光伏發電電氣系統設計優化研究

摘要：隨著可持續發展戰略的不斷深入推進，光伏發電憑借著污染低、可再生、靈活高效等特點逐漸在國內新能源體系當中得到了廣泛運用。首先是，對光伏發電發展現狀進行做出了簡要介紹；其次，，然后對光伏發電電氣系統的組成內容進行了分析；，最后，分別從光伏組件、光伏陣列、逆變器以及箱式變壓器等多個方面針對光伏發電電氣系統的設計優化進行做出了深入探討，以此助推光伏發電不斷向好發展。

關鍵詞：光伏發電""健康發展""電氣系統""設計優化""逆變器

Research"on"Design"Optimization"of"Photovoltaic"Power"Generation"Electrical"System

SHEN"Yi

Guinan"Comprehensive"Smart"Energy"Branch"of"Qinghai"Yellow"River"Upstream"Hydropower"Development"Co.，"Ltd.，"Guinan"Comprehensive"Smart"Energy"Branch，"Xining，"Qinghai"Province，"810001"China

Abstract："With"the"continuous"deepening"of"the"sustainable"development"strategy，"photovoltaic"power"generation"has"gradually"been"widely"used"in"the"domestic"new"energy"system"due"to"its"low"pollution，"renewable，"flexible"and"efficient"characteristics."Firstly，"a"brief"introduction"was"made"to"the"current"development"status"of"photovoltaic"power"generation;，"Ffollowed"by，"an"analysis"of"the"composition"of"the"photovoltaic"power"generation"electrical"system"was"analyzed."Finally，"in-depth"discussions"were"conducted"on"the"design"optimization"of"the"photovoltaic"power"generation"electrical"system"from"multiple"aspects"such"as"photovoltaic"modules，"photovoltaic"arrays，"inverters，"and"box"type"transformers，"in"order"to"promote"the"continuous"improvement"of"photovoltaic"power"generation.

Key"Wwords："photovoltaic"Photovoltaic"power"generation;"Healthy"development;"Electrical"system;"Design"optimization;"Iinverter

電氣系統是光伏發電工程的核心內容，持續優化改進電氣系統設計工作，可以提高電氣系統設計的合理性，使得電氣系統能夠實現穩定、和高效運行，更好地發揮應有的價值和作用，有助于提高整個光伏發電項目的建設成效。因此，有必要對光伏發電電氣系統設計優化做出進行深入研究，以此進一步提高光伏發電電氣系統設計水平，為光伏發電事業實現長遠健康發展進行助力。

1"光伏發電的發展現狀概述

在全球氣候不斷變暖還有化石能源總量有限這一背景下，可再生能源的充分開發利用受到我國的高度重視，受此影響和推動，光伏發電事業呈現出了高速發展的態勢。結合國家能源局統計公布的數據來看，2019—2023年，國內光伏發電實際新增裝機量保持持續增長態勢（如表1所示），截至2023年12月，國內光伏發電裝機規模已經達到了608.919"GW，包括集中式、分布式兩大類型，分別裝機量為354.481"GW、254.438"GW，實際新增裝機約為216.88"GW，相較于2022年增長55.2%。所以，從整體來看，國內光伏發電發展態勢良好，未來發展空間較大[1]。

2"光伏發電電氣系統的組成內容

對于光伏發電的來講，其原理是借助半導體的本身具備的光生伏特效應，在相應的太陽能電池內部PN結構上產生一定的電位差，以此將太陽能有效轉變為電能（如圖1所示）。電氣系統是光伏發電項目的核心內容，主要由光伏組件、逆變器、箱式變壓器以及、并網箱、支架、交直流線纜等部件構成，通過這些部件的共同作用，使得太陽能可以穩定、高效地接入電網。其中，光伏組件屬于電氣系統的一個核心內容，發揮著將太陽輻射有效轉變為電能的作用；逆變器可以將光伏組件形成的一系列直流電迅速轉變為交流電，便于順利接入家庭或者是商業用電系統；箱型變壓器主要用來將光伏組件形成的一系列低壓直流電有效轉變為高壓交流電，從而確?？梢暂斔椭岭娋W中去；支架發揮著固定光伏組件的作用；交直流線纜等一系列輔材，主要用來連接各種部件，以確此保證電能可以實現高效傳輸[2]。

