移动光伏系统的设计计算方法

袁 元，张海龙，葛玉石，周力民，郭 庆，唐春秀

(常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州213025)

0 引言

电网覆盖不到的偏远地区，目前仍采用传统的柴油发电机供电。柴发供电方式存在油料补给困难、利用效率不高，而且污染环境、噪声大、隐蔽性差等问题，既影响了人员休息、有害健康，也浪费了自然资源。为了改善这些不利因素，结合当地光照丰富的自然条件，光伏等新能源发电开始运用到这些供电场景中。但现有的光伏发电设备往往需要就地施工，结构复杂，不便于移动和转运。即便有少量的移动光伏系统，也多与车辆集成、光伏容量小［1］。或是简单存放于集装箱内，使用耗时耗力、供电的便捷性不足［2-3］。开发一种移动光伏系统投入到上述场合，将有效缓解野外供电方式单一的局面，提高野外设备的用电安全［4］。

1 整体概况

本移动光伏系统一般有两种典型的使用方式。一是将整套光伏系统安装于一个方舱中，对外为一路输出，光伏系统需要与单独的储能方舱配合使用。储能方舱的PCS 上设有多路光伏输入的接口，多个光伏方舱可以对接到同一储能方舱上。光伏方舱与储能方舱的数量可以灵活组合，以改变新能源的输入占比。二是将光伏、储能均集成在一个方舱内，使用更方便，但不便于扩展［5-7］。两种方式涉及到光伏系统部分的结构类似，本文按第一种方式举例展开讨论。

2 电气部分

电气部分是实现光伏方舱发电的功能载体，该部分由光伏板、汇流箱以及连接线缆组成。光伏板尺寸受到制造工艺、成本以及安装等因素限制，单块光伏板的电流、电压较小，难以满足用电负荷的功率需求。因此需要对光伏回路进行一定的串、并联设计，以提高光伏系统的输出功率。

2.1 光伏板参数

在标准大气质量 AM1.5、温度 25 ℃、辐照度1 000 W/m2条件下，相关参数如表1。

表1 单块光伏板参数

2.2 理想工作电流、电压

本文中，光伏方舱集成40 块小光伏板，均布在20 块组件上，即每个组件上安装有2 块小光伏板，最终一个光伏方舱对外只有一路总输出。

单个组件上装2 块光伏板，采用串联方式，电气参数：

20 块组件，采用“4 串 5 并”方式连接。将 20 个组件分成5 组，组内4 个组件连接方式为串联，组与组之间连接方式为并联，每串电气参数：

因此，光伏方舱对外总输出的电气参数：

实际光照下的工作电流会小于上述理论值，但工作电压差别不大。

2.3 理想开路电压

光伏板开路后电压会有所升高，经过一定的串联后电压升高值会被进一步放大，考虑到移动微电网系统的电气安全要求，须对光伏方舱的理想开路电压进行计算，以指导绝缘设计。本文中选用的单块光伏板开路电压升高倍数为39.9/32.6 = 1.22，由此可知：

单个组件的开路电压：

光伏方舱对外输出母线的开路电压：

实际光照下的开路电压与上述理论值差别不大。

2.4 汇流箱

为减少光伏电池阵列与PCS 之间的连接线路，优化系统结构，提高可靠性和可维护性，需在光伏电池阵列与PCS 之间增加汇流箱。本系统的汇流箱为5路输入、1 路输出，通过防雷器和断路器后输出，方便后级PCS 的接入。汇流箱由熔断器、接地端子、直流防雷器、直流微型断路器、面板插座、透气阀等部分组成。

2.5 系统接地

根据国标规定，电气设备外壳需有效接地。本文中在光伏方舱外壳上焊接螺柱作为接地点，光伏方舱外壳接地点、汇流箱接地点均使用接地线连接。汇流箱接地点需先接入汇流箱中的接地端子，然后将汇流箱的接地端子与光伏方舱外壳接地点等电位连接。最后将光伏方舱外壳接地点与地钉(大地或地网)连接，接地完毕后需测量接地电阻。

3 结构部分

移动微电网系统不同于传统的光伏发电设备，考虑到设备工作地点经常变更，故对设备安装与部署的便捷性有较高要求。为减轻设备的重量，便于操作维护，光伏方舱采用了大量的桁架结构［8］。由于系统工作在偏远地区，常有大风等恶劣气候条件，因此需要对关键支撑杆等部件进行校核计算，以确定方舱的安全性。要求的抗风压能力为：风速9.4 m/s(相当于5 级风力)条件下展开、收拢，风速20.7 m/s(相当于8 级风力)条件下稳定运行。

