大型光伏發(fā)電站電氣設(shè)計分析

中國電建集團(tuán)貴州工程有限公司 曹 操 韋廷輝

1 引言

光伏發(fā)電作為清潔能源領(lǐng)域的重要組成部分，正逐漸替代傳統(tǒng)能源。大型光伏發(fā)電站作為光伏發(fā)電的核心形式之一，其電氣設(shè)計是確保系統(tǒng)安全、高效運行的重要環(huán)節(jié)。本文旨在進(jìn)行大型光伏發(fā)電站電氣設(shè)計分析，通過深入探討電氣負(fù)荷需求、主變壓器和配電系統(tǒng)設(shè)計、直流和交流電氣系統(tǒng)設(shè)計，分析電氣系統(tǒng)性能，為電氣設(shè)計提供指導(dǎo)和優(yōu)化建議。

2 光伏發(fā)電站的構(gòu)成和工作原理

光伏發(fā)電站是一種利用光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)施，主要由光伏組件（太陽能電池板）、支架和跟蹤系統(tǒng)、逆變器、電纜、配電系統(tǒng)和電網(wǎng)連接等組成，如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電站的構(gòu)成

光伏發(fā)電站的工作原理是通過光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)太陽光照射到光伏組件上時，光能被光伏電池吸收，激發(fā)電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電流。直流電流經(jīng)過逆變器的轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)后，可以輸出為交流電，供電網(wǎng)使用[1]。

3 電氣設(shè)計要點

3.1 電氣負(fù)荷需求分析

3.1.1 發(fā)電站負(fù)荷特性

發(fā)電站的負(fù)荷特性為電氣設(shè)計提供準(zhǔn)確的負(fù)荷需求數(shù)據(jù)和信息，指導(dǎo)主變壓器、配電系統(tǒng)、直流和交流電氣系統(tǒng)的設(shè)計和容量規(guī)劃。同時，幫助制定合理的負(fù)荷預(yù)測方法，以便及時調(diào)整發(fā)電站的運行策略和管理措施，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

3.1.2 負(fù)荷預(yù)測方法

準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測方法可以幫助優(yōu)化電氣設(shè)計，合理規(guī)劃電力設(shè)備容量，并確保發(fā)電站的穩(wěn)定運行，常用的負(fù)荷預(yù)測和估算方法見表1。

表1 常用的負(fù)荷預(yù)測和估算方法

3.2 主變壓器和配電系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 主變壓器的選型和參數(shù)設(shè)計

在進(jìn)行主變壓器的選型和參數(shù)設(shè)計時，根據(jù)負(fù)荷需求和預(yù)測結(jié)果，確定主變壓器的額定容量滿足發(fā)電站的負(fù)荷需求，同時考慮未來的擴(kuò)容和負(fù)荷增長。根據(jù)發(fā)電組件的輸出電壓和電網(wǎng)的接口要求，確定主變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)有效的電能轉(zhuǎn)換和適應(yīng)電網(wǎng)的電壓要求。選擇具有較高效率的主變壓器，減少能源損耗和運行成本，提高發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)性[2]。根據(jù)主變壓器的負(fù)荷和環(huán)境條件，選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s方式，例如自然冷卻或強(qiáng)制冷卻。

3.2.2 配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和保護(hù)設(shè)計

配電網(wǎng)的設(shè)計和優(yōu)化涉及多個方面，包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、配電設(shè)備選擇、短路電流計算、過載保護(hù)、短路保護(hù)、接地系統(tǒng)設(shè)計以及遙控與監(jiān)控系統(tǒng)。其中，較佳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)發(fā)電站規(guī)模、負(fù)荷需求、系統(tǒng)可靠性和運行靈活性確定。配電設(shè)備選擇需要考慮負(fù)荷需求和電氣系統(tǒng)要求，確保設(shè)備滿足需求并且能夠安全運行。短路電流計算用于選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)裝置和設(shè)置保護(hù)參數(shù)，確保系統(tǒng)安全運行。過載保護(hù)根據(jù)負(fù)荷和設(shè)備容量確定觸發(fā)條件和動作時間，防止設(shè)備過載損壞。短路保護(hù)根據(jù)短路電流計算結(jié)果，確定動作時間和靈敏度，快速切斷故障電路保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)。接地系統(tǒng)設(shè)計確保電位穩(wěn)定和人身安全。遙控與監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，及時發(fā)現(xiàn)故障和異常。

