余茂全，金 明，張 磊

10MW地面光伏電站的仿真研究

余茂全，金 明，張 磊

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 合肥 231603)

根據(jù)不同城市的氣象特征，設(shè)計(jì)10MW的地面光伏電站，對(duì)光伏組件和逆變器進(jìn)行選型和配置，計(jì)算容配比和光伏陣列間距，完成光伏電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)。使用PVsyst軟件完成系統(tǒng)建模和仿真，以合肥、銀川和昆明為例，得出不同地區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)傾角、綜合發(fā)電效率及年發(fā)電量等具有參考價(jià)值的工程參數(shù)，最后基于年發(fā)電量、經(jīng)濟(jì)效益對(duì)不同地區(qū)地面光伏電站項(xiàng)目的可行性進(jìn)行綜合評(píng)估。

PVsyst；光伏發(fā)電；仿真設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)地面光伏電站一般為大型集中式電站，光伏陣列發(fā)電后通過并網(wǎng)逆變器，再經(jīng)過光伏專用變電站升壓后接入公共電網(wǎng)。在光伏電站設(shè)計(jì)周期，對(duì)預(yù)期收益的估算很重要，而直接影響投資收益估算的最重要因素為光伏電站選址和發(fā)電量預(yù)測(cè)，在建設(shè)前進(jìn)行光伏電站系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，不僅可以縮短設(shè)計(jì)周期，還可以節(jié)約成本，對(duì)降低投資風(fēng)險(xiǎn)也具有重要意義[1-4]。

本文以合肥、銀川和昆明三個(gè)地區(qū)為例，利用PVsyst設(shè)計(jì)一個(gè)10MW的地面光伏電站項(xiàng)目，并分析不同地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，對(duì)比不同城市的預(yù)期發(fā)電量和發(fā)電效率。

1 項(xiàng)目概況

1.1 氣象概況

項(xiàng)目所使用的歷年氣象數(shù)據(jù)由 Meteonorm 8.0數(shù)據(jù)庫獲得，三個(gè)城市的光資源梯度排布可以進(jìn)行比對(duì)，從而優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高發(fā)電量。具體參數(shù)見表 1。

表1 三個(gè)城市的氣象數(shù)據(jù)

1.2 項(xiàng)目規(guī)模

項(xiàng)目基于年總發(fā)電量進(jìn)行設(shè)計(jì)，光伏陣列固定朝向采光面，計(jì)劃功率為10MWp。

在光伏電站建設(shè)中通常將光伏組件傾斜一定角度，采用Klein提出的研究方法確定光伏組件傾斜面所獲得的太陽輻射量：光伏組件傾斜面上的太陽輻射總量主要由直接輻射量、太陽光散射輻射量和地面的反射輻射量三部分組成[5-10]。

確定光伏組件陣列的最佳傾角，使每年所獲得的傾斜面上的輻射總量達(dá)到最大?；贛eteonorm提供的氣象數(shù)據(jù)，參照GB50797-2012[11]，計(jì)算出合肥、銀川和昆明的并網(wǎng)系統(tǒng)推薦傾角為26.9°、36.5°和24.02°，方位角均為0°，即朝向?yàn)檎舷騕11]。

2 設(shè)備選型及系統(tǒng)配置

2.1 光伏組件選型及陣列設(shè)計(jì)

目前單晶硅光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)于多晶硅組件高，項(xiàng)目采用Trina Solar的TSM-DE18M單晶硅組件，標(biāo)稱功率500Wp，額定電壓36V，開路電壓51.7V，短路電流12.28A，基于組件單二極管模型仿真。在不同入射輻照度下，光伏組件的輸出功率及電壓電流參數(shù)如圖1所示。組件尺寸為2176mm×1098mm×35mm,面積2.389㎡。項(xiàng)目總共需組件20000塊，串聯(lián)組件數(shù)為25塊，并聯(lián)組串?dāng)?shù)為800串，組件面積為47785 ㎡。

圖1 光伏組件的工作曲線

2.2 逆變器選型及設(shè)計(jì)

