分布式光伏發電系統電氣設計分析

天津市政工程設計研究總院有限公司 胡繼宗

1 引言

光伏發電是我國重要的戰略性新興產業，大力推進光伏發電應用對優化能源結構、保障能源安全、改善生態環境、轉變城鄉用能方式具有重大戰略意義。而分布式光伏發電系統是一種高能效的發電方式，能夠更大范圍地提高組件的輻照面積，同時也能對配電網起到加強繼電保護作用，從而保證光伏發電系統的長久與穩定運行[1]。與傳統的集中式光伏發電系統相比，分布式光伏發電系統具有更高的靈活性、更小的投資、更快的建設周期和更好的環保性能。

然而，分布式光伏發電系統電氣設計水平的高低直接關乎整個發電系統的運行效能和價值發揮[2]，在分布式光伏發電系統的設計和實施過程中，電氣設計是一個至關重要的環節。在本文中，將從技術性的角度出發，對分布式光伏發電系統的電氣設計進行深入的研究和分析，以期為分布式光伏發電系統的設計和實施提供有價值的參考和指導。

2 光伏發電系統設計要點

光伏發電系統的設計是分布式光伏發電系統電氣設計的基礎，其合理性直接影響到系統的發電效率、運行穩定性和經濟性。

2.1 組件選型

組件選型是光伏發電系統設計中最重要的一環，其選取直接影響到系統的發電效率和系統的壽命。在組件選型中，需要考慮的因素包括組件類型、組件規格和參數、電站布置與陣列布局、逆變器選型、電纜布線設計、直流匯流箱設計、交流配電箱設計等七項。

2.2 光伏組件類型

分布式光伏發電電氣系統對于元器件可選擇單晶硅電池組件、多晶硅電池組件或非晶硅電池組件等[3]，其區別主要在于轉化效率、價格和壽命等方面。根據實際需求和經濟考慮，選擇合適的光伏組件類型。

2.3 光伏組件規格和參數

光伏組件的規格和參數包括峰值功率、工作電壓、工作電流、開路電壓以及短路電流等。根據實際需求和電站布置情況，選擇合適的光伏組件規格和參數。

2.4 電站布置與陣列布局

電站布置和陣列布局是光伏發電系統設計中另一個重要的方面，其合理性直接影響到系統的發電效率和經濟性。在電站布置和陣列布局中，需要考慮的因素包括地形和地貌對電站布置和陣列布局具有重要影響。如在山地地區，應避免陣列布局懸崖峭壁或陡峭的山坡上，而應布置在山腰或山腳的平地上。太陽輻射條件是光伏發電系統設計的重要因素，應根據所在地的經緯度和氣候條件，確定適宜的陣列布局和傾角。

陣列布局方式包括水平布局和垂直布局兩種。水平布局適用于較小的電站，而垂直布局適用于大型電站，可以減小占地面積，提高利用率。

2.5 逆變器選型

逆變器是將直流光伏電池板產生的電能轉換為交流電能輸出到電網的核心設備，其選型也是光伏發電系統設計中一個重要的方面。在逆變器選型中，需要考慮的因素包括逆變器類型包括中央式逆變器、組串式逆變器和微逆變器等。中央式逆變器適用于大型電站，組串式逆變器適用于中小型電站和分布式光伏發電系統，微逆變器適用于小型電站或分布式光伏發電系統。逆變器效率和品質是影響系統發電效率和穩定性的重要因素。選擇高效率和高品質的逆變器能夠提高系統的發電效率和穩定性。逆變器容量應根據電站設計功率和組串電壓等因素進行合理選擇，以滿足系統的輸出功率需求。

2.6 電纜布線設計

電纜布線設計是光伏發電系統設計中一個重要的方面，其合理性直接影響到系統的安全性和運行穩定性。在電纜布線設計中，需要考慮的因素包括電纜類型和規格應根據電站設計功率和電流等因素進行合理選擇，以滿足系統的輸出功率需求；電纜敷設方式和路徑應根據電站布置和陣列布局等因素進行合理選擇，避免電纜交叉或捆綁等情況；電纜敷設深度和保護措施應根據地質條件和環境因素等進行合理選擇，確保電纜的安全性和運行穩定性。

2.7 直流匯流箱設計

直流匯流箱是光伏發電系統中的一個重要組成部分，其作用是對光伏組件進行串并聯和輸出匯流。在直流匯流箱設計中，需要考慮的因素包括直流匯流箱類型和規格應根據電站設計功率和光伏組件數量等因素進行合理選擇，以滿足系統的輸出功率需求；直流匯流箱接線方式和路徑應根據電站布置和陣列布局等因素進行合理選擇，避免接線松動或短路等情況；直流匯流箱應具備良好的防水、防雷和防火性能，確保其安全性和運行穩定性。

2.8 交流配電箱設計

交流配電箱是光伏發電系統中的一個重要組成部分，其作用是將逆變器輸出的交流電能分配到電網或負載中。在交流配電箱設計中，需要考慮的因素包括交流配電箱類型和規格應根據電站設計功率和負載需求等因素進行合理選擇，以滿足系統的輸出功率需求；交流配電箱的接線方式和路徑應根據電站布置和負載分布等因素進行合理選擇，避免接線松動或短路等情況；交流配電箱應具備良好的防水、防雷和防火性能，確保其安全性和運行穩定性。

