大型分布式光伏并网发电系统的设计

□徐晨璐 熊泽豪 周 游

随着全球能源需求的急剧增大导致全球变暖环境破坏等问题，大力发展可持续清洁能源改善全球能源结构、减少温室气体排放量并逐步替代石化能源是走可持续发展道路的重要措施之一。因此，发展光伏发电对全球能源结构的改善具有重要意义。国内现有文献多为小容量分布式发电现状的综述或对太阳能与其他能源的联合应用。本文提出一种大型光伏并网发电系统设计方法并提供电气设计方案。

一、光伏并网发电系统基本原理

光伏并网发电系统(如图1所示)主要设备包括：光伏电池组件、逆变装置和控制装置。光伏电池组件将光能转换的直流电能，先通过DC/DC变换器将低压直流转换为高压直流，再通过DC/AC逆变器对高压直流逆变成用户所需的交流电。控制系统通过PWM驱动信号控制DC/DC变换器使系统保持最大功率运行。

图1 光伏发电系统框图

通过与单级式光伏发电系统的性能比较，两级式光伏发电系相对单级式光伏发电系统的区别是多了一个DC/DC变换环节，通过MPPT控制逆变过程保持最大功率运行，虽然多了一个DC/DC变换环节会使得能量转换效率有所下降，但它的PV输入范围一般比单级式要宽，因此控制也较简单，两级式发电系统一般在中大功率的发电系统中适用较多，而小功率的组串式光伏发电系统则一般都是带单级式光伏发电系统以保证发电效率。根据光伏发电系统设计的技术要求，两级式光伏并网发电拓扑结构如图2所示。

图2 光伏并网发电拓扑结构

本次设计按照要求采用工业上应用较为广泛的模糊控制改进变步长寻找光伏发电最大功率点(MPPT)。其主要控制思想是在变步长小扰动控制方法加入模糊控制系统，使得步长变化量有更合理的选择。DC/AC逆变部分采用PQ控制，并在PQ控制的基础上对电流环PI参数进行了改进。对于并网同步问题采用传统可靠的PLL锁相技术保障系统同步运行。滤波器采用能消除开关次谐波的LCL通用滤波器。

二、光伏并网发电系统设计

(一)设计目标与方案。本文设计大型分布式光伏并网发电系统，建设容量为30MW，单个区域为5MW；选用单晶硅光伏电池组件作为本系统发电单元，根据系统选址设计科学合理的光伏发电并网系统。本文设计要求将光伏电池产生的直流电逆变为380V交流供用户使用，多余电能并入10kV配电网。根据上述分析，要求光伏发电系统的电压所产生的总谐波畸变率不大于5.0%，并网型逆变器在逆变后电压波形的总谐波畸变率均控制在3.0～4.0%左右，可以达到国家标准。以单个区域为例：根据选址厂房面积和设计要求，系统设计机构由光伏电池组件经过串并联阵列经汇流箱输送给直流配电柜，经直流配电控制寻找跟踪最大功率点对应电压后，接入大功率并网逆变柜，最后通过双分裂变压器升压到10kV实现并网发电，总体设计框图如图3所示。

图3 总体设计框图

(二)光伏电池组件串并联与发电量计算。由于光伏电池单体输出电压、电流和功率小，需要对光伏电池串并联以达到工作电压和电流。设计光伏发电系统电池组件布置方案，一般计算方法如下：

光伏电池组件串联数由系统工作电压确定，电池组件串联后电压增大以达到负载要求，具体公式为：

(1)

式中，UN：系统工作电压；Upvmax：组件峰值工作电压；KC：正常工作下电压峰值与额定电压的比值，一般取1.43。

光伏组件并联数与组件的发电量有关，其发电量与单位面积太阳能辐射每年总量、光伏组件总面积有关，同时要考虑光伏电池组件外界条件变化、自身转化功率衰减、电路损耗、逆变器效率等因素，具体公式为：

(2)

式中，SEp：光伏系统总装机容量；NC：光伏组件串联数；Ppv：光伏电池组件发电功率；Ks：损耗系数；ηin：逆变器效率系数。在一般系统中，系统损耗系数取0.9，逆变器效率系数取0.9。

根据光伏电池组件面积、太阳光照强度、光伏系统光电效率、光伏电池组件转换效率等数据，可预测光伏发电系统年发电量。其发电量计算公式如下：

EP=(HA×PAZ×K×ηsystem×ηmodule)/ES

(3)

式中：EP：光伏系统发电量k·Wh；HA：水平面太阳能总辐照量k·Wh/m2；PAZ：组件安装容量k·Wp；ES：标准条件下的辐照度取1kWh/m2；K：综合效率系数，根据实际情况和计算，取K=0.88；ηsystem：光伏系统的发电效率；ηmodule：电池板组件转换效率。其中光伏电池组件转化效率η在目前常用的光伏电池组件中，单晶硅电池组件取14%～15%，多晶硅电池组件取13%～14%。修正系数K则由多个因素造成，如：光伏电池组件朝向和倾斜角的修正系数K1，光伏电池组件高温运行衰减系数K2，光伏电池组件室外灰尘覆盖功率下降导致的衰减系数K3，逆变器转化效率修正系数K4，线路损耗修正系数K5，即K=K1K2K3K4K5。在一般系统中，系统损耗系数取0.9，逆变器效率系数取0.9。

三、工程设计实例

本文以某国家级高新科技园区厂房屋顶建设30MW光伏发电及智能微电网应用示范项目为设计实例。设计选用320Wp单晶硅光伏电池组件，最大输出电压为46.3V，其光电转化效率大约在14%～19%，比其他两种光伏电池板的转化效率高。

根据式(1)、式(2)计算光伏组件串联数和并联数得到系统采用14个组件串联可达到系统工作电压值，分布式系统单个区域采用108路并联能到达系统设计要求；光伏并网发电系统容量为30MW，共需要93,750个光伏组件。根据式(3)预计设计系统的发电量。在设计中，系统损耗系数取0.9，逆变器效率系数取0.9。本系统中各项取值为：HA=400kWh/m2，ηsystem初始取80%，ηmodule取14.75%，计算年发电量约为28830.7MWh。应用Pvsyst软件进行校验，误差小于5%即认为预计计算为准确值。

四、结语

本文主要研究和设计大型分布式光伏并网发电系统，通过对光伏发电系统的选址、光伏电池组件选型、布置角度设计，合理设计每一个区域的装机容量，要求每一部分有合理的设计方案，考虑可靠性、优质性和经济性等方面。根据30MW光伏并网发电系统设计实例分析，为大型光伏并网发电系统设计提供了实践经验。