作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，逆變器必須能夠?qū)で蟮焦夥姵氐淖罴压ぷ鳡顟B(tài)，以最大程度地將光能轉(zhuǎn)化為電能。這個(gè)最佳工作點(diǎn)就是光伏陣列“I-V曲線”上的“膝點(diǎn)”或 “P-V曲線”上的峰值點(diǎn)，即最大功率點(diǎn)。逆變器采用最大功率點(diǎn)跟蹤策略，可快速追蹤到光伏陣列的最大功率點(diǎn)，保證隨時(shí)從光伏陣列獲取最大的可用能量加以轉(zhuǎn)換，提高系統(tǒng)發(fā)電總量。圖2所示為逆變器的最大功率點(diǎn)跟蹤策略。

圖2 最大功率點(diǎn)跟蹤策略

目前，光伏逆變器形式主要有集中式和組串式。集中式逆變器無法避免因光伏組件最佳工作點(diǎn)和逆變器參數(shù)的不匹配所造成的損耗，而使用多個(gè)組串式逆變器，所帶的多路MPPT可以有效降低由并聯(lián)陣列的模塊差異和陰影等因素給整個(gè)系統(tǒng)帶來的損耗，故項(xiàng)目選用組串式逆變器方案。地面光伏發(fā)電站的光伏陣列一般采用模塊化的布置方式，每個(gè)模塊的功率需結(jié)合逆變器和中壓變壓器的配置選取，本設(shè)計(jì)采用Sungrow的SG125HV組串式逆變器，額定輸出功率125kW，1路MPPT，工作電壓860V-1450V，輸出電壓600V，最大效率98.9%。共需70臺(tái)逆變器，總功率為8750kW。在光伏組件和逆變器選定之后，光伏電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 光伏電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 容配比

在光伏電站系統(tǒng)中，光伏組件接收到太陽光輻射后，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)過光伏匯流箱、直流電纜和直流配電柜等到達(dá)逆變器，而以上每個(gè)環(huán)節(jié)都不可避免地會(huì)有能量損失。在選擇組件容量等于逆變器容量的狀況下，由于存在以上所說的各種損耗，逆變器的實(shí)際輸出最大功率也只有額定功率的85%左右，也就是說，即使在光照輻射最好的時(shí)間段，逆變器也并不是滿載工作，經(jīng)分析，光伏系統(tǒng)功率在逆變器額定功率的60%左右時(shí)，逆變器的效率最高，壽命最長(zhǎng)。為了能把逆變器的性能發(fā)揮最佳，組件和逆變器的配比在1:1到1.3:1之間選擇。

本項(xiàng)目全部組件標(biāo)稱光伏功率10000kWp，最大光伏功率9619kW，逆變器標(biāo)稱交流輸出功率8750kW，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)容配比（陣列/逆變器）為1.143，超配損失為0。容配比大于１的組件超配設(shè)計(jì)有助于提升系統(tǒng)的整體效益，故系統(tǒng)配置完全符合要求。

2.4 光伏方陣間距

固定式布置的光伏陣列安裝的方位角應(yīng)采用正南方向。在設(shè)計(jì)過程中，要確保光伏方陣各排、列的布置間距每天9時(shí)到15時(shí)時(shí)段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋。也就是說對(duì)于固定式布置的光伏陣列，在冬至日當(dāng)天不被遮擋的間距如圖4所示，可由以下公式計(jì)算：

式中，L表示陣列傾斜面長(zhǎng)度(m)；?D表示兩排陣列之間距離(m)；β表示陣列傾角(°)；φ表示當(dāng)?shù)鼐暥?°)。

依據(jù)前述所選陣列，計(jì)算得出合肥、銀川和昆明三個(gè)城市固定式布置的光伏陣列兩排陣列之間距離D為3.91m、5.31m和3.33m。

圖4 方陣間距示意圖

3 系統(tǒng)建模與仿真結(jié)果

首先確定地面電站的系統(tǒng)參數(shù)，比如地面的折射率、采光面朝向等，再選擇好光伏組件和逆變器的型號(hào)參數(shù)，然后分析一整年不同季節(jié)太陽不同輻射量的情況，再進(jìn)行損失分析，發(fā)電量統(tǒng)計(jì)，最終得出整個(gè)電站的全年發(fā)電量等數(shù)據(jù)。

表2 電站發(fā)電數(shù)據(jù)

3.1 發(fā)電量預(yù)測(cè)

