基于海口电厂灰场智能光伏发电系统总体设计

李婷 李承儒

摘要：太阳能作为安全可靠性的清洁可再生能源，使得光伏并网发电具有诸多优点，本课题从光伏发电系统基本设计理論对海口电厂灰场光伏发电系统进行了研究，主要研究内容和结论如下：

阐述了太阳能资源总辐射的计算方法，对光伏发电系统电气部分的选型进行介绍，给出了海口电厂灰场光伏发电系统的总体设计方案。结论表明：本文基于天文总辐射和日照百分率的方程近似计算太阳总辐射气候学特征。选用285Wp 单晶硅组件，共213360 块，实际装机容量60.8076MWp，共36 个方阵，每个方阵约为1.7MW，选用50kW 组串式逆变器。

关键词：光伏并网;太阳能资源;系统设计

1太阳能资源总辐射计算方法

我国太阳能资源由于国土面积大而具有明显优势，如果将我国的每年地表接受的太阳能资源按照标准煤炭储量进行换算，可以达到17000 亿吨的数字。根据气象部门的调查、测算，我国的太阳能年辐射量最大面积集中在青藏高原地区，辐射量最高可以达到10100MJ/m2，我国的太阳能年辐射量最小面积集中在四川盆地，辐射量平均为3300MJ/ m2）将等值线进行划分后，可以从从大兴安岭南一直向西南方向，途径河套地区，向南可沿伸至青藏高原东侧，最远可达西藏南部，这条等值线以东地区属于非内陆地区，全年降雨量较大，云量较多，包括东北、长江中下游地区、花呗以及四川地区，其中四川地区的辐射量最小，由四川向南北两方向辐射量呈递增。等值线以西为太阳能辐射量多的地区，这些地区的年日照小时数大于3000小时，这些地区地处内陆，气候以干旱少雨为主。即便如此，我国的太阳能能源仍旧处于世界领先地位，其丰富以及较为丰富的地区占国土总面的三分之二。

QX/T 89-2008提到的《太阳能资源评估方法》，将太阳能丰富程度做四个等级划分，划分结果如下所示：

上表中将太阳能资源的丰富程度做了四等级的划分，其中：一类地区：全年辐射量≥6300MJ/ m2。涵盖的地区主要包括了甘肃北部、青藏高原以及新疆南部和宁夏北部地区。二类地区：全年辐射量在 5040～6300MJ/m2，主要包括了山西北部、宁夏南部以及甘肃中部和青海东部以及内蒙古南部以及河北西北部地区。第二类地区为太阳能资源较丰富地区。三类地区：全年辐射量在 3780～5040MJ/m2。三类地区：全年辐射量在 3780～5040MJ/m2。其中主要包括了山西南部、河北东南部、河南山东地区、新疆北部、吉林以及云南、浙江和陕西北部、福建以及辽宁、安徽北部和江苏北部地区。四类地区：全年辐射量<3780MJ/m2。四类地区：全年辐射量<3780MJ/m2。，其中主要包括了四川盆地、长江中下游以及贵州地区，这些地区因为日照较少、降雨和云量较多，成为了我国太阳能资源最不丰富地区。总体而言，前三类地区的年日照数都大于等于2200小时，同属太阳能资源丰富和较为丰富地区，面积占我国国土纵面的四分之三以上，四类地区由于条件限制，太阳能资源较少，利用价值相对较低。

现阶段常见的计算太阳总辐射的方法是利用估算方程得到基于基于日照百分率和天文总辐射的数学方程：

（1-1）

式中  Q——太阳总辐射;

Q0——天文总辐射;

S/S0——日照百分率，其中S为实照时数，S0为可照时数;

a，b——回归系数。

在式（2-1）中，提到的天文总辐射计算公式如下：

（1-2）

式中  T——周期（24×60×60s）;

I0——太阳常数（13.67×10-4MJm-2s-1）总辐射;

ρ——日地相对距离;

ω0——日落时角;

ψ——地理纬度;

δ——太阳赤纬。

利用逐项求和的方式，将每个月的日天文总辐射用Q0来表示。

在式（2-1）中，可照时数S0可利用下式计算得到：

（1-3）

式中  r——蒙气差，一般取34。

2. 电气部分的选型和设计理论

2.1 逆变器选型技术指标

作为太阳能光伏发电最为重要的部件以及系统设计中的关键部分，光伏逆变器的正常运行直接影响着整个发电系统能否正常工作，所以对于逆变器的选型，需要特别注意。逆变器的配置除了应该参考光伏发电系统的各项指标进行选定，同时还需要根据产品出厂时商家配备的操作手册和说明进行选定，一般需要考虑的技术指标包括了：

