并网光伏发电系统设计分析

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摘要：从理论角度介绍了并网光伏发电系统的设计过程，包括光伏组件的装机容量设计、并网逆变器的配置、电气设计、系统接入电网设计和安装支架的设计，并通过设计实例阐述了并网光伏发电系统的设计方法及经济效益和社会效益。

关键词：并网光伏发电系统；光伏组件；并网逆变器

并网光伏发电系统是指太阳能发电设备发出的电能通过并网设备直接发送到市电电网的发电系统。该系统作为分布式发电的一种主要供电单元，需要与市电电网保持相同的运行参数，使电网能安全、可靠地运行。并网光伏发电系统相比独立光伏发电系统的电气组成来说结构简单，它只需要有发电单元（光伏组件组成的方阵）、并网设备（并网逆变器）、升压设备及其他辅助设备即可。光伏电池组件利用光电效应将太阳能转变成直流电能，经逆变器逆变后，根据光伏电站接入电网技术规定、光伏电站容量确定光伏电站接入电网的电压等级，由变压器升压后接入公共电网。其技术难点主要在于：a)并网逆变器需要工作于最大功率点附近；b)跟踪电网参数并与之保持一致。目前，国家对并网光伏发电系统的管理模式分为两种：a)分布式光伏电站。它的建设位置可以是工商业及民用屋顶、农业大棚、荒山荒坡、滩涂、湖泊水面等距离用电单元较近的地方，生产出的电量可以是全额上网销售，也可以采取“自发自用、余电上网”的运行模式。b)集中式地面光伏电站。这种电站一般建在绵延的山地、戈壁沙滩等非农业耕地，装机容量比分布式光伏电站的容量大，生产的电能经过逆变升压后就近并入输电电网。由于国家对所产电能的管理方法不同，这两种类型的电站所产生的电能的经济效益也有较大的区别。

1并网光伏发电系统的设计

图1是并网光伏电站的结构示意图，系统各部分的设计需要严格按照业主的要求及相关技术规定完成。

1.1光伏发电系统的容量设计

光伏电池组件利用光电效应将太阳能转变成直流电，经逆变器逆变后，根据光伏电站容量与Q/GDW1617—2015《光伏发电站接入电网技术规定》来确定光伏电站接入电网的电压等级，可以直接接入或者由变压器升压后接入公共电网。对于按照分布式发电管理的光伏电站，它的装机容量可以根据电站的场地面积来确定，也可以根据业主的用电需求来确定，还可以根据业主拟投入资金量来确定。这几种方式可以灵活运用，但是第二种方式，可以通过精确的设计实现投资收益的最大化，尤其对于工商业屋顶电站来说，收益较户用电站投资收益高60%以上，投资回收期大大缩短。因此，大型工业厂房、商业建筑、体育场馆、学校医院等公共建筑屋顶光伏电站的开发在中国具有较广阔的市场。农村及乡镇自有房屋可根据屋顶面积及结构形式安装小规模屋顶电站，国家通过出台光伏扶贫政策、银行贷款和引进社会资金等方式推广屋顶光伏电站的投资和建设。电站装机容量可以用电脑软件或者手机APP进行设计和仿真。大型地面电站的装机容量，需要结合地形地貌和地质结构做详细设计，尤其在荒山荒坡和丘陵地带，由于地势起伏，每一位置的朝向不同，设计和排布组件的工作非常复杂。并网光伏发电系统的设计与独立光伏发电系统的不同之处是前者不需要设置储能设备，不需要针对负载来进行装机容量设计，只需要根据安装场地地理位置、地形地貌、可用面积等进行组件排布。如果是工商业屋顶电站，为了实现电站投资收益的最大化，需要对用电负载进行综合考虑，使发电量与用电量达到高度同步及匹配。案例分析：新疆哈密地区进行光伏电站建设初步设计，2000亩（1.33km2）非农业用地，地势较平坦，选用A品牌组件额定功率250Wp，外形尺寸1650mm×960mm，组件排布方式如图2所示，每组20个组件串联后进入汇流箱。系统以1MWp容量作为一个光伏发电单元，每个单元包含200串组件。经PVsyst软件设计，支架选用固定最佳倾角40°安装。初步估算，电站可装机规模为50MWp，包含50个1MWp容量的光伏发电单元。

1.2并网光伏电站的逆变器选用

光伏组件装机容量确定后，需要依据容量选择并网逆变器。并网逆变器是光伏并网发电系统的核心机构，它的作用是将光伏阵列生产的直流电能转变成AC220V或者AC380V的电能，同时跟踪电网电能的电压、频率、相位等参数。日照变化的不稳定，会导致直流电流及直流电压的瞬时变化，逆变器通过跟踪最大功率技术，实现输出电能的稳定。另外，为了保证安全工作，逆变器还应具备一定的保护功能以及防孤岛效应的监测与控制功能。逆变器首先用传感器对交流电网的参数进行监测，然后将采样结果传送给微处理器的A/D转换器，处理器将处理结果与采样的电流信号进行对比，将得到的偏差经过PID调节后送到PWM脉宽发生器，保证汇入电网电流的功率因数近似等于1。为了实现对光伏系统最大功率点的跟踪，同样需要用传感器对光伏系统输出的电压和电流数据进行测量，将测量结果相乘即可得到光伏系统的输出功率，然后通过PWM调节输出占空比来达到跟踪最大功率的目的，在得到稳定的直流电后，再经过电力电子器件逆变转换和高次谐波过滤，经过电流源的跟踪控制后汇入交流电网。地势平坦的地面电站、屋顶电站等组件安装方向与日照均匀的电站一致，由于组件输出参数基本一致，应该选用集中式并网逆变器。而山地、丘陵地区的电站由于依地势而建，组件的朝向略有差别，每串组件的输出参数有所差别，应选用组串式并网逆变器，每一串光伏阵列对应一个逆变器，组串之间的差异互不影响，能最大程度地增加发电量。逆变器的功率按照组件容量选择即可。由于新疆哈密地区项目地地势平坦，选用集中式逆变器，每1MWp光伏发电单元接2台500kW逆变器，整个光伏电站共需要100台500kW逆变器。

