750 kW光伏电站设计及经济效益分析

周昰彤，鞠振河

（沈阳工程学院a.研究生部；b.新能源学院，辽宁 沈阳 110136）

在拥有丰富太阳能资源的偏远地区建设光伏电站，可以在国家的光伏电站相关政策补贴的帮助下，成为了贫困户新的经济收入来源。同时，村镇提供部分无肥力、非耕种土地，将它们用于建设光伏电站项目来获取可观利润，减少土地闲置造成的浪费。为确保光伏系统长期稳定地运，不影响光伏发电实际效果，本文针对建昌地区750 kW光伏扶贫电站建设项目提供设计方案，对整套系统所带来的节能减排效果进行了分析，再根据国家对光伏发电的优惠政策计算电站的收益，确定电站所需的回收年限。

1 电站设计方案

1.1 方阵组件的布置

1.1.1 发电单元

该光伏扶贫电站容量为750 kW，为方便管理，使电站直流发电部分模块化，采用单元化布置，即以每50 kW为1个发电单元方阵，每一个发电单元采用1台50 kW并网逆变器，共分为15个发电单元，如图1所示。

1.1.2 最佳倾角

在确定最适合光伏方阵的倾角时，利用计算机软件（如PVSYST）简化任务量。在PVSYST软件界面中存入项目所在地的经纬度和太阳辐射量，在任意倾角条件下，显示平均日辐射量。以1°为间隔，直接算出冬半年和夏半年的平均日辐射量，在设置范围的下行20°到上行30°直接显示，通过横向和纵向的综合比对，根据各月的平均日辐射量，得出建昌地区的最佳倾角为42°。

1.1.3 内部组件串接方式

根据所选逆变器的最大直流输入电压（1 000V）、光伏电池组件的开路电压（46.2 V）和最佳工作电压（37.2 V），确定光伏组件串联的数量范围在22块至26块之间。先设定一串光伏组件的数量为22块，此时一路的输出电压为818.4 V，恰好在逆变器的直流输出端电压和满载MPPT电压允许范围内，而当组件数量再增加时则会超过满载MPPT电压范围，所以本次设计选择串联的组件数为22块。

每1路的直流输出功率为6.93 kW，想要构成50 kW的发电单元就需要7路这样的光伏组串，分别输送到组串式逆变器的输入端。每组发电单元(50 kW)需要154块组件，整个光伏电站合计需要电池组件2 310块。实际装机容量为727 650 W。

图1 750 kW光伏电站电气系统

1.2 主要电气部件

1.2.1 逆变器

逆变器在太阳能光伏发电系统中，起着将电池方阵发出的直流电，经逆变过程转换为交流电的作用。它可以使转换后的电压、频率以及波形等满足电力系统对交流电的要求，从而实现为各种交流用电装置、设备供电以及并网发电的目的。根据逆变器的特点，选用光伏电站逆变器的方法有很多：220 V项目适宜选用单相组串式逆变器；8 kW～30 kW项目适宜选用三相组串式逆变器；50 kW及以上的项目可根据实际情况进行组串式逆变器和集中式逆变器的组合选用。

组串式逆变器和集中式逆变器的经济性比较如表1所示。

表1 组串式逆变器和集中式逆变器经济性比较 万元

该光伏电站容量为750 kW，介于400 kW到2 MW之间，选择组串式逆变器的总收益更好，而在组串式逆变器中容量为50 kW的应用最为普遍，技术相对成熟，并且成本也低。因此，该项目采用50 kW三相组串式逆变器，支持12路组串输入，无需外加直流侧汇流箱，兼容各种规格的电池板接入，并且具有集成交直流防雷功能，可以满足各种无功调节的要求，具体参数如表2所示。

表2 逆变器参数

1.2.2 防雷和接地

光伏发电系统大部分处在露天状态下，且面积分布较大，易受直接或间接雷击的伤害；同时，光伏发电系统直接连接着相关电气设备和建筑物，因此，雷击对系统的冲击还会波及到这些设备、建筑物以及用电负载等。雷电会产生对系统危害极大的浪涌电压和电流，这是对光伏发电系统的潜在威胁。为了极大可能地避免雷击对系统的损害，需要设置防雷和接地设施来对光伏发电系统进行防护。

