張鐘平，宣施超

分布式光伏設(shè)計要點分析

張鐘平1，宣施超2

（1.國家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)（實驗）中心，浙江杭州310030；2.浙富水電國際工程有限公司，浙江杭州310030）

分布式光伏項目推廣的前提是項目具有一定的經(jīng)濟性，而分布式光伏項目的可行性研究和設(shè)計密切關(guān)系到項目的投資和系統(tǒng)安全可靠性，本文主要對光資源、傾角計算、系統(tǒng)設(shè)計等方面做了簡要介紹，為分布式光伏項目的前期研究提供參考。

分布式光伏；組串；光資源；組件

0 引言

分布式光伏發(fā)電特指在用戶場地附近建設(shè)，運行方式為用戶側(cè)自發(fā)自用、多余電量上網(wǎng)，且在配電系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)為特征的光伏發(fā)電設(shè)施。光伏可行性研究和設(shè)計對項目投資、運行維護、安全穩(wěn)定和合理性起著決定性的作用。本文簡要介紹分布式光伏的光資源分析、系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備選型等。

1 光資源分析

光資源是指項目所在地區(qū)的太陽能輻射值，輻射值的大小決定了整個項目的投資收益情況，太陽輻射量具有隨機性，需要從多年的氣象數(shù)據(jù)中選取具有代表性的太陽輻照數(shù)據(jù)，對工程運行期輻射數(shù)據(jù)進行預(yù)測。光資源分析一般采用Retscreen和PVsystem軟件計算，其氣象數(shù)據(jù)有NASA和meteonorm。因為氣象數(shù)據(jù)不同導(dǎo)致兩個方式計算結(jié)果略有區(qū)別。

假設(shè)項目地位地理為海寧，東經(jīng)120°04′02″，北緯30°03′02″。采用兩種軟件進行計算，該地區(qū)的各月太陽能輻射值如下：

根據(jù)計算結(jié)果顯示，NASA所測數(shù)據(jù)相對于實際輻射量要偏大，按照0.86的折算系數(shù)與meteonorm數(shù)據(jù)相同。所以在項目可行性研究時，光資源采用不同的計算軟件需要考慮折算系數(shù)，采用PVsystem中的meteonorm氣象數(shù)據(jù)不需要考慮系數(shù)，而PVsystem和Retscreen采用NASA氣象數(shù)據(jù)時必需考慮折算系數(shù)，否則將影響項目的發(fā)電預(yù)測和項目投資。

表1 各月水平面平均輻射值kWh/m2/d

2 傾角計算

方陣安裝傾角的最佳選擇取決于諸多因素，如：地理位置、全年太陽輻射分布、直接輻射與散射輻射比例、負載供電要求和特定的場地條件等。對于固定軸式安裝電池陣列，其最佳傾角即光伏發(fā)電系統(tǒng)全年發(fā)電量最大時的傾角。

以海寧地區(qū)為例，采用PVsystem軟件計算，根據(jù)組件在不同傾角和各月的平均太陽輻射量，得出各月平均太陽輻射量最大的角度作為最佳傾角。不同角度傾斜面上各月日平均太陽輻射量數(shù)據(jù)，見表2。

表2 固定安裝方式不同角度陣列面各月平均太陽輻射量kWh/m2.d

從上表看出，傾角為19°～25°時全年接受到的太陽能輻射能量最大，但為方便人工安裝，后期維護及清理灰塵，以及支架的穩(wěn)定性角度考慮，將安裝角度確定為19°較為合適。安裝角度為19°時月均太陽輻射量為3.78kWh/m2·d。所以在項目的可行性研究設(shè)計中，應(yīng)選擇太陽能平均輻射值最大且角度最小的傾角方式。

3 組件布置

在分布式光伏陣列設(shè)計中，陣列間距是非常重要的一個參數(shù)。由于土地面積的限制，陣列間距一般只考慮冬至日6h不遮擋。但是不同區(qū)域有較大區(qū)別，緯度較高地區(qū)除6h之外，太陽能輻照度有可能可以發(fā)電，在西部可以達到7～9h。所以這些地區(qū)在組件陣列設(shè)計時需精確計算，以提高系統(tǒng)運行效率。

