分布式光伏发电系统的设计与性能

代大海

(中利腾晖光伏科技有限公司 身份证号码：511321198308162096)

一、分布式光伏发电

所谓的分布式发电就是分布式电源，指用先进控制技术经济、环保、高效、可靠的自主发电方式，且分布式电源是靠近本地负荷中心建设的，通俗来说就是直接向本地负荷供电的小型电源装置其容量≤6MW，并网电压等级≤10kV，不久前也有部分渔光或者农光互补电站界定为分布式光伏电站，这种电站容量不超过20MW，并网电压等级不超过 35kV。我国早期的分布式发电是指对原有系统排除的废气、冷却水余热进行发电并就近供应，实现优化原有系统能源的利用率。现阶段分布式发电一般采用可再生资源发电，如分布在各地区的太阳能、风能等可再生资源，促使分布式发电可就地取材，通俗来说就是既靠近能源中心又靠近本地负荷中心。由于太阳的照射范围广，属于清洁无毒害且总量无限的能源，加上光伏发电不受地理位置的限制，能更好结合建筑物，安装便利不占土地资源，可最大限度接近本地负荷，且其运营对环境无害，所以是一种有效利用太阳能发电的方法。分布式发电系统的输电距离短，一般不需要建设变电及配电站，输电损耗的降低，可保证建设成本，能确保电力生产和需求紧密结合，完全实现用户统一自行管理，提高生产效率的目的。同时，这种系统的供电可靠性高，能对公共电网难以覆盖或薄弱的地区供电，足以解决基本的电能需求，并最大程度的缓解环境保护所面临的压力，是全球发展最迅猛的高新技术产业之一。图为分布式光伏发电：

二、分布式光伏发电系统设计

（一）电气系统设计

以某司屋面100kW分布式光伏发电站为例，其主要组成部分有：光伏方阵、汇流箱、光伏逆变器、环境监测仪、电站监测系统、直流配电单元、交流配电单元，计量系统。此电站光伏方阵选用我司生产的TP660P-250W组件，合计需要400块，使用20kW组串式逆变器5台，组串形式20块/串。光伏组件采用固定倾角27°安装，方位角南偏西 15°。此外，此电站采用的是电网低压侧三相 400V并网方式，每 10s其监测系统会将各设备主要运行的数据记录下来。图为电气系统示意图：

（二）防雷接地设计

由于该电站属高雷区，易受直击雷风险，以及易造成雷电感应的大面积金属组件阵列，所以必须对光伏阵列、建筑物及电气设备等设计防雷接地，从而防止系统中设备电气元器件被雷击、浪涌等外在因素造成的损坏，保证光伏发电站的安全可靠性。光伏发电站的防雷设计须按照GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》的规定，以三类建筑物规范防护直击雷。而接闪系统、引下线、接地系统三方面组成了直击雷防护。将避雷针安装在建筑屋顶，直击雷防护系统要利用接地系统构建屋顶设备和原有建筑引下线形成，并注意安装电涌保护器在雷区分布区边界。另外，接地电阻必须符合国家现行标准GB50169-2010《电气系统安装工程接地装置施工及验收规范》的规定，在光伏方阵构建＜20m×20m的接地网络。图为防雷保护设计示意图：

三、分析光伏发电站的性能

（一）光伏发电站系统性能

光伏电站运行的数据是通过电站监测系统来存储监测的。国际能源协会光伏电力系统 TASK2和标准 IEC 61724-1998 photo voltaic system performance monitor-Guidelines for measurement,data exchange and analysis都对光伏电站监测提出要求，因此光伏发电站的监测系统设计必须按照要求实施。以下是利用光伏电站监测系统存储的2013.11到2014.12运行的数据，并按IEC 61724-1998中的统计、分析法，结合公式 YA=EA/PO、YR=HT/GSTC、YF=EPC/PO、LC=YR-YA、LS=YR-YA、LS=YF-YA、得出电站每个月的各项参数，例如2013年11月、2014年6月、2014年12月的实际参考最终的产量分别为2.6671（h.d-1）、2.6678（h.d-1）、2.3455（h.d-1）和 2.2074（h.d-1）、2.7638（h.d-1）、2.1904（h.d-1）与 0.6819（h.d-1）、0.8155（h.d-1）、0.6649（h.d-1），而俘获及系统的损耗分别为 0.0007（h.d-1）、0.3216（h.d-1）和 0.5564（h.d-1）、0.0170（h.d-1）及 0.2023（h.d-1）、0.0165（h.d-1），电气系统和光电转换的效率分别为 87.92%、12.31%和 79.25%、11.10%及 81.54%、11.42%。但由于受到大气质量、环境温度及风速等因素的影响，电气系统的效率在研究的14个月内效率基本上维持在79%到81%间，且组件光电转换率在11%-到 16%左右。由此可见，分布式光伏电站效率除了受屋面坡度、周围建筑物阴影影响外，更主要的还受项目所在地太阳能资源、环境气象条件影响。设计时，为提高系统的发电量，我们因该综合考虑这些因素。

（二）光伏电站光伏方阵性能

在标准测试条件(STC)下太阳能电池组件的测试转换率为15.5%，该电站2013年11月11日时光伏方阵效率的测量值范围为75%左右，而由于该电站并非是正朝南安装光伏组件，存在南偏西15°左右方位角，因此，上午太阳光照射到光伏方阵的方位角相当于理论计算太阳方位角和安装方位角之和；下午太阳光照射方位角相当于理论计算太阳方位角和安装方位角之差。通过本电站所在地区经纬度及方位角可用式计算出当日垂直入射太阳光到光伏方阵的时间在14:35分左右，其太阳光瞬时辐射值为758W/m2,83.6kW是当时的光伏方阵输入功率，13%为当时的光电转换率。由此可见光伏方阵直流输入功率实际上与日照强度有关，当日照强度上涨时光伏方阵的输入功率也呈直线增长趋势，不过基于方位角为南偏西15°以及有环境温度等的影响，就算是相同日照强度及环境温度，但上午的输出功率远远不及下午的输出功率，可一旦光伏方阵方位角为0°，那么此种现象就不会出现。由此可知，为了提高光伏系统发电效率，我国光伏电站的光伏组件应正南布置，这样可以使光伏组件能尽量多的接收到来自太阳的直射辐射能量。

（三）光伏电站逆变器的性能

作为光伏电站中重要电气设备的光伏并网逆变器，它能实现并网控制，能够根据阳光的强弱自行投入并网或者退出电网，满足电网要求将光伏方阵发出来的直流电能转换成交流电能，但它转换的效率高低直接会影响都整个电站发电效率和投资收益。此电站的逆变器是不带工频隔离变压器的三相逆变器，其交流电源输出为三相 AC480V/50Hz，实现了按日照强度自动开关机完善保护的功能。其系统运行在2014年4月某日曾达到最高转换效率98.6%，且转换率维持在97%-98%时输入功率达一般在 20kW 以上。可见，逆变器效率的情况直接影响整个光伏系统的效率情况，为了提供光伏系统整体效率，我们应尽量选用发电转换效率高、性能稳定的逆变器产品。

结语：

分布式光伏发电是有效利用太阳能发电的可再生能源的主要方式之一，具有可就地取材无污染无噪声的优点，符合我国当前推行的环保政策，因此被国家大力推广使用，而本文通过分布式光伏发电的定义及重要性，以100kW分布式光伏发电站为例，分析了分布式发电系统的设计和性能，对分布式光伏电站设计与优化有积极意义。