天津市政工程設(shè)計研究總院有限公司 胡繼宗

1 引言

光伏發(fā)電是我國重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，大力推進光伏發(fā)電應(yīng)用對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、改善生態(tài)環(huán)境、轉(zhuǎn)變城鄉(xiāng)用能方式具有重大戰(zhàn)略意義。而分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種高能效的發(fā)電方式，能夠更大范圍地提高組件的輻照面積，同時也能對配電網(wǎng)起到加強繼電保護作用，從而保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的長久與穩(wěn)定運行[1]。與傳統(tǒng)的集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)具有更高的靈活性、更小的投資、更快的建設(shè)周期和更好的環(huán)保性能。

然而，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計水平的高低直接關(guān)乎整個發(fā)電系統(tǒng)的運行效能和價值發(fā)揮[2]，在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計和實施過程中，電氣設(shè)計是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。在本文中，將從技術(shù)性的角度出發(fā)，對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣設(shè)計進行深入的研究和分析，以期為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計和實施提供有價值的參考和指導(dǎo)。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計要點

光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計的基礎(chǔ)，其合理性直接影響到系統(tǒng)的發(fā)電效率、運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

2.1 組件選型

組件選型是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計中最重要的一環(huán)，其選取直接影響到系統(tǒng)的發(fā)電效率和系統(tǒng)的壽命。在組件選型中，需要考慮的因素包括組件類型、組件規(guī)格和參數(shù)、電站布置與陣列布局、逆變器選型、電纜布線設(shè)計、直流匯流箱設(shè)計、交流配電箱設(shè)計等七項。

2.2 光伏組件類型

分布式光伏發(fā)電電氣系統(tǒng)對于元器件可選擇單晶硅電池組件、多晶硅電池組件或非晶硅電池組件等[3]，其區(qū)別主要在于轉(zhuǎn)化效率、價格和壽命等方面。根據(jù)實際需求和經(jīng)濟考慮，選擇合適的光伏組件類型。

2.3 光伏組件規(guī)格和參數(shù)

光伏組件的規(guī)格和參數(shù)包括峰值功率、工作電壓、工作電流、開路電壓以及短路電流等。根據(jù)實際需求和電站布置情況，選擇合適的光伏組件規(guī)格和參數(shù)。

2.4 電站布置與陣列布局

電站布置和陣列布局是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計中另一個重要的方面，其合理性直接影響到系統(tǒng)的發(fā)電效率和經(jīng)濟性。在電站布置和陣列布局中，需要考慮的因素包括地形和地貌對電站布置和陣列布局具有重要影響。如在山地地區(qū)，應(yīng)避免陣列布局懸崖峭壁或陡峭的山坡上，而應(yīng)布置在山腰或山腳的平地上。太陽輻射條件是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的重要因素，應(yīng)根據(jù)所在地的經(jīng)緯度和氣候條件，確定適宜的陣列布局和傾角。

陣列布局方式包括水平布局和垂直布局兩種。水平布局適用于較小的電站，而垂直布局適用于大型電站，可以減小占地面積，提高利用率。

2.5 逆變器選型

逆變器是將直流光伏電池板產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換為交流電能輸出到電網(wǎng)的核心設(shè)備，其選型也是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計中一個重要的方面。在逆變器選型中，需要考慮的因素包括逆變器類型包括中央式逆變器、組串式逆變器和微逆變器等。中央式逆變器適用于大型電站，組串式逆變器適用于中小型電站和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，微逆變器適用于小型電站或分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。逆變器效率和品質(zhì)是影響系統(tǒng)發(fā)電效率和穩(wěn)定性的重要因素。選擇高效率和高品質(zhì)的逆變器能夠提高系統(tǒng)的發(fā)電效率和穩(wěn)定性。逆變器容量應(yīng)根據(jù)電站設(shè)計功率和組串電壓等因素進行合理選擇，以滿足系統(tǒng)的輸出功率需求。

