分布式光伏设计要点分析

张钟平，宣施超

分布式光伏设计要点分析

张钟平1，宣施超2

（1.国家能源分布式能源技术研发（实验）中心，浙江杭州310030；2.浙富水电国际工程有限公司，浙江杭州310030）

分布式光伏项目推广的前提是项目具有一定的经济性，而分布式光伏项目的可行性研究和设计密切关系到项目的投资和系统安全可靠性，本文主要对光资源、倾角计算、系统设计等方面做了简要介绍，为分布式光伏项目的前期研究提供参考。

分布式光伏；组串；光资源；组件

0 引言

分布式光伏发电特指在用户场地附近建设，运行方式为用户侧自发自用、多余电量上网，且在配电系统平衡调节为特征的光伏发电设施。光伏可行性研究和设计对项目投资、运行维护、安全稳定和合理性起着决定性的作用。本文简要介绍分布式光伏的光资源分析、系统设计、设备选型等。

1 光资源分析

光资源是指项目所在地区的太阳能辐射值，辐射值的大小决定了整个项目的投资收益情况，太阳辐射量具有随机性，需要从多年的气象数据中选取具有代表性的太阳辐照数据，对工程运行期辐射数据进行预测。光资源分析一般采用Retscreen和PVsystem软件计算，其气象数据有NASA和meteonorm。因为气象数据不同导致两个方式计算结果略有区别。

假设项目地位地理为海宁，东经120°04′02″，北纬30°03′02″。采用两种软件进行计算，该地区的各月太阳能辐射值如下：

根据计算结果显示，NASA所测数据相对于实际辐射量要偏大，按照0.86的折算系数与meteonorm数据相同。所以在项目可行性研究时，光资源采用不同的计算软件需要考虑折算系数，采用PVsystem中的meteonorm气象数据不需要考虑系数，而PVsystem和Retscreen采用NASA气象数据时必需考虑折算系数，否则将影响项目的发电预测和项目投资。

表1 各月水平面平均辐射值kWh/m2/d

2 倾角计算

方阵安装倾角的最佳选择取决于诸多因素，如：地理位置、全年太阳辐射分布、直接辐射与散射辐射比例、负载供电要求和特定的场地条件等。对于固定轴式安装电池阵列，其最佳倾角即光伏发电系统全年发电量最大时的倾角。

以海宁地区为例，采用PVsystem软件计算，根据组件在不同倾角和各月的平均太阳辐射量，得出各月平均太阳辐射量最大的角度作为最佳倾角。不同角度倾斜面上各月日平均太阳辐射量数据，见表2。

表2 固定安装方式不同角度阵列面各月平均太阳辐射量kWh/m2.d

从上表看出，倾角为19°～25°时全年接受到的太阳能辐射能量最大，但为方便人工安装，后期维护及清理灰尘，以及支架的稳定性角度考虑，将安装角度确定为19°较为合适。安装角度为19°时月均太阳辐射量为3.78kWh/m2·d。所以在项目的可行性研究设计中，应选择太阳能平均辐射值最大且角度最小的倾角方式。

3 组件布置

在分布式光伏阵列设计中，阵列间距是非常重要的一个参数。由于土地面积的限制，阵列间距一般只考虑冬至日6h不遮挡。但是不同区域有较大区别，纬度较高地区除6h之外，太阳能辐照度有可能可以发电，在西部可以达到7～9h。所以这些地区在组件阵列设计时需精确计算，以提高系统运行效率。

一般组件前后间距计算（固定轴支架系统），以公式：

式中L—光伏板斜面长度，m；

D—两排方阵之间的距离，m；

B—方阵倾角，°；

ψ—纬度，°。

计算阴影长度一般原则为：保证冬至当天9：00～15：00太阳电池方阵不应被遮挡，光伏方阵阵列间距或可能遮挡物与方阵底边垂直距离应不小于D。为了保证光伏系统的发电效率和系统安全，必须在满足合理的组件布置下保证光伏系统全年不被遮挡。

