干煤棚分布式光伏发电系统的设计

母雪东，刘景霞

内蒙古科技大学，内蒙古 包头 026000

0 引言

太阳能是当今社会人们最容易利用的能源之一，因为其具有清洁性且生产成本较低，在新能源领域备受关注。

同时，太阳能光伏发电不受地域限制，只要有太阳光便能源源不断地产生电能。但其稳定性和可靠性较差，不能作为单一源头为电网输送电能。基于火力发电输出稳定、运行可靠的优点，光伏发电可以和火力发电结合使用，如在火力发电厂煤棚上方铺设光伏组件。

具体而言，需要先对光伏的核心部件进行选型；由于在煤棚上方铺设光伏组件的安装方式比较特殊，还需要详细分析光伏组件的安装角度和布置方案，并设计一次接线方式。

1 硬件选择

1.1 光伏电池选型

光伏电池是光伏发电系统的核心硬件，目前国内市场上主流的光伏电池产品是晶硅型（含单晶和多晶）和非晶硅型光伏电池。两者的生产成本差不多，但是在发电效率上，晶硅型光伏电池的发电效率要比非晶硅型光伏电池高一倍以上。如果是同等规模的光伏发电系统，非晶硅型光伏电池的占用面积和组件支架数量也要高于晶硅型光伏电池。因此，晶硅型光伏电池在经济性上要优于非晶硅型光伏电池[1]。

某屋顶光伏工程项目光伏组件架设在煤棚屋面上方。由于装机容量受煤棚屋顶可利用面积限制，为尽量提高装机容量，宜采用转换效率较高的光伏电池产品。市场上主流的晶硅电池产品为多晶265 Wp、270 Wp和单晶275 Wp、280 Wp，两类电池的价格基本持平，但单晶硅电池的效率更高，因此采用单晶硅电池更为经济。单晶硅光伏电池组件的具体参数如表1所示。

表1 单晶硅光伏电池组件参数

1.2 逆变器选型

光伏并网逆变器是光伏电站的核心设备之一，其基本功能是将光伏电池组件输出的直流电转换为交流电[2]。光伏并网逆变器可以分为大功率集中型逆变器、小型组串式逆变器和集散式逆变器三种。其中，集中型逆变器更适用于均一场地，对于地势起伏较大或环境较为复杂的场地，易出现遮挡不均匀的问题；小型组串式逆变器的多路MPPT追踪功能使发电量有所提高；集散式逆变器结合了集中式、组串式逆变器的特点，将MPPT跟踪功能结合到了集散式逆变器的汇流箱内，使众多的汇流箱兼具MPPT跟踪功能，且逆变器箱体拥有集中式输出功能[3]。

案例项目光伏组件沿煤棚外层结构随坡就势布置，光伏组件倾角需与煤棚外层结构一致，因此采用42°、14°、0°三种角度布置组件。因为南侧大棚存在输煤栈桥、输煤综合楼、碎煤机室等遮挡物，且南侧大棚对北侧大棚产生遮挡，故采用具有多路MPPT跟踪功能的逆变器产品，将倾角及受遮挡情况一致的组件接至同一路MPPT，以尽量减少斜面辐射量差异及不均匀遮挡对发电量的影响。考虑到目前集散式逆变器产品的应用较少，故采用技术相对成熟的集中式逆变器产品。综合考虑各种逆变器的市场情况及经济性后，采用更具先进性的50 kW集中式逆变器，其参数如表2所示。

表2 逆变器参数

2 固定式方阵布置方案

2.1 不同倾角的年总辐射量计算

项目光伏组件采用42°、14°、0°三种角度安装，利用PVsyst软件可以计算最佳倾角。不同倾角下方阵面上的年总辐射量如表3所示。

表3 倾角变化时固定式方阵的年总辐射量

2.2 组件布置

干煤棚分布式光伏发电项目的场地为2个煤棚顶部，每个煤棚棚顶的装机容量都为2.75 MW，同一组件串中各组件的性能参数宜保持一致。可以根据《光伏发电站设计规范》（GB 50797—2012）计算串联数[4]，计算式如下：

