譚靜波，王勛志，張四維

（湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

光伏電站分為并網(wǎng)和離網(wǎng)型[1]。逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)里面的核心設(shè)備，光伏逆變器與普通逆變器的主要區(qū)別在于光伏逆變器具有最大功率點(diǎn)跟蹤和低電壓穿越功能[2]。光伏逆變器主要分為組串型、集中型和集散型3種。組串式光伏逆變器具有MPPT路數(shù)多、布置靈活、價(jià)格高等特點(diǎn)，分布式光伏電站中一般采用50 kW及以下的組串式光伏逆變器。本文以組串型逆變器為研究對(duì)象，利用多維度對(duì)比的方法，達(dá)到精細(xì)化設(shè)計(jì)光伏電站的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于組串型逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，本文關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)如表1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

1.2 設(shè)計(jì)原則

光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)始終圍繞最小化度電成本（LCOE）進(jìn)行，最小化度電成本等于生命周期總共成本比生命周期總發(fā)電量[3-4]。

1.3 組串設(shè)計(jì)

串聯(lián)數(shù)：逆變器滿載時(shí)MPPT電壓最小值≤組件串聯(lián)數(shù)×一塊組件的開(kāi)路電壓≤逆變器最高輸入電壓。

并聯(lián)數(shù)：組件并聯(lián)數(shù)×組件串聯(lián)數(shù)×組件功率×容配比≤逆變器的最大輸入功率。

以西寧某地區(qū)（A類太陽(yáng)能資源地區(qū)（最豐富等級(jí)），根據(jù)GB/T 31155—2014《太陽(yáng)能資源等級(jí)總輻射》中的表1，A類太陽(yáng)能資源地區(qū)全年輻射量≥6300 MJ/m2區(qū)間）為例，組件選用某產(chǎn)品（STC工況下峰值功率275 Wp，NOCT工況下峰值功率為205 Wp），組件詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

表1 主要設(shè)備參數(shù)表

表2 光伏組件參數(shù)表

光伏組件串聯(lián)數(shù)量利用GB 50797—2012中的公式計(jì)算，再結(jié)合光伏組件布置、直流匯流、施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況等因數(shù)，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，合理設(shè)計(jì)組件串?dāng)?shù)。

根據(jù)NB/T 10128—2019《光伏發(fā)電工程電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.3.1條的條文說(shuō)明：光伏組件串聯(lián)數(shù)量越多，同等安裝容量下光伏組件的串聯(lián)量越少，相應(yīng)的匯流箱或組串式逆變器數(shù)量、直流電纜量越少，因此在滿足串聯(lián)計(jì)算公式條件下，串聯(lián)數(shù)量盡量取最大值，并根據(jù)組件布置形式、接線方式及對(duì)支架用鋼量影響，取綜合成本低的串聯(lián)方案；因此，組串?dāng)?shù)選擇接近最大值（偶數(shù)）24串或22串，根據(jù)實(shí)際組件布置形式選擇。

在校核條件下，當(dāng)采用22組串聯(lián)時(shí)，單個(gè)275 Wp多晶硅光伏組件可能達(dá)到的最高開(kāi)路電壓為38.4 V，此時(shí)光伏組件串的可能的開(kāi)路電壓為845 V，同理，24組串聯(lián)時(shí)，此時(shí)光伏組件串的可能的開(kāi)路電壓為922 V，但考慮到此項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)灰塵遮擋、組件衰減和不匹配性、線路損耗等因素，正常情況下考慮到直流端的壓降損耗影響（3%～5%），實(shí)際逆變器輸入端的電壓值應(yīng)小于逆變器最大功率點(diǎn)跟蹤工作最大電壓范圍（1000 V）。

根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B，傾角取36°（一般情況下，經(jīng)濟(jì)效益最佳傾角要比最大發(fā)電量?jī)A角小4°～5°）。

1.4 排布設(shè)計(jì)

結(jié)合50 kW逆變器，選用24串能充分利用逆變器的容量。

24串常見(jiàn)的排列方式有豎向2 × 12或者橫向4 ×12排布兩種，如圖2所示。

圖2 組件橫向布置圖

根據(jù)GB50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，光伏方陣各排、列的布置間距應(yīng)保證每天9:00到15:00時(shí)間段內(nèi)，組件的前后左右不被遮擋。但是其他時(shí)間段，組件被遮擋一部分時(shí)，能盡可能的減少遮擋造成的發(fā)電損失，是光伏發(fā)電設(shè)計(jì)需要考慮的。組件橫向布置時(shí)，遮擋一部分組件，引起的發(fā)電損失較小，如圖3所示，因此推薦橫向4 × 12的組件排布方式，如圖4所示。