2.6 電纜布線設(shè)計

電纜布線設(shè)計是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計中一個重要的方面，其合理性直接影響到系統(tǒng)的安全性和運行穩(wěn)定性。在電纜布線設(shè)計中，需要考慮的因素包括電纜類型和規(guī)格應(yīng)根據(jù)電站設(shè)計功率和電流等因素進行合理選擇，以滿足系統(tǒng)的輸出功率需求；電纜敷設(shè)方式和路徑應(yīng)根據(jù)電站布置和陣列布局等因素進行合理選擇，避免電纜交叉或捆綁等情況；電纜敷設(shè)深度和保護措施應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件和環(huán)境因素等進行合理選擇，確保電纜的安全性和運行穩(wěn)定性。

2.7 直流匯流箱設(shè)計

直流匯流箱是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一個重要組成部分，其作用是對光伏組件進行串并聯(lián)和輸出匯流。在直流匯流箱設(shè)計中，需要考慮的因素包括直流匯流箱類型和規(guī)格應(yīng)根據(jù)電站設(shè)計功率和光伏組件數(shù)量等因素進行合理選擇，以滿足系統(tǒng)的輸出功率需求；直流匯流箱接線方式和路徑應(yīng)根據(jù)電站布置和陣列布局等因素進行合理選擇，避免接線松動或短路等情況；直流匯流箱應(yīng)具備良好的防水、防雷和防火性能，確保其安全性和運行穩(wěn)定性。

2.8 交流配電箱設(shè)計

交流配電箱是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一個重要組成部分，其作用是將逆變器輸出的交流電能分配到電網(wǎng)或負(fù)載中。在交流配電箱設(shè)計中，需要考慮的因素包括交流配電箱類型和規(guī)格應(yīng)根據(jù)電站設(shè)計功率和負(fù)載需求等因素進行合理選擇，以滿足系統(tǒng)的輸出功率需求；交流配電箱的接線方式和路徑應(yīng)根據(jù)電站布置和負(fù)載分布等因素進行合理選擇，避免接線松動或短路等情況；交流配電箱應(yīng)具備良好的防水、防雷和防火性能，確保其安全性和運行穩(wěn)定性。

3 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣特性分析

3.1 電壓與電流的變化特性

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓和電流隨著時間和光照強度的變化而發(fā)生變化，綜合考慮不同類型的電能質(zhì)量和電壓等級[3]。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為了提高光伏電池的輸出電壓和電流，需要將多個光伏電池串聯(lián)成光伏組，并將多個光伏組并聯(lián)成光伏陣列。通過合理的光伏組和光伏陣列設(shè)計，可以使光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同的光照強度和溫度條件下都能夠保持穩(wěn)定的輸出電壓和電流。

3.2 發(fā)電功率特性

光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率特性是指光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率隨著光照強度和溫度的變化而發(fā)生的變化。在理想情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率與光照強度呈線性關(guān)系，但在實際應(yīng)用中，由于光伏電池本身的特性、陰影遮擋等因素的影響，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率與光照強度呈非線性關(guān)系。

3.3 電氣性能指標(biāo)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣性能指標(biāo)是對系統(tǒng)電氣特性和性能的評價，對于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和性能優(yōu)化至關(guān)重要。

3.3.1 填充因子

填充因子（Fill Factor， FF）是指光伏電池組件在最大功率點時輸出電壓與電流的比值與開路電壓與短路電流的乘積的比值，即：

式中，Vmp和Imp分別為光伏組件在最大功率點時的輸出電壓和輸出電流；Voc和Isc分別為開路電壓和短路電流。填充因子越大，表示組件輸出功率越高，光伏組件的質(zhì)量也就越好。

3.3.2 效率

光伏組件的效率是指單位面積的光照下，組件轉(zhuǎn)換太陽能電能的能力，通常用百分比表示。光伏組件的效率受到多種因素的影響，如光伏材料、光伏結(jié)構(gòu)和工藝等。

