分布式光伏发电集成系统设计及优化

特变电工新疆新能源股份有限公司 ■ 刘建全

0 引言

光伏发电在我国发电行业占据的比例将逐年提高，我国中东部地区土地资源较为紧张，光伏发电主要以分布式发电为主。分布式光伏发电是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，它倡导就近发电、就近并网、就近转换、就近使用的原则，不仅能有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。

针对当前的严峻形势，国家能源局指定并下发了《2014年能源工作指导意见》，重点安排部署了包括：改善京津冀鲁大气环境，压缩当地煤炭需求；大力发展光伏分布式电站，确定2014年新增风电装机1800万kW，新增光伏发电装机1000万kW(其中分布式占60%)的发展任务，本文着重探讨分布式光伏发电的设计及优化内容。

1 分布式系统方案设计

1.1 设计原则

1.1.1 安全性

系统设计执行我国的技术经济政策，满足安全可靠、技术先进、经济合理和维修方便的原则；电气系统和电气设备的设计应全面考虑设备运行及检修人员的安全。

1.1.2 可靠性

系统设计充分考虑了可操作性和可靠性；易于运行和检修；相同(或相同等级)的设备和部件的互换性；环境条件保护，如对风沙、振动和水等的防护。

1.1.3 高效性

系统设计注重各环节细节设计，所有元件应恰当配合，把各环节损耗降到最低，以保证系统的高效性。

1.1.4 一致性

在设计、施工方面，尽可能与业主、设计单位保持一致，设备颜色和技术条件均由业主方指定或确认。

1.2 光伏电站系统方案

分布式并网光伏电站主要由太阳电池方阵、逆变器、交流电气系统、微机监控系统组成，通过一定的串并联组合将太阳能组件的直流电经过汇流箱、直流配电柜等电气设备二次汇流后接入光伏并网逆变器，经逆变后变成可供用户侧直接使用的交流电或再经二次升压后接入用户侧中高压配电系统。太阳电池方阵及逆变器系统是光伏电站的核心。

1.3 板阵系统设计

1.3.1 系统直流电压设计

在光伏并网发电系统中，系统直流侧的最高工作电压主要取决于逆变器直流侧最高电压，以及在直流回路中直流断路器额定工作电压。但设备的工作电压与设备所处的工作环境和海拔高度有关，目前，光伏并网逆变器MPPT直流输入电压范围一般在450～820 V之间，最大输入电压为1000 VDC。

1.3.2 组件串并联设计

目前市场上主流的组件为250 W，在计算组件串联数量时，根据组件的工作电压和逆变器直流输入电压范围，同时需考虑组件的工作电压温度系数、开路电压温度系数，合理确定最佳串联数，以便各种情况下系统均能工作在最大功率电压跟踪范围内，从而获得最大发电量输出。

例如并网逆变器最大功率跟踪电压范围为450～820 V，通过计算，选择适合的串联数为：16、17、18、19、20、21；另需考虑当地安装的光伏组件最低温度导致电池组件输出电压升高，一般选择在MPPT中间电压附近的工作电压能保证系统尽可能多地工作在MPPT范围内；同时，考虑开路电压变化，其组串开路电压不得超过逆变器最高工作电压，因此，通过合理的设计筛选，最终确定系统的最佳组串数。

1.4 汇流设计

分布式光伏发电系统一般采用二级汇流方式，在太阳电池组件方阵中直接安装汇流箱，由汇流箱直接输出符合逆变器输入要求的路数、电流。屋面光伏电站可根据实际情况选择16汇1、12汇1、8汇1的汇流箱。

屋顶汇流箱设计考虑户外放置、防水、防锈、紫外线照射等，箱体从底部进线，并配有接地线引接电缆孔，每路进线均设有防水螺母、堵头，箱体门部位安装有密封条，各个合叶、连接处均有防水措施，确保防水等级为IP65。

1.5 电缆设计

1.5.1 电缆选型说明

分布式光伏系统所涉及的电线电缆设计依照项目招标文件和GB 50217-2007《电力工程电缆设计规范》及GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》中的规定选择相关电线电缆技术、规格参数。

1.5.2 直流电线电缆的选择

直流电线电缆的选择与光伏电站使用的环境、光伏方阵串并联方式、直流电线电缆的长度，以及使用方式息息相关。本项目夏天温度高，加之直流侧系统最高工作电压约为900 V，所以组串需使用耐候性好、耐压1000 V的导线，额定工作温度为-60～180 ℃，所选电缆为0.6/1 kV，选用型号为：1 kV电缆 2PFG1169-1×4 mm2。这种电缆具有防火的优点，导体质地柔软适合复杂地形，符合光伏项目特性，能长期在户外环境下工作。

1.5.3 交流电力电缆的选择

光伏并网发电系统交流电缆的选择必须遵循GB 50217-2007 《电力工程电缆设计规范》的要求，交流电缆宜采用交联聚乙烯绝缘电力电缆；二次电缆中用于集成电路、微机保护的电流、电压和信号接点的控制电缆，应选用阻燃型屏蔽电缆[1]。