3 分布式光伏發電系統電氣特性分析

3.1 電壓與電流的變化特性

分布式光伏發電系統的電壓和電流隨著時間和光照強度的變化而發生變化，綜合考慮不同類型的電能質量和電壓等級[3]。在分布式光伏發電系統中，為了提高光伏電池的輸出電壓和電流，需要將多個光伏電池串聯成光伏組，并將多個光伏組并聯成光伏陣列。通過合理的光伏組和光伏陣列設計，可以使光伏發電系統在不同的光照強度和溫度條件下都能夠保持穩定的輸出電壓和電流。

3.2 發電功率特性

光伏發電系統的發電功率特性是指光伏發電系統的輸出功率隨著光照強度和溫度的變化而發生的變化。在理想情況下，光伏發電系統的輸出功率與光照強度呈線性關系，但在實際應用中，由于光伏電池本身的特性、陰影遮擋等因素的影響，光伏發電系統的輸出功率與光照強度呈非線性關系。

3.3 電氣性能指標

光伏發電系統的電氣性能指標是對系統電氣特性和性能的評價，對于系統的穩定運行和性能優化至關重要。

3.3.1 填充因子

填充因子（Fill Factor， FF）是指光伏電池組件在最大功率點時輸出電壓與電流的比值與開路電壓與短路電流的乘積的比值，即：

式中，Vmp和Imp分別為光伏組件在最大功率點時的輸出電壓和輸出電流；Voc和Isc分別為開路電壓和短路電流。填充因子越大，表示組件輸出功率越高，光伏組件的質量也就越好。

3.3.2 效率

光伏組件的效率是指單位面積的光照下，組件轉換太陽能電能的能力，通常用百分比表示。光伏組件的效率受到多種因素的影響，如光伏材料、光伏結構和工藝等。

光伏組件的效率與光伏電池的光電轉換效率（即將光能轉化為電能的能力）密切相關。常見的光伏組件效率有單晶硅組件、多晶硅組件、非晶硅組件等，其中單晶硅組件的效率最高，達到了20%以上，非晶硅組件的效率最低，通常在10%左右。

3.4 可靠性分析

光伏發電系統是一個長期運行的設備，由于光伏發電系統的能量轉換是受天氣和環境等因素影響的，因此電站的損耗率是一個動態的指標，具有一定的波動性。為了提高光伏發電系統的經濟效益，應該盡量減少電站的損耗率。發電系統中的負載，如空調、電視等，一般為感性負載，導致電流與電壓不在相位，從而引起功率因數的下降，造成能量的浪費。因此，需要對發電系統進行功率因數補償。此外，由于逆變器工作時會產生諧波，可能會對電網和電氣設備造成影響，因此需要對諧波進行監測和控制[4]。

4 試驗結果與分析

4.1 試驗介紹

為驗證電氣設計方案的可行性和有效性，進行了一組試驗，將電氣設計方案應用于某分布式光伏發電項目的建設中，并對實際發電數據進行了收集和分析。將在太陽能光伏板和逆變器之間安裝直流隔離器，以保護逆變器和其他電氣設備免受過電壓和過電流的損害。對系統進行配電設計，確保系統的穩定性和可靠性。使用一組光伏電池板，逆變器和電池來搭建系統。試驗設備清單詳見表1。

表1 試驗設備清單

4.2 試驗結果

在進行試驗后，得到的結果為：系統的效率在不同光照條件下有所變化，但總體來說效率很高。系統效率測試結果詳見表2。

表2 系統效率測試結果

逆變器具有良好的響應速度，能夠快速響應不同負載的變化。逆變器響應速度測試結果詳見表3。直流隔離器能夠有效地保護逆變器和其他電氣設備免受過電壓和過電流的損害。配電系統的設計良好，系統的穩定性和可靠性得到了有效保證。

表3 逆變器響應速度測試結果

4.3 試驗結果分析

一是系統效率受光照條件的影響，因此在實際應用中需要根據具體情況來選擇光伏電池板和逆變器的型號和數量，以達到最佳效果。二是逆變器響應速度的快慢直接影響系統的性能，因此在選擇逆變器時需要考慮其響應速度和負載能力。三是直流隔離器是分布式光伏發電系統中必不可少的一個組成部分，能夠有效地保護逆變器和其他電氣設備免受過電壓和過電流的損害，提高系統的安全性和穩定性。四是配電系統的設計良好，能夠確保系統的穩定性和可靠性。在設計配電系統時，需要考慮電流平衡、短路保護、過載保護等因素，以確保系統的正常運行。研究對分布式光伏發電系統的電氣設計進行了試驗分析，得到了具有實際參考價值的結果。未來可以在本研究的基礎上進一步拓展研究內容，完善分布式光伏發電系統的電氣設計，以更好地滿足實際應用需求。

5 結語

本文主要從技術角度探討了分布式光伏發電系統的電氣設計方案。根據電站布置和陣列布局，選型逆變器、電纜、直流匯流箱和交流配電箱等關鍵設備，并進行了詳細的參數計算和試驗分析。經過試驗結果的比較和分析，發現電氣設計方案可以實現預期的發電效果，同時也能夠滿足電力系統穩定運行的要求。