一般組件前后間距計算（固定軸支架系統(tǒng)），以公式：

式中L—光伏板斜面長度，m；

D—兩排方陣之間的距離，m；

B—方陣傾角，°；

ψ—緯度，°。

計算陰影長度一般原則為：保證冬至當(dāng)天9：00～15：00太陽電池方陣不應(yīng)被遮擋，光伏方陣陣列間距或可能遮擋物與方陣底邊垂直距離應(yīng)不小于D。為了保證光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率和系統(tǒng)安全，必須在滿足合理的組件布置下保證光伏系統(tǒng)全年不被遮擋。

4 組串設(shè)計

為了保證分布式光伏系統(tǒng)效率，在設(shè)計時必須滿足光伏組件串的電壓在逆變器MPPT工作范圍內(nèi)，且需要考慮組件在溫度上升時而帶來的電壓下降。以某光伏250Wp組件為例。

項目所在環(huán)境溫度為-10～40℃，組件額定運行條件為25℃，則組件開路電壓最高值為：

式中Vh—組件在環(huán)境溫度為-10℃時開路電壓，V；

表3 250Wp組件參數(shù)

表5 組串逆變器參數(shù)

VOC—組件開路電壓，V；

βvoc—開路電壓溫度系數(shù)，%/℃；

Tl—環(huán)境最低溫度，℃；

Tn—組件額定運行溫度，℃。

當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時，組件額定運行電壓最低值為：

式中Vl—組件在環(huán)境溫度為40℃時最低額定電壓，V；

Vmpp—峰值功率電壓，V；

βmpp—峰值功率電壓溫度系數(shù)，%/℃；

Tn—組件額定運行溫度，℃；

Th—環(huán)境最高溫度，℃。

表4 系統(tǒng)組串設(shè)計要求

根據(jù)計算結(jié)果，組件在不同的環(huán)境條件下，電壓范圍為27.9～41.8V，則系統(tǒng)設(shè)計時必須根據(jù)極限電壓進行系統(tǒng)組串設(shè)計，組件組串的最低工作電壓必須大于逆變器MPPT的最低電壓，同時組件組串峰值工作電壓必須小于逆變器MPPT的最大電壓。設(shè)計的原則是保證系統(tǒng)在極限環(huán)境條件下，可以保證系統(tǒng)正常且最高轉(zhuǎn)換效率運行。

圖1 逆變器系統(tǒng)原理圖

5 組串逆變器設(shè)計

為了減少太陽能光伏電池陣列與逆變器之間的連接線，并且簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，需要匯流箱將這些線并聯(lián)后再接入逆變器。而接入逆變器的原則除了上述電壓匹配外，需要對逆變器最大輸入功率和電流進行匹配計算。

對于無匯流箱的組串逆變器，以某10kW逆變器為例：

根據(jù)上述250Wp組件和10kW組串逆變器參數(shù)進行串聯(lián)數(shù)計算，電池組件串聯(lián)數(shù)量計算，計算公式：

式中Vdcmax—逆變器輸入直流側(cè)最大電壓，V；

Vdcmin—逆變器輸入直流側(cè)最小電壓，V；

Voc—電池組件開路電壓，V；

Vmpp—電池組件最佳工作電壓，V；

N—電池組件串聯(lián)數(shù)，個。

經(jīng)計算得出：14≤N≤26

但是此方法計算組串?dāng)?shù)量變化區(qū)間大，無法根據(jù)計算結(jié)果進行系統(tǒng)設(shè)計?？梢愿鶕?jù)MPPT電壓范圍與組件電壓匹配、組串逆變器最大直流輸入電流和組件陣列電流匹配等，并結(jié)合組串?dāng)?shù)量計算結(jié)果，在不同環(huán)境條件下最大程度保證系統(tǒng)的高效運行。具體計算見表6。