1.5.4 电缆敷设

屋顶上部电缆采用穿管或桥架敷设，保护管的内径不小于电缆外径的1.5倍[2]，屋顶至配电室之间采用桥架敷设。

1.6 光伏监控系统设计

光伏电站配置监控系统一套，负责监控厂区全部逆变器、防逆流、汇流箱、环境监测仪及智能电度表等带智能接口的设备信息。

电气监控系统主要监控布置于低压配电室内的电气设备(包括开关柜、逆变器等)。光伏电站的监控系统采用高可靠性工控机进行集中控制和数据采集，具有遥测、遥信功能。 LCD液晶屏显示，可测量和显示光伏发电各系统的各类参数；逆变器、高低压开关柜、升压变的电压和电流、光伏发电各系统的工作状态、每一个光伏组串直流侧的电压和电流，交流输出电压和电流、功率、功率因数、频率、故障报警信息及环境参数(如辐照度、环境温度等)，二氧化碳减排量，统计和显示日发电量、总发电量等信息，并形成可打印报表。通过键盘可实现对开关进行遥控，对逆变器进行遥调。系统具有数据存储查询功能，可方便地归档查询。

1.7 太阳能支架系统设计

1.7.1 太阳能支架设计

屋顶一般分为混凝土屋面和彩钢瓦屋面两种结构形式，混凝土屋面一般采用最佳倾角的结构形式；彩钢瓦屋面一般采用平铺的结构形式。太阳能光伏方阵的支架安装既要依据建筑一体化的美观和承力要求，又要满足支架结构简单、安装调试和管理维护方便的要求。

太阳电池板支架的设计要使其满足结构性良好和防腐蚀性能，以及并网发电要求。根据建筑结构荷载规范查得当地50年一遇基本风压，50年一遇基本雪压，可计算出支架和组件承受的极限风速。

1)彩钢板屋面结构形式：考虑到建筑一体化的美观效果，将电池板及支架平铺于带倾角的彩钢板屋面。安装时利用铝结构夹具，将组件铝合金结构支架支撑在屋顶的彩钢板肋条上，上面铺设太阳能组件。此种安装形式结构简单，安装调试和管理维护都很方便。

2)混凝土屋面结构形式：混凝土屋面采用最佳倾角的结构形式，支架安装于混凝土基础上。

太阳电池组件支架结构采用Q235型钢结构，表面采用热镀锌处理，保证结构具有良好的防腐蚀效果；用不锈钢材质螺栓紧固，确保支架能抵御极限风速的载荷，电池板安装时设有2.0 cm的泄风口，确保支架的稳定。

组件支撑结构的设计方案：通过专用铝合金压块固定组件，单侧压块组合适用于只有一块组件边需要固定的情况，双侧压块组合适用于左右均有组件需要固定的情况。

1.7.2 支架设计标准及依据

1) 贯彻“安全可靠、经济适用、符合国情”的电站建设方针。

2) 全面执行国家的相关政策、法规。

3) 总体规划布置：结合厂房结构条件，采用集中布置，安装便捷。

1.7.3 支架结构设计

太阳电池组件支架结构采用国标型钢结构，表面采用热镀锌处理，保证结构具有良好的防腐蚀效果，结构采用不锈钢螺栓紧固，确保支架能抵御23 m/s风速的载荷，电池板安装时设有2 cm的泄风口，确保支架的稳定。彩钢板屋面支架样图如图1所示，混凝土屋面支架样图如图2所示。

图2 混凝土屋面支架样图

2 项目优化设计

2.1 组件接地

由于组件安装在屋顶上，极易遭受雷电袭击，同时由于光伏组件的铝合金边框有一层氧化膜，组件通过压块与支架连接后由于氧化膜的原因，相互间的接触电阻很大。支架接地后，不能保证组件边框也能可靠接地，接地电阻不能满足要求；加之屋顶面积大，如果遭遇雷电侵扰，组件就会被击坏，甚至导致逆变器受损，所以项目设计中要求对组件边框采用4 mm2接地黄绿线将所有组件分别与支架做可靠连接，光伏方阵接地应连续、可靠，接地电阻应小于4 Ω[3]。

2.2 组件的接线形式

对于屋顶项目，本文中组件的接线形式采用跳接方式，此种接线方式不但节省线缆，而且在线缆变短后也降低了线损，提高了发电量，详细的接线方式如图3所示(此种接线方式特变电工新疆新能源股份有限公司已申请专利)。

图3 组串接线示意图

建议屋顶电缆敷设桥架采用梯形桥架，光伏屋面采用梯形脚架，光伏直流电缆将可直接通过桥架底部进入桥架，省去槽式桥架需开孔并使用柔性软管连接后光伏电缆再进入桥架的工序，施工极为方便。另外，电缆固定在梯形桥架中几乎不会受到阳光直射的影响，同时有利于电缆散热(之前发生过因桥架内温度过高造成电缆烧毁的情况 )。

2.3 汇流箱选型

目前主流汇流箱设计一般考虑带防反二极管，对光伏组串进行反接保护。但经过实际应用发现防反二极管的发热量很大，考虑到屋面电站的通风散热条件较荒漠电站差，特别是国内外已经出现过屋面组件自燃的情况，建议分布式光伏发电系统选择不含防反二极管的汇流箱，保证汇流箱的温度在可控范围内。

3 总结

随着我国这几年对清洁能源的重视，分布式光伏电站建设必将成为新能源领域里一个重要的发展方向。如何在工程设计中既保证质量与安全，又通过优化设计节约成本成为设计工作者的研究方向。本文所采用的分布式光伏系统优化方案在分布式光伏建设中的设计选型及优化建议，在保证了设计安全的要求下，大幅缩短了施工工期，降低了工程成本，产生了显著的经济效益。对以后大型分布式光伏并网电站建设中的设计及设备选型也提供了建设性的意见。

[1]任元会，卞凯生，姚家祎. 工业与民用配电设计手册[M].北京: 中国电力出版社, 2005, 577.

[2] GB50217-2007,电力工程电缆设计规范[S].

[3] GB50797-2012,光伏发电站设计规范[S].