4 组串设计

为了保证分布式光伏系统效率，在设计时必须满足光伏组件串的电压在逆变器MPPT工作范围内，且需要考虑组件在温度上升时而带来的电压下降。以某光伏250Wp组件为例。

项目所在环境温度为-10～40℃，组件额定运行条件为25℃，则组件开路电压最高值为：

式中Vh—组件在环境温度为-10℃时开路电压，V；

表3 250Wp组件参数

表5 组串逆变器参数

VOC—组件开路电压，V；

βvoc—开路电压温度系数，%/℃；

Tl—环境最低温度，℃；

Tn—组件额定运行温度，℃。

当环境温度为40℃时，组件额定运行电压最低值为：

式中Vl—组件在环境温度为40℃时最低额定电压，V；

Vmpp—峰值功率电压，V；

βmpp—峰值功率电压温度系数，%/℃；

Tn—组件额定运行温度，℃；

Th—环境最高温度，℃。

表4 系统组串设计要求

根据计算结果，组件在不同的环境条件下，电压范围为27.9～41.8V，则系统设计时必须根据极限电压进行系统组串设计，组件组串的最低工作电压必须大于逆变器MPPT的最低电压，同时组件组串峰值工作电压必须小于逆变器MPPT的最大电压。设计的原则是保证系统在极限环境条件下，可以保证系统正常且最高转换效率运行。

图1 逆变器系统原理图

5 组串逆变器设计

为了减少太阳能光伏电池阵列与逆变器之间的连接线，并且简化系统结构，需要汇流箱将这些线并联后再接入逆变器。而接入逆变器的原则除了上述电压匹配外，需要对逆变器最大输入功率和电流进行匹配计算。

对于无汇流箱的组串逆变器，以某10kW逆变器为例：

根据上述250Wp组件和10kW组串逆变器参数进行串联数计算，电池组件串联数量计算，计算公式：

式中Vdcmax—逆变器输入直流侧最大电压，V；

Vdcmin—逆变器输入直流侧最小电压，V；

Voc—电池组件开路电压，V；

Vmpp—电池组件最佳工作电压，V；

N—电池组件串联数，个。

经计算得出：14≤N≤26

但是此方法计算组串数量变化区间大，无法根据计算结果进行系统设计。可以根据MPPT电压范围与组件电压匹配、组串逆变器最大直流输入电流和组件阵列电流匹配等，并结合组串数量计算结果，在不同环境条件下最大程度保证系统的高效运行。具体计算见表6。

根据计算宜选择19块组件为1个阵列。阵列设计方案在不同环境下的电压均在逆变器MPPT范围内，保证逆变器在最高的转换效率。对于10kW双MPPT组串逆变器，每个MPPT模块最大输入电流为17A，最大输入功率为6kW，而设计方案采用的阵列额定电流为8.49A（小于17A），峰值功率4.75kW（小于6kW）。即组件阵列的最大输出电流小于逆变器最大输入电流，减少组件到逆变器的直流损耗，防止电流过大对逆变器造成过热和电气损坏。在保证阵列系统设计在安全可靠的前提下实现直流转交流系统最高效率。组串逆变器设计时需要考虑组串最高电压、最低电压、每个MPPT额定输入功率和电流等进行参数匹配。

表6 阵列设计方案

6 并网接入

光伏发电系统逆变器主要分为集中型逆变器和组串式逆变器。集中型逆变器分为带隔离变和不带隔离变逆变器，而组串逆变器一般输出电压为400V，无需配置专用的隔离变压器。

表7 逆变器类型

带隔离变的逆变器一般输出电压为400 V，可以直接并网接入。而不带隔离变逆变器输出为270 V或315 V，需要配置升压变并网接入。

图2 1MW光伏典型配置图

500kW集中型逆变器输出一般不能达到0.4kV，所以采用升压变直接接入变压器分裂绕组方式，即减少逆变器之间环流影响，升压成10kV后并网。这种配置方式既对光伏系统进行了良好的隔离，又提高了电网的电能质量。

图3 集中型（带隔离变）和组串型逆变器并网接入

250kW集中型逆变器输出电压为270V或315V，经过隔离变接入400V母线，而组串式逆变器直接交流输出接至400V。集中型逆变器具有检修维护方便、交流侧电气设备少、投资相对低等优点，而组串式逆变器具有设计布置灵活、设备运行风险低、解决光照差异和输出电能最大化等优点，但存在交流电缆较多、运行维护工作量较大等问题。所以在项目设计时需综合对比分析，采取最佳设计方案。

7 结语

本文对光资源分析、最佳倾角计算、组串设计、逆变器选型、电气参数匹配计算和并网接入做了简要的介绍和分析，给分布式光伏项目的光伏布置、组串和并网方案提供初步参考，使光伏项目在满足并网要求的情况下实现最大转换效率和最佳运行方式。

[1]曹志华，傅军栋.基于PVSYSYT的光伏设计以及阴影仿真分析[J].大众科技，2012，（157）：77～79.

[2]陈厚岩，许洪华.3kW光伏并网逆变器[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

张钟平（1984-），男，浙江诸暨人，本科，工程师，主要从事新能源和微网方面研究。