3.3 直流電氣系統(tǒng)設(shè)計

3.3.1 光伏組件串并聯(lián)方式

在光伏發(fā)電站中，需要將串聯(lián)和并聯(lián)方式結(jié)合起來，形成串并聯(lián)混合連接,如圖2所示。通過將多個串聯(lián)組件組成一個串聯(lián)單元，再將多個串聯(lián)單元并聯(lián)連接起來，實現(xiàn)更高的電壓和電流要求。

圖2 光伏組件通過串聯(lián)和并聯(lián)形成

3.3.2 直流電纜設(shè)計和布置

直流電纜在光伏發(fā)電站中用于傳輸光伏組件輸出的直流電能，在進(jìn)行直流電纜設(shè)計和布置時，需要綜合考慮電纜選擇、電纜截面積計算、電纜長度和布置、電纜保護(hù)和絕緣、接頭和連接、標(biāo)識和標(biāo)注、系統(tǒng)接地等要素，進(jìn)行合理的直流電纜設(shè)計和布置，滿足光伏發(fā)電站的電能傳輸需求。

3.3.3 直流匯流箱設(shè)計和參數(shù)選擇

直流匯流箱是光伏發(fā)電站中用于收集和分配光伏組件輸出直流電能的重要組件，設(shè)計合理的直流匯流箱可以確保光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和高效發(fā)電。在進(jìn)行直流匯流箱設(shè)計和參數(shù)選擇時，需要考慮電流容量、電壓等級、輸入和輸出連接、過電壓保護(hù)、溫度控制、電纜管理、可靠性和安全性等因素[3]。

3.4 交流電氣系統(tǒng)設(shè)計

3.4.1 逆變器選型和參數(shù)設(shè)計

逆變器類型：根據(jù)系統(tǒng)需求和光伏組件的特性，選擇合適的逆變器類型，例如中央式逆變器、串聯(lián)式逆變器、微逆變器等。

輸出功率容量：根據(jù)光伏組件的總輸出功率和發(fā)電站的容量，選擇適當(dāng)?shù)哪孀兤鬏敵龉β嗜萘俊?/p>

輸入電壓范圍：根據(jù)光伏組件的輸出電壓范圍和系統(tǒng)要求，選擇適當(dāng)?shù)哪孀兤鬏斎腚妷悍秶?/p>

防護(hù)等級和環(huán)境適應(yīng)性：根據(jù)光伏發(fā)電站的環(huán)境條件，選擇適當(dāng)?shù)哪孀兤鞣雷o(hù)等級，確保逆變器具有良好的耐久性和防護(hù)能力。

通信接口和監(jiān)控功能：逆變器應(yīng)當(dāng)具備適當(dāng)?shù)耐ㄐ沤涌诤捅O(jiān)控功能，實現(xiàn)對逆變器運行狀態(tài)、發(fā)電數(shù)據(jù)和故障診斷的實時監(jiān)測和管理。

并網(wǎng)要求和安全性：確保逆變器符合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)并網(wǎng)要求和安全標(biāo)準(zhǔn)，確保光伏發(fā)電站的安全穩(wěn)定運行。

3.4.2 交流電纜設(shè)計和布置

交流電纜在光伏發(fā)電站中用于傳輸逆變器輸出的交流電能，合理的交流電纜設(shè)計和布置對系統(tǒng)的性能和安全具有重要影響。交流電纜設(shè)計和布置要考慮電流容量、電壓等級、電纜截面積、電纜類型、電纜長度和布置路徑、電纜保護(hù)和接地等。

3.4.3 電網(wǎng)連接和并網(wǎng)運行要求

光伏發(fā)電系統(tǒng)需要與電網(wǎng)進(jìn)行連接，并以并網(wǎng)方式運行，將發(fā)電的電能注入電網(wǎng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)配備電網(wǎng)并聯(lián)保護(hù)裝置，監(jiān)測電網(wǎng)的狀態(tài)和頻率響應(yīng)，確保在電網(wǎng)故障或異常情況下及時切斷與電網(wǎng)的連接，保護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。根據(jù)電網(wǎng)要求，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)具備功率因數(shù)控制功能，確保系統(tǒng)的功率因數(shù)維持在要求的范圍內(nèi)[4]。在并網(wǎng)運行前，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的同步和穩(wěn)定性，能夠迅速響應(yīng)電網(wǎng)的頻率和電壓變化，并保持與電網(wǎng)同步運行，確保穩(wěn)定的電能注入電網(wǎng)。