式中：KV为开路电压温度系数；K'V为工作电压温度系数；N为串联数；t为极限低温，℃；t'为极限高温，℃；Vdcmax为直流侧最大输入电压，V；Vmpptmax为MPPT电压最大值，V；Vmpptmin为MPPT电压最小值，V；VOC为组件开路电压，V；Vpm为组件工作电压，V。

根据该地区光伏组件的工作条件，极限低温为-18 ℃，极限高温为40.9 ℃。

通过式（1）计算得到：N≤21.120 24；

通过式（2）计算得到：6.526 86≤N≤25.926。

光伏组件开路电压（VOC）为在STC条件下，辐照度为1 000 W/m2时的测试结果[5]。当气温达到多年极限低温时，辐射度通常远低于1 000 W/m2，此时的开路电压也低于STC条件下的测试结果，而组件串联能力高于以上计算结果。需要在不同辐射度下测试开路电压，计算组件最大串联数[6]，辐射度越低，在极限低温下的组件串联数越多。

为了达到技术经济的最优化，光伏发电站一般采用最大组件串联设计。如果使用上下两排布置的形式，每串组件数目取22，每22块280 Wp组件组成1个6.16 kWp的光伏组串。根据煤棚外形尺寸及结构形式，为了充分利用空间及节约光伏支架结构成本，光伏组件在煤棚外层坡面横向布置，在煤棚顶部风帽上方竖向布置，其布置形式如图1所示。

图1 固定式光伏方阵布置示意图（单位：m）

项目光伏组件沿煤棚外层结构随坡就势布置，煤棚共2座，形式一致，南北间距18 m，南棚标高比北棚低3 m，组件布置于两棚南面42°、14°坡面，以及顶部水平风帽上方。单个大棚的组件布置示意图如图2所示。

图2 光伏组件布置示意图

3 电气接线方式

根据棚顶光伏板分布的位置、容量和电厂内负荷消纳的匹配情况，拟采用10 kV电压等级，使用2个回路，分别接入脱硫岛10 kV配电室的2段独立母线。

煤棚棚顶拟全部采用组串式逆变器，共计采用112个组串式逆变器。光伏板直接接入组串式逆变器，出口电压暂定为520 V，平均4～5个逆变器配套1个交流汇流箱，合计每个煤棚约配套11个交流汇流箱。每个汇流箱配套“5进（单个断路器的额定电流为100 A）1出（出口断路器的额定电流为250 A）”共6个低压断路器，经交流汇流箱汇流。根据容量，每个煤棚配套1台3 150 kVA的三相双卷干式变压器，升压变压器采用紧凑型箱式变，10 kV箱式变压器升压经过中压开关通过直埋电缆接入位于场地南侧的脱硫岛10 kV配电装置。煤棚光伏系统接线图如图3所示。

图3 煤棚光伏系统电气接线示意图

4 项目的应用效果

项目利用封闭煤棚向阳侧屋顶布置安装光伏组件，主要应用效果如下。

（1）将常规拱形煤棚结构优化为三段直线结构，在煤棚的最长段光伏组件按最佳布置角度42°进行设计，可以最大限度地增强光伏发电能力。

（2）光伏组件产生的电力经升压变压器升至10 kV后，并入脱硫10 kV母线，在脱硫配电间实现平衡。通过计算分析，光伏发电系统容量比机组容量小，提供的短路电流小，光伏电能接入脱硫母线后，脱硫配电间10 kV侧短路水平在《电网规划设计技术原则》的允许范围之内，即能够确保光伏电能向脱硫系统供电的安全可靠性[7]。

5 结束语

光伏发电利用可再生的太阳能资源，符合国家产业政策和可持续发展战略，具有较好的社会效益。文章研究项目在屋顶上建光伏电站，可以节省大量土地资源。在充分利用太阳能的前提下，通过科学、合理地布置光伏阵列，能够产生较大的经济效益。随着社会的发展，能源需求将不断增长，我国化石资源已日趋紧缺。使用光伏发电，利用其可再生性，可以在产生能源的同时，减少其他资源和能源的消耗，保护生态环境，改善电力能源结构。