1）防雷基本要求和措施

①在为太阳能光伏发电系统或光伏发电站选址时，要尽量避开易受雷击的地点。

②尽量避免避雷针对太阳能电池的遮挡。

③根据实地情况，为避免直击雷的伤害和减小遭受雷击的几率，一般可用避雷针、避雷带以及避雷网等。至少采用2根且均匀布置的引下线将雷击产生的巨大电流引入地下，多根引线可产生分流，从而降低了引线的压降，减少了雷侧击造成的危险，减小泄流发出的磁场强度。

④要避免系统产生雷电感应，使金属物体和接地体等电位相连，如组件的外框外壳、设备机柜的金属外壳、金属线管等，而且各部分也要独立接地。

⑤系统的各级回路中，要逐步加装防雷设备器件，达到层层保护、多级保护，当雷击发生时，泄流雷击的电流和开关上的浪涌电流。

⑥在直流侧，光伏组件支架要保证有良好的接地，经过装配多级防雷可以进一步减少雷击对设备的损坏；在交流侧，逆变器的输出可以经交流防雷配电柜后再接入电网，有助于减轻雷击和电网浪涌对设备的损坏作用。

2）接地基本要求和措施

①防雷部分的接地电阻要求不大于30 Ω，尽量设置单独的接地体。

②安全保护、屏蔽和工作部分的接地电阻要求不得大于4 Ω。这些接地涉及到组件的外框、金属支架、逆变器的外壳和中性点、控制器和配电柜的外壳等。

③接地电阻。当上述几种接地装置同时使用一组接地装置时，接地电阻的数值选取最小值；如果除防雷单独设置了接地以外，剩下其他的接地也可以使用一组接地设施，接地电阻的数值也不可以超过它们之间的最小值。

④尽量保证防雷系统的接地不要和别的接地一起使用，应单独设置。在地下，还要使防雷接地体与共用接地体保持不小于3 m的距离。

⑤在光伏电站项目建设中，可以把光伏发电的面材、支架部分及横竖铰链结构件直接接地，或者与防雷系统实现可靠接地。接地系统的设计和施工要和防静电系统同时进行。

⑥保证所有的机柜都要有完好的接地。

1.2.3 交流汇流箱

该设计采用的是组串式逆变器，直流侧不需汇流箱。但组串式逆变器输出端线缆要比集中式逆变器的多且复杂，为了减少输出端的电缆连接，进一步保障光伏电站的可靠性，方便日后的维护检修工作，需要在交流侧增设交流汇流箱。

由于选用组串式逆变器的数量为15台，所以需选择3台6进1出的交流汇流箱即可满足系统需求。

考虑到逆变器输出端电压和最大输出电流，采用型号为KSC-6-100A的交流汇流箱，其参数如表3所示。

表3 交流汇流箱参数

1.2.4 变压器的配置

1）变压器的选择原则

若光伏电站设置了升压站，选择主变压器时要遵循下列原则：

①优先选用损耗低、自冷式的变压器；

②无励磁调压式变压器无法达到电力系统对调压的要求时，需要使用有载调压的电力变压器；

③主变压器的容量确定后，依据光伏电站最大的连续输出功率来选择。

若在光伏方阵内采用就地升压，变压器的选择应采取下列规定：

①优先选用低损耗的或自冷式的变压器；

②升压变压器的容量确定后，可依据光伏方阵单元的最大输出功率来选择；

③可以选择采用高压/低压预装式的箱式变电站，或是敞开式设备，一般由变压器和高低压的电气元件等组成（对于设置在自然条件恶劣的光伏电站，如风沙大或者在沿海地区的，沿海地区的光伏电站要有IP65的防护等级，而在风沙大地区的光伏电站则要有IP54的防护等级）；

④一般可采用双绕组变压器或分裂式变压器。

2）变压器的参数

该设计仅负责提供出一种可使用的变压器方案，变压器的具体选择及布置由当地电业局按照相关规定完成，变压器参数如表4所示。

1.2.5 线缆的铺设

中国科学院（合肥）智能机械研究所、安徽中科感知大数据产业技术研究院在自动化、人工智能、农业大数据研究方面具有雄厚的基础。目前在安徽省境内的10个植保站已经建立了应用基地，在全国范围内11个省份14个县开展了智慧植保产品的试用和相关服务。