4 電氣系統(tǒng)性能分析

4.1 系統(tǒng)效率分析

4.1.1 光伏組件效率和系統(tǒng)效率計算方法

光伏組件效率計算方法：

式中，輸出電能通為組件在標(biāo)準(zhǔn)測試條件（STC）下的額定輸出功率（Pmax）；光照強(qiáng)度為光照輻射強(qiáng)度（通常以標(biāo)準(zhǔn)太陽輻照度為基準(zhǔn)）；光照面積為光伏組件的有效光吸收面積。

系統(tǒng)效率計算方法：

式中，其他組件效率包括電纜、匯流箱、配電盤等的效率。

4.1.2 損耗分析和優(yōu)化措施

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，存在多種損耗，會影響系統(tǒng)的總體效率,對這些損耗采取相應(yīng)的優(yōu)化措施可以提高系統(tǒng)的效率。

光伏組件損耗：通過使用抗反射涂層和優(yōu)化表面紋理，減少光的反射，提高光的吸收率。通過散熱設(shè)計和組件溫度控制，防止組件的溫度上升，降低熱損耗，優(yōu)化電池片和電路連接，減少電阻損耗。

逆變器損耗：選擇高效率的逆變器，確保逆變器工作在其效率范圍內(nèi)，減少轉(zhuǎn)換效率損耗；選擇低功耗的逆變器，并在系統(tǒng)設(shè)計中考慮逆變器的運行方式和負(fù)載變化。

電纜和配電系統(tǒng)損耗：選擇適當(dāng)?shù)碾娎|截面積和材料，減少電纜的電阻損耗，控制電纜的長度和布置，盡量縮短電纜長度，從而減少電纜的功率損耗。并使用低損耗的配電設(shè)備和保護(hù)裝置，減少系統(tǒng)中的額外損耗。

陰影和污染損耗：通過合理的布局和避免遮擋物，減少光伏組件受到陰影的影響，降低陰影損耗。定期清潔光伏組件表面，清除塵埃和污染物，提高光吸收效率。

4.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

4.2.1 短路電流和電氣故障分析

進(jìn)行短路電流分析其過程需要確定電源的額定電流和電壓，并分析系統(tǒng)中各個組件的電流特性，包括光伏組件、逆變器、配電設(shè)備等。同時，計算短路電流的大小和持續(xù)時間，考慮電源能力、電纜阻抗和保護(hù)裝置的動作時間等因素[5]。

進(jìn)行電氣故障分析可以幫助確定故障類型和位置，及時采取相應(yīng)的處理措施。分析過程包括檢查系統(tǒng)的接線和連接，確保沒有接錯或松動的電纜。使用故障檢測儀器，例如絕緣測試儀、接地測試儀等，檢測系統(tǒng)中的故障點和故障類型。根據(jù)檢測結(jié)果，確定故障點所在位置，對故障設(shè)備進(jìn)行修復(fù)或更換。

4.2.2 過電壓和過流保護(hù)設(shè)計

過電壓保護(hù)設(shè)計：在光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流側(cè)和交流側(cè)安裝適當(dāng)類型和等級的避雷器，吸收和分散來自雷擊等因素引起的過電壓。選擇具備過電壓保護(hù)功能的逆變器，確保其能夠快速檢測和處理過電壓情況。

過流保護(hù)設(shè)計：在電氣系統(tǒng)中安裝適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)裝置，例如保險絲、斷路器或電流保護(hù)開關(guān)，以檢測和中斷異常高電流。在關(guān)鍵部位安裝電流傳感器，監(jiān)測電流的變化，并將信號傳輸?shù)竭^流保護(hù)裝置，觸發(fā)保護(hù)動作。根據(jù)系統(tǒng)的額定電流和設(shè)備的耐受能力，精確設(shè)置過流保護(hù)裝置的動作電流值，確保在過流情況下能夠及時切斷電源。

5 結(jié)語

光伏發(fā)電站的電氣設(shè)計是確保系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié)，涉及電氣負(fù)荷需求、主變壓器選型、配電系統(tǒng)設(shè)計、光伏組件串并聯(lián)、直流電纜設(shè)計、逆變器選型、交流電纜設(shè)計和電網(wǎng)連接等要點，通過本文的研究可以為大型光伏發(fā)電站的電氣設(shè)計提供準(zhǔn)確、可靠的參考和指導(dǎo)，有助于確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效運行和穩(wěn)定性。