（1）额定输出功率

逆变器向负载端供电的能力称之为额定输出功率，额定输出功率越高则代表逆变器可以将更多的电量向负载端输入。在选定光伏逆变器型号的时候，首先就需要将额定输出功率考虑在内，应该选定可以满足最大负荷情况下设备对于负载功率的产生情况以及考虑扩容情况下，外接负载的功率大小。当线路负载的功率因数在0.9以上或用电设备的负载端是以纯电阻作为主要负载的情况下，选定的逆变器额定输出功率应该为用电设备总功率计算结果的110%至115%。

（2）输出电压的调整性能

光伏逆变器输出电压的稳压能力用输出电压调整性能来衡量。在选定该参数时，往往需要参考允许范围内的直流输入电压，将逆变器的输出电压波动偏差百分比计算出来，并将这一数值称之为电压调整率。同时有些高性能的逆变器还会同时给出零负载至满负载变化过程汇总，光伏逆变器输出电压的偏差百分比，并将这一数值称之为负载调整率。分别衡量光伏逆变器电压调整率以及负载调整率的指标是：小于等于±3%、小于等于±6%。

（3）整机效率

逆变器自身功率损耗情况用整机效率来表示。一般情况下，需要对于容量较大的逆变器额外给出不同负荷状态下工作的效率值，包括低负荷工作状态和满负荷工作状态。一般 kW 级以下的逆变器的效率应为 85%以上;10kW 级的效率应为 90%以上;更大功率的效率必须在 95%以上。由于逆变器的效率直接回影响到光伏发电系统的发电量以及承恩控制，所以一般选择光伏逆变器时，会优先选择整机效率较高的型号。

（4）启动性能

额定负载条件下逆变器的启动可靠性评价指标称之为启动性能，能够做到连续且多次在满负荷情况下正常启动且可靠性较强的光伏逆变器称之为高性能光伏逆变器，同时也是为了保证功率开关等器件和其他电路的稳定运行。而常见的采用软启动或限流启动措施的电路则会选用小型光伏逆变器。

2.2 光伏方阵的设计和布置

设计光伏方针的原则可以归纳如下：

（1）组串是由太阳能电池组件串联而得到的，组串的输出电压变化应该在逆变器正常工作的输入电压允许范围内。

（2）太阳能电池组件与逆变器的直流输入侧相连的总功率应该要超过设定的逆变器的额定输入功率，但是要在逆变器的最大输入功率允许的范围内。

（3）组串的最高输出电压应该在自身系统允许电压的范围内。

（4）电池板到逆变器的直流部分这段距离，应该采用尽可能短的线缆，这样不仅可以做到降低系统的功率损耗还可以降低线路的电流以及电压损耗。

根据《光伏发电站设计规范》中关于光伏子方阵串并联设计的GB 50797-2012标准规范，计算得到光伏组件数量为：

（1-4）

式中  Vdcmax——逆变器允许最大直流输入电压;

Voc——光伏组件开路电压;

KV——光伏组件开路电压温度系数;

t——光伏组件工作条件下的极限最高温度;

N——光伏组件串联数。

实际的施工设计中，还需要考虑方阵的布置方向以适应不同的环境变化。下图就展示了两种常见的光伏方阵布置方案，即竖向布置与横向布置，分别如图1-1 和1-2所示：

图1-1 光伏组件竖向布置的光伏电站

图1-2 光伏组件横向布置的光伏电站

就目前建成的光伏电站中，横向安装方式由于的成本较高且安装过程较为复杂，建设完工速度较慢等缺点而造成使用的场合较少。相比之下，采用最多的就是竖向布置方式，主要是因为安装技术成熟、安装过程简单且建设完工速度较快。但随着各光伏电站运行中经验总结，横向的安装技术已经相对成熟，另外，竖向或横向布置对发电量影响较大。具体如下：

（1） 前后遮挡造成电站发电量损失

电站的设计往往需要考虑到阵列的间距大小，作为设计中非常重要的参数，实际工程中，常会将阵列间距的设置条件假设为仅存在冬至日的6 个小时不遮挡。同时为了能够降低面积的占用率，需要在不同时段，对方阵进行必要的遮挡措施，以免造成不必要的电力损耗。因此，相同装机容量的电站，横向排布相比较竖向排布，阵列间距相对要小，占地面积减少，可以节省用地。