3"光伏發電電氣系統的設計優化研究

3.1"光伏組件的設計優化

在實際設計光伏組件時，需要結合電壓等級、組件材料以及、尺寸等對組件進行合理選用。由于晶硅類組件（如圖2所示）對太陽能的轉化效率以及與電性能參數要明顯優于薄膜類組件，所以，在實際開展組件設計時，建議選用對晶硅類組件進行選用。

此外，晶硅類組件又可以分為P型和N型兩種，前者衰減一般為1.5%左右，后者基本無衰減，擁有相對更高轉換效率，所以需對N型組件進行選用。另外，雙面組件背面通常為透明材料制成，能夠對環境中的一系列反射光進行充分利用，有著大約5%左右的增益，在同等裝機量的前提下，雙面組件通常比單面組件有相對更高的轉換效率，同時占地面積也相對更小，成本投入也更低，所以一般建議選用雙面組件。除合理選擇光伏組件外，在開展光伏組件設計優化時，還應注意做到以下幾點：

晶硅類組件可以分為P型和N型兩種，前者衰減一般為1.5%左右；后者基本無衰減，擁有相對更高轉換效率。所以，需選用N型組件。另外，雙面組件背面通常由透明材料制成，能夠充分利用環境中的一系列反射光，有著大約5%的增益。在同等裝機量的前提下，雙面組件通常比單面組件有相對更高的轉換效率，同時占地面積也相對更小、成本投入也更低，所以，一般建議選用雙面組件。

除合理選擇光伏組件外，在開展光伏組件設計優化時，還應注意做到以下幾點。

1. 光伏組件串聯后，應該確保最高輸出電壓能夠處于組件本身最大電壓范圍之內，、對于電壓變化范圍，還應該保證處于逆變器系統本身的工作范圍之內；。（2）對于組件串聯數量，需要根據環境溫度、逆變器規格或者是當地太陽能輻射情況等進行確定；。（3）為減少直流損耗，應該保證串聯完畢的組件實際輸出電壓滿足有關標準和要求的同時，盡量選定為最大值；。（4）在實際開展光伏組件設計工作時，對于同一逆變器當中連接的相應子陣，應該對組件功率一致、性能相似同時且距離較近的匯流箱進行優先選用，這樣能夠減輕直流壓降還有、組件相同等因素對最大功率點追蹤MPPT產生的不利影響，可以顯著提高電氣系統的整體運行效率和質量[3]。

3.2"光伏陣列的設計優化

對于光伏陣列設計來講，其屬于光伏發電電氣系統設計活動中的一個重點內容，。在實際開展設計工作前，相關設計單位需要對項目開展細致的調查活動，調查內容包括項目所在地的地形地貌、氣候條件以及、太陽能輻射情況等等，；然后，再結合這些調查結果開展光伏陣列設計活動，以此提高陣列設計的合理性、有效性。以某光伏發電項目為例，設計單位經調研發現該項目所在地水平輻射量大約為1"325"kWh/m2，經測算，最佳傾斜角度處于17°～20°之間，對于年等效利用小時數大約能夠達到1"030.23h。圍繞這些數據，該設計單位設計了三3種陣列方式，具體如表2所示。最終綜合考慮成本、運維量以及、年輻射量等多個方面，該項目決定對選用固定支架式陣列進行選用，提高了設計成效[4]。

3.3"逆變器的設計優化

逆變器負責將直流電有效轉變為交流電，是光伏發電電氣系統中的一個核心內容。在對逆變器開展設計優化工作時，通常應對光伏空間、距離等有關參數進行充分考慮。若逆變器光伏間距和朝向之間有一定的距離差異，或者部分光線可以被陰影遮擋，則通常建議選用分散逆變的方式；若逆變器光伏方陣本身有著相對較為統一的間距和朝向，則建議選用集中逆變方式。