圖3 組件豎向布置圖

圖4 組件豎向、橫向被遮擋示意圖

從陣列占地面積和電纜平均成本方面考慮，豎向2 × 12排布和橫向4 × 12排布的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表3所示。

表3 兩種排布方式對(duì)比

由表可知，橫向4排排布方式的陣列占地面積和電纜平均成本方面都較優(yōu)，本方案推薦橫向4排排布方式，后續(xù)章節(jié)涉及支架設(shè)計(jì)均按照橫向4排的方式。

1.5 傾角設(shè)計(jì)

根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B，并網(wǎng)系統(tǒng)推薦傾角取36°（西寧）。

以西寧某地區(qū)1.6 MWp單元為例，并網(wǎng)系統(tǒng)推薦傾角為36°，然而在傾角32°～36°范圍內(nèi)發(fā)電量差異不超過(guò)0.44%，土地利用率32°與36°相比提高5.16% 。

1.6 間距設(shè)計(jì)

光伏陣列必須考慮前、后排的組件，構(gòu)筑物，建筑物等產(chǎn)生的陰影遮擋問(wèn)題[5]。

本方案陣列前后排之間的空地間距的計(jì)算如圖5所示。

圖5 陣列前后排間距

1.7 電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)

箱式變壓器、逆變器及交流匯流箱的布置位置會(huì)影響電纜的敷設(shè)路徑，進(jìn)而影響系損耗及成本，組串型逆變器的光伏電站，電纜敷設(shè)方案如表4所示。

表4 電纜敷設(shè)方案比較

1.8 光伏子陣設(shè)計(jì)

1.8.1 光伏子陣布局

本設(shè)計(jì)以275 Wp組件為例，每22/24塊組件串聯(lián)為一個(gè)組串，每9路組串并聯(lián)接入一臺(tái)逆變器，每6臺(tái)逆變器接入一臺(tái)交流匯流箱；單元共32臺(tái)逆變器經(jīng)6臺(tái)匯流箱匯流后接入容量為1600 kVA的箱變。單元布局設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 1.6 MWp單元布局

布局說(shuō)明：維護(hù)道路利用支架南北間距并適當(dāng)加寬，提高土地利用率；只有一條電纜溝縮短施工周期，設(shè)備更集中便于后期巡檢；箱變居于陣列中間、靠路邊放置，便于箱變運(yùn)輸、安裝、維護(hù)。

1.8.2 光伏子陣參數(shù)

光伏子陣參數(shù)如表5所示。

表5 光伏子陣參數(shù)

1.9 光伏子陣電氣拓?fù)?/h3>

光伏子陣電氣拓?fù)鋱D如圖7所示， 每臺(tái)逆變器接入9個(gè)組串，每個(gè)組串由22/24塊組件串聯(lián)；每6臺(tái)逆變器匯入1臺(tái)交流匯流箱，6 臺(tái)交流匯流箱匯入1臺(tái)變比為35 kV/0.54 kV、容量為1600 kVA的箱式變壓器，最后并入電網(wǎng)。

圖7 光伏子陣電氣拓?fù)鋱D

1.10 光伏子陣通信拓?fù)?/h3>

每個(gè)光伏子陣配置一臺(tái)智能通信箱，通過(guò)PLC模塊實(shí)現(xiàn)與逆變器的通信，箱變、環(huán)境監(jiān)測(cè)儀、電表等設(shè)備數(shù)據(jù)與智能通信箱的通信采用RS485方式實(shí)現(xiàn)，最終通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)方式上傳至電站監(jiān)控系統(tǒng)。1.6 MWp光伏子陣通信方案如圖8所示。

圖8 單元通信方案

1.11 光伏子陣系統(tǒng)成本

本文所選逆變器最大支持9路輸入, 9路輸入比8路輸入方案設(shè)備利用率提高10%以上，系統(tǒng)電氣設(shè)備成本可節(jié)省約0.04～0.05元/W，系統(tǒng)成本如表6所示。

表6 1.6 MWp光伏子陣系統(tǒng)成本

1.12 精細(xì)化設(shè)計(jì)

綜上所述光伏設(shè)計(jì)精細(xì)化設(shè)計(jì)方案，以安裝容量100 MWp的電站為例，一次性可以節(jié)省初始投資1192萬(wàn)元，如表7所示。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文以組串型逆變器為背景，全過(guò)程闡述了光伏發(fā)電系統(tǒng)的精細(xì)化設(shè)計(jì)；對(duì)分布式光伏電站的設(shè)計(jì)項(xiàng)目具有很好的示范作用，同時(shí)，對(duì)基于集中型逆變器的光伏電站設(shè)計(jì)也具有一定的參考價(jià)值。

表7 精細(xì)化設(shè)計(jì)節(jié)表