对太阳能发电系统进行铺设线缆和连接设备时，多半是以直流侧布线工程为主的工程。由于太阳能电池方阵等直流侧位置进行的串、并联工作较多，所以要在施工时格外注意线缆的正负极性。

表4 变压器参数

在连接太阳能电池方阵与直流汇流箱线路的时候，选取的导线横截面积要能够承受最大短路电流。同时，还要在各个太阳能电池方阵组串输出部分的引线上做相应的编号并标记正负极性，确保无误后，再接到直流汇流箱中。

在地面安装的太阳能电池方阵的线缆要用地下埋设的布线方式，还要保护导线套线管，线缆的埋设深度至少为0.5 m。

本电站所有电缆均采用阻燃式电缆，在电缆沟的分叉处设置防火墙，防火墙两侧的电缆要刷防火涂料，并用防火隔板和防火堵料来封堵屏柜下的孔洞。

光伏组件串联部分使用ZR-YJV22-2×2.5线缆。直流汇流箱输出端到逆变器输入线缆使用ZRYJV22-2×16线缆，交流输出端与变压器相连使用ZR-YJV22-3×150线缆。

2 电站发电效率计算

整个光伏电站的损耗一般包含以下6个方面：

1）光伏方阵阵列的损耗包括4个部分：失谐损耗（一般由组件不一致性造成）、光伏阵列倾角偏差、遮挡影响和温度损耗；

2）最大功率跟踪损耗，即在寻找跟踪最大功率点时未必可以完成100%的最优化；

4）逆变器的损耗：国内使用的并网逆变器的效率一般在92%～97%之间，逆变器的效率每损耗1%，年发电量就会相应缩减0.8%；

5）交流线缆的损耗和直流线缆产生的损耗类似，可采取的措施也是尽可能减小电缆的电阻或升高电压。

6）变压器产生的损耗对变压器效率的影响与电站规模成正比。

此外，还有系统选用的无功补偿效率等因素造成的影响。各部分效率如表5所示。

表5 光伏电站各部分效率

由表5可得综合效率：

一般全站效率范围在70%～90%。

3 发电量估算

该光伏电站设计容量为750 kW，建设期为1年，运行期一般为25年，计算期可取20年。

影响光伏电站发电量的因素主要有组件安装容量、太阳辐射量、灰尘/污渍遮挡损失、组件功率衰降、太阳能组件效率、组件串连失配损失、遮挡损失、组件安装角度损失、温升损失、反射损失、直流侧线损、逆变器效率、交流侧损失、容量及光伏阵列安装损耗、灰尘遮挡损失。

根据建昌地区年有效日照1 460 h进行计算，光伏电站的年发电量L为

式中，L为光伏电站年发电量；W为光伏电站的装机容量；H为峰值小时数；η为光伏电站总效率，取值范围为0.7～0.9，该设计取0.81。

经计算，该光伏发电系统年均发电量约为819 564 kW·h，20年累计发电量约为16 391 279 kW·h。

4 收益分析

结合国家对光伏发电全额上网的电价结算规定以及当地政府给出的财政补贴，该光伏电站的收购电价为0.95元/（kW·h），补贴20年。

该光伏电站设备投资为4 263 000元，主要设备材料如表6所示，维护和管理费用按设备投资的2%计算，故总体成本为4 348 260元。电站年均收益为778 585.8元，20年累计收益为15 571 716元，除去成本，总利润为11 223 456元，回收期为5.6年，上网电量如表7所示。

表6 设备材料表

表7 750 kW光伏电站上网电量

5 结 论

该光伏扶贫工程在国家的光伏电站相关政策补贴的帮助下，在拥有丰富太阳能资源的偏远地区建设光伏电站，为贫困户增加经济收入，使村镇中没有肥力、不再用于耕种的土地得到合理利用，减少了土地闲置造成的浪费，并为建设村级电站项目提供了一种初步设计方案。通过对该项目的设计计算，可以确定该光伏电站总体成本为434.8万元，年均收益为77.9万元，具有较短的建设周期且6年内即可收回成本，满足了贫困户脱贫的要求。