使用PVsyst仿真分析，可以得到陣列的輸出電量、整個(gè)電站的年發(fā)電量以及系統(tǒng)效率。表2為建模所獲得的光伏電站發(fā)電數(shù)據(jù)，其中GlobHor 為水平面總輻射量 、DiffHor 為水平面散射輻射量 、T_Amb 為環(huán)境溫度、GlobInc為入射采光面上的總輻射 、GlobEff 為修正遮擋和 IAM 損失后的有效總輻射、EArray 為陣列輸出的有效能量、E_Grid 為并網(wǎng)電量、PR為系統(tǒng)效率。

圖5所示為合肥地區(qū)每kWp組件的分月單日發(fā)電量，計(jì)算值為3.15kWh/kWp/day。光伏組件的效率受溫度影響很大，從圖5可以看出，6月、7月、8月三個(gè)月，太陽光輻射本來是最強(qiáng)的時(shí)間段，但是由于溫度的升高引起電壓損失和功率損失，功率損失相對(duì)于其他月份明顯增大，進(jìn)而造成系統(tǒng)效率較低，相對(duì)于5月和9月，發(fā)電量并沒有明顯提升。

圖5 每kWp組件分月單日發(fā)電量

3.2 發(fā)電系統(tǒng)效率分析

影響光伏電站發(fā)電量的因素主要是不同區(qū)域的太陽輻射量、光伏陣列的傾斜角度、光伏組件的轉(zhuǎn)化效率以及發(fā)電系統(tǒng)的能量損失等。光伏電站在實(shí)際應(yīng)用中，其發(fā)電性能受自然環(huán)境的影響很大。在考慮輻照度強(qiáng)度、溫度、組件品質(zhì)損失、失配損失、直流電纜線損后，陣列在最大功率點(diǎn)輸出的能量相對(duì)于陣列標(biāo)稱發(fā)電量損失了約8.5%。而逆變器運(yùn)行導(dǎo)致的損失一般在2%左右（見表3）。表中的采光面上有效輻射量=傾斜面輻射量*采光面面積47785㎡；陣列標(biāo)稱發(fā)電量=采光面有效輻射量*組件效率。

表3 系統(tǒng)能量流向

由系統(tǒng)能量流向可以看出，三個(gè)城市中銀川的光伏條件最好，昆明次之，但在2021年，安徽光伏新裝機(jī)3.37GW,寧夏為1.868GW，云南僅為0.63GW，而截至2021年底，云南省的光伏裝機(jī)量總計(jì)也僅為3.971GW，光伏資源未得到有效利用。

4 結(jié)論

本文以合肥、銀川和昆明10MWp 地面光伏電站為例，分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，給出了設(shè)計(jì)方案。使用 PVsyst仿真軟件對(duì)光伏電站整體進(jìn)行仿真，計(jì)算光伏電站發(fā)出的電能，得到了太陽輻照量、光伏陣列發(fā)電量、逆變器輸出電量、系統(tǒng)效率與損耗分析等內(nèi)容，并對(duì)三個(gè)城市的電站參數(shù)進(jìn)行了比較。該設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)際并網(wǎng)光伏地面電站的建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。

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Simulation of 10MW Ground Photovoltaic Power Station

YU Maoquan，JIN Ming，ZHANG Lei

(Anhui Water Conservancy Technical College, Hefei,Anhui 231603,China)

According to the meteorological characteristics of different cities, a 10MW ground photovoltaic power station is designed, the photovoltaic modules and inverters are selected and configured, the capacity ratio and photovoltaic array spacing are calculated, and the photovoltaic power station system design is completed. The system modeling and simulation are completed by using pvsyst software. Taking Hefei, Yinchuan and Kunming as examples, the engineering parameters with reference value such as the optimal inclination angle, comprehensive power generation efficiency and annual power generation of photovoltaic power generation systems in different regions are obtained. Finally, the feasibility of ground photovoltaic power station projects in different regions is comprehensively evaluated based on the annual power generation and economic benefits

PVsyst; photovoltaic power generation; simulation design

TM914.4

A

1672-4437（2022）04-0067-04

2022-05-18

安徽省高校優(yōu)秀青年骨干人才國(guó)內(nèi)外訪學(xué)研修重點(diǎn)項(xiàng)目(gxgnfx2021207)，安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(2022AH052284)。

余茂全（1986―），男，安徽淮南人，安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要研究方向：電氣自動(dòng)化；金明（1973―），男，安徽合肥人，安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要研究方向：電氣自動(dòng)化；張磊（1986―），男，河南信陽人，安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，碩士，主要研究方向：電力電子技術(shù)。