大型光伏电站电气设计与分析

乔丽丽

(特变电工沈阳电力勘测设计有限公司，沈阳110025)

1 国内外光伏发展现状

近年来，国际上对太阳能的利用，无论是理论研究还是应用研究都取得了不小的进步，各国都将太阳能发电作为重点研究项目。据统计，到2050年，欧洲能源供给的100%将来自可再生能源，欧洲总电力装机将达到1956 GW，其中PV装机将达到962 GW。美国电力供给的80%将来自可再生能源，其中光伏总装机将达300 GW。到2030年，日本全国一半以上的居民用电都来自太阳能，电力装机容量快速增长。在光伏产业迅猛发展背景下，逆变器的技术水平也在不断提升。在太阳能光伏并网发电系统中，逆变器是最为核心的部件之一，它具有完善的并网保护功能，对系统安全稳定运行起到了积极的促进作用。从目前来看，相较于国内，国外制造的逆变器效率更高，容量更大。

我国光伏发电的国内市场已被启动，但在实施过程中却举步维艰。由于我国光伏发电站建设起步相对较晚，所以逆变器制造技术过于落后。很多设计单位不愿意将大量精力投入到光伏电站的设计上，因为光伏电站的投入成本与利润不成正比。为了帮助光伏产业渡过难关，政府相关部门应建立健全政策支持和管理体系，不断提高国内光伏电站的设计水平，将太阳能光伏电池的发电性能充分发挥出来，从根本上解决能源消耗问题。

2 太阳能资源

太阳能是世界上最为丰富的永久能源，在能源问题日益凸显的今天，太阳能光伏发电作为一种新兴的可再生能源而受到广泛关注。太阳能光伏发电系统是由蓄电池、光伏电池、交直流逆变器、控制器等部件构成的。蓄电池用于存储从光伏电池转换来的电力，光伏电池用于光电转换，交直流逆变器用于交直流转换，最大限度地把光伏电池转换的电能送入电网。控制器用于控制整个系统的全过程。相较于生物质能发电和风力发电，光伏发电没有噪音，没有枯竭危险，安全可靠，绝对干净。我国是太阳能资源相对丰富的国家，具有利用太阳能进行光伏发电的优越条件。按照接受太阳能辐射量的大小，我国大致上可分为以下五类地区：一类地区为太阳能资源最丰富地区，二类地区为太阳能资源较丰富地区，三类地区为太阳能资源中等类型地区，四类地区为太阳能资源较差地区，五类地区为太阳能资源最少地区，具体如表1所示。

表1 我国太阳能资源分布表Fig.1 Distribution list of solar energy resources in China

3 主要设备选择

光伏电站电气系统主要包括高压配电装置、通信装置、就地升压变、无功补偿装置、继电保护装置、站用电装置、主变压器、逆变器、低压配电装置、汇流箱、集电线路。本研究具体分析光伏组件、逆变器和汇流箱。

光伏组件。由于硅材料成本低，其已成为光伏产业的重要基础原材料。太阳能光伏硅材料通常分为以下三种：多晶硅、单晶硅、非晶硅薄膜。被光伏产业广泛应用的是多晶硅和单晶硅，非晶硅薄膜几乎处于停滞状态。但今后一段时间，这三类硅材料都将是光伏产业主要的原材料来源，具体如表2所示。

表2 多晶硅、单晶硅、非晶硅薄膜三类硅材料的太阳能技术性能Fig.2 Solar energy technical characteristic of three types of silicon material, including polycrystalline silicon, monocrystalline silicon and amorphous silicon membrane

逆变器。作为一种新兴的转换器，是太阳能光伏并网发电系统的核心设备。逆变器的效率直接关系到系统的发电量。光伏逆变器按运行方式可分为光伏并网逆变器和独立运行的光伏逆变器两大类。光伏逆变器按系统连接方式可分为微型逆变器、组串型逆变器以及集中型逆变器三大类。光伏逆变器按用途可分为微网储能逆变器、离网逆变器以及并网逆变器三大类。

汇流箱。作为一种接线装置，它不仅能够保证光伏组件有序连接，还能够保证汇流功能的接线。方阵连接盒包括过压保护功能、雷击保护功能、多路太阳能方阵并联功能以及太阳能电池过载保护功能。在设计选型时，要重点考虑温升、显示功能、安全、通信、浪涌、光伏组串过流保护、箱体结构、防雷、外壳防护等级因素。

光伏系统配置。要使光伏系统设计更加科学合理，必须充分考虑以下因素：组串设计、最佳倾角设计、组件性能、影响因素、光伏组件安装方式、前后排间距计算。

4 光伏电站电气设计

光伏电站电气设计主要包括地升压变、光伏电站发电单元、光伏电站集电线路接线方式以及升压站主接线方式的连接。合理选择主接线方案能够切实提升电站运行的安全性、经济性、稳定性。由于光伏电站集电线路的造价比重较大，所以在设计光伏电站集电线路时应科学选择集电线路电压等级和发电单元分组连接方式。电压等级一般会选择10 kV和35 kV。发电单元分组连接方式一般包括链形、环形、星形。从度电成本看，光伏投资的投资性不高，这在一定程度上阻碍了光伏发电的进一步发展。应在设计系统时对成本进行合理控制，提高光伏发电的市场竞争力。进出线回路数及其接线方式会随着各侧所接的系统情况发生变化。选择电气主接线时，应充分考虑操作简便性、运行灵活性、供电可靠性等。光伏逆变器和光伏组件是光伏电站电气设计时的重点选型设备，需要认真计算和分析光伏电站主接线方案。