氣系統接線方案的初步擬定。此外，電站主接線的設計還必須滿足接線簡單、便于操作、運行靈活等條件，方便后期作業人員的操作及維護檢修。

2.3 主要電氣設備選擇安裝

2.3.1 光伏電池選型

目前市場上流行的光伏電池主要有兩種，一是薄膜電池，該類電池價格便宜、成本低廉，環境適應性強，缺點是轉化效率不高。另一種是晶硅電池，安全性好、熱穩定性強、易于維護、壽命長，且能量轉化率較高，占據大部分光伏電池市場[4]。在環境溫度正常情況下，晶硅電池工作功率輸出為每包60 W～280 kW，從輸出功率、用電成本等角度出發，選擇200 kW 的多晶硅電池，其基本性能參數如表1 所示。

表1 200 kW 多晶硅電池性能參數

2.3.2 光伏電站濾波器選擇

為提高光伏電站運行質量，保護光伏系統中各設備部件不受電磁干擾，需對光伏電站并網接入系統的濾波器進行設計。在光伏電站接入系統中，由于外界環境的影響，輔助逆變器、開關電源工作頻率等都會引起諧波電流，對光伏電站接入系統運行造成一定影響。濾波器可分為L 型、LC 型和LCL 型三種類型，不同型號的濾波器差異很大，各具特色，需要根據光伏發電現場的實際工況進行合理選型。

如果光伏電站接入系統的發電量較低，可以選擇L 型濾波器或者LC 型濾波器。如果光伏發電接入系統的發電量較高，則需要選擇LCL 型濾波器。對于L型和LC 型濾波器而言，其采購價格較高、且濾波效果不太理想，不利于整個光伏電站接入系統及主供電電網的平穩可靠運行。

2.3.3 光伏電站逆變器選擇

逆變器是整個分布式光伏電站接入系統設計當中最為關鍵的備件，可以對不同電壓進行逆變，提高電網需要的電壓值，對分布式光伏電站并網系統的電能質量有重要影響。選用逆變器部件時，需要統籌考慮其容量、工作電壓、工作電流、諧波電流及輸出功率等環節的技術要求，按照分布式光伏電站并網系統的實際情況進行逆變器的采買。當逆變器遇見不并網故障時，經常發生在與電網未正確連接的情況下，主要排查交流開關是否閉合。若閉合，則查看連接逆變器輸出口的線纜是否松動，并采用數字式萬用表對此處電壓進行測量。若無松動，則檢查逆變器輸出口與電網的連接處是否存在虛接或脫落現象。在有電檢查過程中，要穿戴好勞保防護用品，切勿用手直接接觸電線及端子排，避免意外觸電，對作業人員造成傷害。

此外，為了充分保障分布式光伏電站發電系統的運行質量，提高作業效率，要合理選擇分布式光伏電站電網接入點的電壓。一般情況下，分布式光伏電站接入點額定電壓范圍是89%～115%。因此，需要通過交直流逆變器來對接入電網的電壓進行相應調節及控制[5]。同時，根據分布式光伏發電系統的實際應用情況，電網的頻率需要恒定在斷點。若無松動且電壓數值在110～220 V 區間之內，說明此處線路無問題。在運行過程中，一旦超出49.5～50.5 Hz 頻率區間，立即切換到逆變器運行模式。

2.3.4 主變壓器選擇

以湖北黃石某光伏電站為例，對主變壓器選擇進行說明。該項目基于11 個村級電站用電總容量，對子方陣容量進行科學配置。該項目所處地域內地下有很多光纜及水溝，將該地段劃分為分散的很多區域。為了適應此地段不規則的地形，實現地形空間最大化利用，避免電力資源浪費，故選用1.2 MW、1.45 MW、1.8 MW 和2.2 MW 光伏電站子方陣。

考慮到逆變器的輸出電壓值較小，倘若光伏電站的矩陣選取的功率較高，將導致升壓變壓器單側工作電流過大，從而造成線路能量損失較大，增加了設備選型的難度，故不采用容量較高的子方陣。為保證系統的供電安全性，建議選擇主變壓器多個子系統的安裝方案。各子方陣容量如表2 所示。

表2 子方陣容量及箱變分配表

為降低成本，增加經濟效益，在分布式光伏發電系統并網設計時，相關人員必須慎重選擇電壓等級，避免資源浪費。目前市場上常見的分布式光伏發電站配置主要有三種：小型光伏電站所選擇并入的配電網一般是低壓電網（0.4 kV），中型光伏電站所選擇并入的配電網一般是中壓電網（10～35 kV），而大型光伏發電站所選擇并入的配電網級別一般高于110 kV。設計人員應結合所在電網實際情況，秉承保證運行質量、提升經濟效益的原則，合理選擇并網電壓等級，若高低兩種等級的電壓都與光伏電站匹配，則首選為低電壓并網方式，既能最大限度保障光伏電站發電系統的工作效率，又能充分降低經濟成本。

3 經濟效益分析

該分布式光伏發電200 kW 并網電站實際投資情況如表3 所示。

表3 200 kW 光伏電站投資成本

假設光伏系統發電效率為80%，則該單位年發電量為209 484 kW·h。隨著設備使用時間的增加，設備會有一定程度折損，若將光伏電池組件質量按生命周期內總折的20%進行計算，25 a（光伏設備的使用總壽命）內總發電量為41 890 000 kW·h。

依據當前的實際使用情況，該單位5：00—17：00時段電價為1.2 元/（kW·h），按照光伏系統年衰減幅度為0.4%計算，只需2 年就可收回投資成本，如表4所示。此后服務期間，可有效節省電費，具有較高的經濟效益。

表4 200 kW 光伏電站經濟指標

4 結語

文章介紹了光伏電站系統的構成及工作原理，探討了光伏電站電氣系統的接入方案設計、電氣主接線設計、光伏電池、光伏電站濾波器、光伏電站逆變器和主變壓器等電氣設備的選型等的關鍵設計要點，從根本上保證分布式光伏電站總體運行質量，在提高用電體驗的同時，也提高了光伏電站的經濟效益。