3.1 基本参数

单个组件质量：MZJ= 33 kg；光伏板与水平方向夹角：20°。工作风压：8 级，ω0= 0.276 kN/m2。安装条件：地面粗糙度为B 类。

风荷载标准值［9］：

上式中：βz为风振系数，取 1.0；μs为体型系数，逆风取-1.35，顺风取 1.35；μz为风压高度变化系数，取1.0。

3.2 受力分析

由于野外条件下风向变化较多，不同条件下支撑杆的受力各不相同，但是其最大受力不会超过几种典型的风向条件下的值，故本文仅对几个典型的条件进行设计计算。

(1)风垂直于光伏板向下吹时，支撑杆受力情况，受力情况如图1 所示。结合实际工作状态简化分析，且认为左杆、右杆受力方向为杆的轴向，风力方向垂直于光伏板，单侧光伏板有两组支撑。

图1 光伏板展开后受力图(风力向下)

单块组件的外形尺寸为1.6 m × 2.1 m。

此种工况下，支撑杆件受力压缩。根据GB50009-2012 选取使被分析对象受力较大的安全系数，风力的安全系数取1.4，重力安全系数取1.2，故：

以光伏板中间铰链为节点：

右侧：

左侧：

即 F左杆= 1.33 kN

从而，F杆max= F左杆= 1.33 kN

(2)风垂直于光伏板向上吹时，支撑杆及绳子受力情况，受力情况如图2 所示(简化计算，设绳子与地面夹角为45°，单侧光伏板有两根绳子，右杆不受力)。

图2 光伏板展开受力图(风力向上)

此种工况下，左支撑杆件受力压缩，绳子受力伸长。根据GB50009-2012 选取使被分析对象受力较大的安全系数，风力的安全系数取1.4，重力安全系数取 1.0，故：

右侧：

左侧：

从而，F绳子= 0.86 kN，F左杆= 0.91 kN

(3)当一侧光伏板展开，另一侧光伏板未展开，风垂直于未展开侧光伏板吹时，该侧绳子受力情况，见图3、图4：(简化计算，设绳子与地面夹角为45°，单侧光伏板有一根绳子)

图3 光伏机构抽出图

图4 光伏机构抽出受力图

同上，风力安全系数取1.4，故：

第一级：

第二级：

(4)当一侧光伏板展开，另一侧光伏板未展开，风垂直于集装箱侧壁吹时，为校核集装箱的抗风能力，分析光伏舱箱壁受力情况(简化计算，不考虑绳子拉力)：

同上，风力安全系数取1.4，重力安全系数取1.0，集装箱和第一、二级光伏板的相关尺寸如图3、图5 所示，故：

重力力臂L1= 0.75 m(质心到侧壁距离)；风力力臂L2= 1.05 m(箱高一半)

则风力对网络光伏舱倾覆力矩T1为：

T1= F风力× L1= 10.56 × 1.05 = 11.08 kN·m

网络光伏舱自重抗倾覆力矩：

T2= W总× L2= 16.66 × 0.75 = 12.5 kN·m

得T1＜T2，所以光伏舱能满足抗风要求。

(5)舱门所受风力大小计算

风力是面力，在单位面积上均匀分布，所以它合力的作用点在门的几何中心，舱门受风力示意图如图6 所示。

图5 光伏舱倾覆受力图

图6 舱门受力图

最大舱门面积：A = 1.126 × 1.814 = 2.04 m2

同上，风力安全系数取1.4，故：

则，F开门力= F风力/2 = 0.53 kN

一般成年人的臂力是300 ～600 N，因此，在5级风力下开合电站各门所需的力在一般人的臂力范围之内。

由上计算得知，方舱能在5 级风力下展开收拢。

4 野外调试

某次野外调试，系统由储能方舱、光伏方舱两部分组成，数量各为1 套。环境为离网无市电、 储能SOC 储备较高、有光伏输入，记录风速为7-8 级风。

早上，储能方舱上电开机，按相应控制策略成为主机，设备网络编号为5。网络中无油机方舱或其它储能方舱接入，在线设备数量为1。由于有光伏输入，无负载(显示运行设备为0)，储能运行于逆变带载、待供状态，系统按“充电模式”运行。此时光伏输入功率为6.9 kW，对储能电池充电，由于显示精度、零漂、损耗、SOC 容量较高充电功率限制等原因，显示电池充电功率为-4.5 kW，储能电池SOC 为89%。“-”为电流的方向，含义为电池处于充电状态；如果不带符号，则含义为电池处于输出状态。由于早上光照较弱，光伏发出了额定功率的58%。

图7 光伏对储能充电界面

5 结语

光伏板经“4 串5 并”方式连接后，方舱对外输出母线的电压为260.8 V，电流为45.95 A，理想工作条件下的输出功率达到12 kW。经设计计算，本文中的光伏方舱在8 级风力下正常工作时，支持杆的最大受力为1.33 kN，防风绳的最大受力为2.9 kN。方舱可以在5 级风力下完成部署，方舱自重可以满足在8级风力下的正常工作而不发生倾覆。最终经野外调试运行，本光伏方舱具有可行性，运用到移动微电网系统可以有效提高新能源发电的比例，改善离网地区的供电结构。