1.3电气设计

电气设计分为一次部分设计和二次部分设计。一次部分设计应包括电力电量平衡、建设的必要性及其在配电网中的地位和作用、电压等级与接入电网方案、潮流计算、短路电流计算、无功补偿、电能质量、方案技术经济分析和电气参数要求等。二次部分设计应包括系统继电保护、自动控制装置、调度自动化、电能量计量装置及电能量远方终端和通信系统。技术指标应符合现行国家标准GB/T29319—2012《光伏发电系统接入配电网技术规定》的有关规定[1]。光伏电站监控设备是电站运行的统一管理平台，它将光伏电站的逆变器、汇流箱、辐照仪、气象仪、电表等设备通过数据线连接起来，对这些设备进行数据采集，并将数据上传到网络服务器或本地电脑，使用户可以在电脑或者手机上实时查看相关数据，方便电站管理人员和用户对光伏电站运行数据的查看和管理，无需到现场逐台查看设备状况，大量节约人力成本，更有利于进行数据汇总、曲线生成、数据分析等，便于远程管理。

1.4系统接入电网设计

国家能源局对6MW以内光伏电站实施电力业务许可豁免政策，项目不纳入电力业务许可管理范围。电站业主向当地电力公司申请，由电力公司出具并网方案即可并网。6MW以上的都必须由省电力勘探设计院出具接入方案，由电力公司召集专家进行评审才能接入电网。光伏并网逆变器输出电压为交流380V，根据并网点的电压确定升压方案，选择升压变压器。保护配置采用负荷开关加高遮断容量后备式限流熔断器组合的保护配置，既可提供额定负荷电流，又可断开短路电流，并具备开合空载变压器的性能，能有效保护变压器。另外，接入方案中需要设置双向电能计量表，计量数据作为售电及用电的计量依据。由于哈密50MWp光伏电站项目地处哈密风电基地二期项目景峡区域风电场风间带内，该项目以多回35kV集电线路送至景峡五A风电场110kV升压站，与景峡第一风电场A区、B区共用一个升压站。

1.5并网光伏电站的支架设计

光伏电站的支架分为固定式支架和跟踪式支架。固定式支架不能跟随日照的相对位置而改变对日仰角，应该根据电站的纬度采取一定的倾斜角度安装，以保证光伏组件全年获取较大的辐照量。跟踪式支架分为单轴跟踪和双轴跟踪。单轴跟踪可以随季节变换而改变对日仰角，双轴跟踪除了改变仰角之外，还可以随日出日落而改变每一个时段的角度，以保证每一时刻都面向阳光，最大限度地获取辐照量。据计算，采用最佳倾角单轴跟踪可以提高年总发电量的26%，双轴跟踪可以提高全年发电量的32%[2]。支架的设计应满足GB50797—2012《光伏发电站设计规范》的规定，在选用材料、结构方案和构造措施的过程中，以及在运输、安装和使用的过程中，满足强度、稳定性和刚度要求，并符合抗震、抗风和防腐等要求。本项目中，支架选用固定式安装支架，倾角以最大发电量倾角40°安装，前后排间距7.2m。

250MWp地面电站发电量和效益分析

新疆哈密地区50MWp电站，建设用地约2100亩（1.4km2），工程投资约2.5×108元，平均每年可发电7.67631×107kW•h，电上网电价按0.4元/(kW•h)（发改价格〔2019〕761号《国家发展改革委关于完善光伏发电上网电价机制有关问题的通知》）计算，电站每年可得售电收益3.070524×107元。项目在产生经济效益的同时还将产生社会效益，每年可节约26838.735t标准煤，减排CO257503.424t，减排SO22300.463t，减排灰渣21468.48t，减排氮化物458.337t，减排粉尘383.097t。项目具有非常明显的社会效益和经济效益，为可持续发展做出了巨大贡献。

3结语

光伏并网电站的设计，涉及地理、气候、电气、机械、管理和政府财政等领域及部门。每一个细节的设计对电站的经济效益、使用寿命、运行安全都是至关重要的，设计者应该熟练应用专业技术，严格按照标准规范进行设计。

参考文献：

［1］国家电网公司，中国电力科学研究院，国网电力科学研究院，等.GB/T29319—2012光伏发电系统接入配电网技术规定［S］.北京：中国标准出版社，2013.

［2］韩国栋，胡兰平，杨富程，等.不同安装方式光伏发电系统辐射量计算分析［J］.云南电力技术，2017(3)：8-10.

作者：林异凤 任家智 单位：山西能源学院