（2） 光伏组件都有旁路二极管

将串联支路中由于受到遮挡而造成无法进行光伏转化而只作为负载进行电能消耗从而产生热量损耗的现象叫做热斑效应。由于热斑效应而造成电路损耗过重的现象，可能会危及其他太阳能电池组件，为了能够将这种效应造成的损失降至最低，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一枚二极管，类型为旁路二极管，这样就可以避免因遮挡而造成无法进行光伏转化而只作为负载进行电能消耗从而产生热量损耗的问题发生。）旁路二极管的作用：当出现太阳能组件由于热斑效应引起的部分组件不能发电只能发热的状况时，起到旁路作用。使得有问题的组件所产生的电流能够从旁路二极管中流出，不会影响系统的继续运行，这样就消除了问题所产生的影响。

（3） 二极管在纵向遮挡和横向遮挡时的作用

使用竖向遮挡时，会使得阴影同时能够遮挡住三个电池串，如果此时将三个二极管全部放置为正向导通，那么此时的组件功率输出为0，如果此时三个二极管没能全部放置为正向导通，那么此时组件产生的功率会被电池消耗，但是此时组件的功率输出也表现为0。使用横向遮挡时，会使得阴影同时能够遮挡住一个电池串，此时二极管因为承受正压而正向导通，那么此时的组产生的功率会被电池消耗，另外2 个电池串可以正常输出功率。总结起来是，采用竖向遮挡，三个电池串可能会收到一定的影响而导致组件的输出功率为0;横向遮挡会使得一个电池串受到影响，保证另外两个电池组件正常运行。

计算两种遮挡方式，可以得到以下结果：采用竖向遮挡，组件的输出功率为0，采用横向遮挡，组件的输出功率为正常情况下的三分之二，横向遮挡对线路和组件起到了明显的保护作用。因此实际工程中，常采用横向排布用于太阳能电池组件的搭建，可以降低因为阴影遮挡面积减小造成的发电量损失的不良影响。

2.3 光伏换流器模型和基本控制理论

图1是使用了电压源式的光伏逆变装置的拓扑结构图，其中逆变器侧以及电网侧电感分别表示为Lk和Lgk。Rk和Rgk为线路上的逆变器侧和电网侧寄生电阻，R为直流母线上的限流电阻，Udc为直流母线电压，其中k=a、b、c。其拓扑结构如图1-3所示。

图1-3 光伏换流器的结构

图1-3中ilk

由图3的逆变系统含高次系数与不含高次系数的波特图对比可知，由于考虑到高次系数对于低频信号的影响较弱，将高次系数忽略，更新后的开环传递函数是：

（2-9）

（3）考虑到场区的情况以及实际工程经验，本设计的组串式逆变器是24个组件串联而成。采用光伏组件横向排布方式，水塘部分采用水面光伏形式，考虑当地台风影响采用横9 竖4 布置方式，组件随坡平铺。项目接入系统电压等级按110kV 考虑，光伏单元内共安装4800件245 W光伏组件，总共240串光伏组件，每20块分为一个单支，总共设计18个直流防雷汇流箱，按照每12至16个支路连接汇入防雷汇流箱，每台直流汇流柜接来自4～5個直流防雷汇流箱的汇总出线，最终再由250kW逆变器接入来自直流汇流柜的直流电。新规划一座 35kV 配电室，厂区内规划36 个子方阵，共计60MW。根据本工程性质、接入系统电压等级，电站应向海南中调、海南备调、海口地调发送远动信息，并接受调度部门的指令。选择《继电保护和安全自动装置技术规程》以及《电力装置的继电保护和自动化装置设计规范》作为本设计的继保配置参考手册。设计的复合控制策略，简化了坐标变换和解耦计算过程，加强了入网电流的控制能力，最终可以改善系统的动态稳定可靠程度，同时提升并网后的电流质量。系统总效率为81.632%。

3 展望

本设计参考了光伏发电系统基本设计理论、对光伏电场工程深入了解后，基于光伏电场工程地质分析以及系统的电气设计，虽然对海口电厂灰场光伏发电系统进行了深入的研究，但还有很多不足之处需要深入开展研究：

（1）应深入广泛的统计该地区历史气象数据和地址数据，预测得到更为准确的太阳能资源信息和岩土地址信息，为光伏电场后续运行提供数据基础。

（2）在现有设计方案的基础上，应深入探索可靠性更高、效率更高的太阳能组件与逆变器等元件的设计方法。

（3）在电气一次设计中，应配合网架结构，进一步加强光伏并网运行的稳定性，研究电网扰动时光伏的保护方法。

（4）应深入研究和优化现有控制策略，保证光伏系统并网稳定运行和故障良好响应。

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