根據(jù)計算宜選擇19塊組件為1個陣列。陣列設(shè)計方案在不同環(huán)境下的電壓均在逆變器MPPT范圍內(nèi)，保證逆變器在最高的轉(zhuǎn)換效率。對于10kW雙MPPT組串逆變器，每個MPPT模塊最大輸入電流為17A，最大輸入功率為6kW，而設(shè)計方案采用的陣列額定電流為8.49A（小于17A），峰值功率4.75kW（小于6kW）。即組件陣列的最大輸出電流小于逆變器最大輸入電流，減少組件到逆變器的直流損耗，防止電流過大對逆變器造成過熱和電氣損壞。在保證陣列系統(tǒng)設(shè)計在安全可靠的前提下實現(xiàn)直流轉(zhuǎn)交流系統(tǒng)最高效率。組串逆變器設(shè)計時需要考慮組串最高電壓、最低電壓、每個MPPT額定輸入功率和電流等進行參數(shù)匹配。

表6 陣列設(shè)計方案

6 并網(wǎng)接入

光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器主要分為集中型逆變器和組串式逆變器。集中型逆變器分為帶隔離變和不帶隔離變逆變器，而組串逆變器一般輸出電壓為400V，無需配置專用的隔離變壓器。

表7 逆變器類型

帶隔離變的逆變器一般輸出電壓為400 V，可以直接并網(wǎng)接入。而不帶隔離變逆變器輸出為270 V或315 V，需要配置升壓變并網(wǎng)接入。

圖2 1MW光伏典型配置圖

500kW集中型逆變器輸出一般不能達到0.4kV，所以采用升壓變直接接入變壓器分裂繞組方式，即減少逆變器之間環(huán)流影響，升壓成10kV后并網(wǎng)。這種配置方式既對光伏系統(tǒng)進行了良好的隔離，又提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

圖3 集中型（帶隔離變）和組串型逆變器并網(wǎng)接入

250kW集中型逆變器輸出電壓為270V或315V，經(jīng)過隔離變接入400V母線，而組串式逆變器直接交流輸出接至400V。集中型逆變器具有檢修維護方便、交流側(cè)電氣設(shè)備少、投資相對低等優(yōu)點，而組串式逆變器具有設(shè)計布置靈活、設(shè)備運行風(fēng)險低、解決光照差異和輸出電能最大化等優(yōu)點，但存在交流電纜較多、運行維護工作量較大等問題。所以在項目設(shè)計時需綜合對比分析，采取最佳設(shè)計方案。

7 結(jié)語

本文對光資源分析、最佳傾角計算、組串設(shè)計、逆變器選型、電氣參數(shù)匹配計算和并網(wǎng)接入做了簡要的介紹和分析，給分布式光伏項目的光伏布置、組串和并網(wǎng)方案提供初步參考，使光伏項目在滿足并網(wǎng)要求的情況下實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)換效率和最佳運行方式。

[1]曹志華，傅軍棟.基于PVSYSYT的光伏設(shè)計以及陰影仿真分析[J].大眾科技，2012，（157）：77～79.

[2]陳厚巖，許洪華.3kW光伏并網(wǎng)逆變器[J].可再生能源，2005，（03）：8～10.

Analysis of Design Points Distributed Photovoltaic

ZHANG Zhong-ping1，XUAN Shi-chao2
（1.National Energy Distributed Energy Technology R&D Center，Hangzhou 310030，China；2.ZHEFU Holding Group Co.，Ltd，Hangzhou 310030，China）

Distributed photovoltaic project promotion is the premise of the project has certain economy，while the distributed photovoltaic project feasibility study and design is closely related to the project investment and the system reliability，this paper to light resource，dip calculation，system design are introduced briefly in this paper，provides the reference for the preliminary study of distributed photovoltaic project.

distributed photovoltaic；string；the light resource；photovoltaic component

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.003

TM615

B

2095-3429（2015）01-0010-04

2014-10-08

修回日期：2014-11-12

張鐘平（1984-），男，浙江諸暨人，本科，工程師，主要從事新能源和微網(wǎng)方面研究。