光伏組件的效率與光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率（即將光能轉(zhuǎn)化為電能的能力）密切相關(guān)。常見的光伏組件效率有單晶硅組件、多晶硅組件、非晶硅組件等，其中單晶硅組件的效率最高，達(dá)到了20%以上，非晶硅組件的效率最低，通常在10%左右。

3.4 可靠性分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個長期運行的設(shè)備，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換是受天氣和環(huán)境等因素影響的，因此電站的損耗率是一個動態(tài)的指標(biāo)，具有一定的波動性。為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，應(yīng)該盡量減少電站的損耗率。發(fā)電系統(tǒng)中的負(fù)載，如空調(diào)、電視等，一般為感性負(fù)載，導(dǎo)致電流與電壓不在相位，從而引起功率因數(shù)的下降，造成能量的浪費。因此，需要對發(fā)電系統(tǒng)進行功率因數(shù)補償。此外，由于逆變器工作時會產(chǎn)生諧波，可能會對電網(wǎng)和電氣設(shè)備造成影響，因此需要對諧波進行監(jiān)測和控制[4]。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 試驗介紹

為驗證電氣設(shè)計方案的可行性和有效性，進行了一組試驗，將電氣設(shè)計方案應(yīng)用于某分布式光伏發(fā)電項目的建設(shè)中，并對實際發(fā)電數(shù)據(jù)進行了收集和分析。將在太陽能光伏板和逆變器之間安裝直流隔離器，以保護逆變器和其他電氣設(shè)備免受過電壓和過電流的損害。對系統(tǒng)進行配電設(shè)計，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。使用一組光伏電池板，逆變器和電池來搭建系統(tǒng)。試驗設(shè)備清單詳見表1。

表1 試驗設(shè)備清單

4.2 試驗結(jié)果

在進行試驗后，得到的結(jié)果為：系統(tǒng)的效率在不同光照條件下有所變化，但總體來說效率很高。系統(tǒng)效率測試結(jié)果詳見表2。

表2 系統(tǒng)效率測試結(jié)果

逆變器具有良好的響應(yīng)速度，能夠快速響應(yīng)不同負(fù)載的變化。逆變器響應(yīng)速度測試結(jié)果詳見表3。直流隔離器能夠有效地保護逆變器和其他電氣設(shè)備免受過電壓和過電流的損害。配電系統(tǒng)的設(shè)計良好，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得到了有效保證。

表3 逆變器響應(yīng)速度測試結(jié)果

4.3 試驗結(jié)果分析

一是系統(tǒng)效率受光照條件的影響，因此在實際應(yīng)用中需要根據(jù)具體情況來選擇光伏電池板和逆變器的型號和數(shù)量，以達(dá)到最佳效果。二是逆變器響應(yīng)速度的快慢直接影響系統(tǒng)的性能，因此在選擇逆變器時需要考慮其響應(yīng)速度和負(fù)載能力。三是直流隔離器是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中必不可少的一個組成部分，能夠有效地保護逆變器和其他電氣設(shè)備免受過電壓和過電流的損害，提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。四是配電系統(tǒng)的設(shè)計良好，能夠確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在設(shè)計配電系統(tǒng)時，需要考慮電流平衡、短路保護、過載保護等因素，以確保系統(tǒng)的正常運行。研究對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣設(shè)計進行了試驗分析，得到了具有實際參考價值的結(jié)果。未來可以在本研究的基礎(chǔ)上進一步拓展研究內(nèi)容，完善分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣設(shè)計，以更好地滿足實際應(yīng)用需求。

5 結(jié)語

本文主要從技術(shù)角度探討了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣設(shè)計方案。根據(jù)電站布置和陣列布局，選型逆變器、電纜、直流匯流箱和交流配電箱等關(guān)鍵設(shè)備，并進行了詳細(xì)的參數(shù)計算和試驗分析。經(jīng)過試驗結(jié)果的比較和分析，發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)計方案可以實現(xiàn)預(yù)期的發(fā)電效果，同時也能夠滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的要求。