對于集中逆變來講，其操作過程相對較為簡便、快捷，后續安裝和維護工作有著較高的便利性，成本投入比較低，系統的實際有效利用率也相對較高，能夠確保光伏發電工程高質量完成電能輸出。但是，這種設計方式同樣存在一定不足，如難以高效地預防一系列設備故障問題，從對組件使用壽命產生不利影響。對于分散式逆變設計來講，其有著較高的技能效果，能夠降低輸出電能的實際用功消耗，且便于后期維護和操控。在出現故障問題時，通常情況下，部分故障系統難以對整個系統的穩定運行造成影響，但缺點在于有著相對較高的維護成本[5]。

此外，在直接并網模式下，還應該確保逆變器本身的輸出電壓和相應的電網電壓處于完全匹配狀態。以民用電網為例，其電壓主要為220"V/380"V，逆變器的輸出電壓波形應該保證為精確的正弦波，實際頻率應該為50"Hz或60"Hz，電壓有效值需要設定為220"V或380"V。另外，對于逆變器本身的總諧波失真，同樣應設計在國家有關標準范圍內，一般為小于5%，從而保證電能質量達標。目前來看，在電網環境中經常會出現電壓和頻率波動問題，這便強調并網逆變器還應擁有相對較強的電網適應能力與調節能力，例如：現階段，市面上部分性能相對較高的并網逆變器可以在電壓波動處于±10%范圍中實現穩定正常工作，同時還能夠以毫秒級迅速響應電網發生的頻率變化，實現輸出頻率和相位方面的實時動態調整，從而保證可以和電網同步，顯著提高電能的并網穩定性、可靠性。

3.4"箱式變壓器的設計優化

箱式變壓器同樣屬于光伏發電電氣系統中的一個重要組成部分。在實際開展該裝置的設計優化工作時，通常應該對能耗低與自冷式進行優先選用。若系統本身的電能容量相對較大，則必須要將電能容量實施模塊劃分，還應該結合各個模塊實際輸出功率最大值來科學選擇對應的箱變。除此之外，在設計箱變時，還應充分考慮對環境產生的影響，例如：對于沿?；蛏衬貐^來講，必須要著重考慮箱變本身的抗風能力。另外，箱變還應該有著較強的抗沖擊能力，原因在于如果箱變內部發生故障問題，則有可能在故障點位置形成電弧，對電網造成不同程度的沖擊，也有可能對附近電力設備造成不利影響，較強的箱變抗沖擊能力則可以消除這一病害問題。在開展設計活動時，還應該對箱變本身的進出線口與保護設施進行合理適當的集中化設計，然后從底部位置有效引出線口，同時需要與監控單元實施連接，這樣能夠便于對箱變實際運行狀況做出實時動態監督。在開展箱變設計優化工作時，應注意箱變運行環境通常較為復雜，因此，設計人員還應充分考慮防凝露裝置，防止由于低溫而產生凝露現象，一般應該在內部增設加熱元件，確?？梢灾苯舆M行加熱。

4""結語

綜上所述，近幾年，在現代科技發展、國家政策等因素的強力推動下，國內光伏發電產業呈現出了高速發展的態勢。在這種背景下，光伏發電電氣系統設計工作要結合產業發展變化、市場需求、政策要求、技術發展等及時做好設計優化工作，以此不斷提高電氣系統設計水平，從而使光伏發電工程項目能夠高標準、高質量完成建設，更好地發揮出其應有的價值和作用，進而推動新能源建設事業真正地實現長遠發展。

參考文獻

[1]"韓志華，劉秦."分布式光伏發電系統電氣設計分析[J]."光源與照明，2023（1）：133-135.

[2]"林淦，俞先鋒，史珍珍."5MW分布式屋頂光伏發電系統與電氣一次設計[J]."科學技術創新，2021（13）：39-41.

[3]"王鑫."光伏發電系統在建筑電氣設計中的應用研究[J]."大武漢，2022（12）：221-223.

[4]"葉爽."村鎮建筑太陽能耦合空氣源熱泵供熱系統減碳性能研究[D]."北京：中國建筑科學研究院，"2024.

[5]"張勇."基于卷積神經網絡的光伏板遮擋問題識別與檢測[D].西安："西安理工大學，"2024.