光伏电站光伏区电气系统设计研究

文_杨敏 上海能辉科技股份有限公司

并网光伏发电就是电池板吸收太阳光能所转化成的直流电能经过并网逆变器逆变成交流电然后与公共电网相连，由电网统一调度并配电给用户。

本文针对并网型光伏发电项目（预计装机容量约为100MWp），详细介绍了太阳能电池板、智能直流防雷汇流箱、并网型集中逆变器等设备的设计和选型，并对预期能力进行了展望。

1 光伏组件选型

1.1 单晶硅、多晶硅组件

目前广泛使用单晶硅、多晶硅电池组件，且国内的光伏组件也主要是以晶硅电池为主。晶硅电池组件有很多优点，包括晶体硅光伏组件技术成熟；产品性能稳定；使用寿命长；电池转换效率高；组件故障率低；运行、安装简单方便等。

单晶硅和多晶硅的性能、价格都比较接近，但从控制工程造价的角度考虑，选择性价比高的多晶硅组件有一定的优势。同时多晶硅比单晶硅更节省能源，因此采用多晶硅组件更环保。本项目暂按325Wp 多晶硅电池组件进行设计。电池组件详细技术参数见下表。本项目采用高效325Wp 多晶硅光伏组件307700 块，总装机容量为100002.5kWp，详见表1。

表1 光伏组件技术参数表

短路电流温度系数 %/K 0.050太阳能电池组件效率 %16.8 10 年功率衰降 %≤10 25 年功率衰降 %≤20

1.2 逆变器的选择

按照容量大小，逆变器可分为集中型逆变器和组串型逆变器两种，集中型逆变器容量可达到兆瓦级别，而组串型逆变器容量一般在几千瓦到几十千瓦。两者的区别在于，集中型逆变器汇集的组串数目较多，一般在逆变器前端配置汇流箱、直流柜等进行两级分级，并且所汇集的组串一般只能同时进行最大功率跟踪；组串式逆变器汇集的组串数目较少，前端不需要配置汇流箱可直接接入逆变器。集中型逆变器适合不同组串遮蔽差异很小的情况，因此，本设计方案选用集中性逆变器技术途径。考虑光伏组件与逆变器的配合，同一串联的组件选用相同的系列。详见表2。

表2 光伏阵列组串配置表

组件与逆变器的配合：光伏组件的容量一般用峰值表示，峰值即最大的瞬时输出功率，实际的运行中，太阳能组件的输出功率值往往小于额定的数值。逆变器都有一定的过载能力，一般直流侧可超配10%左右，结合项目所在地的辐射、温度等条件，尽可能利用逆变器的容量。本项目暂时按照2MW集中型逆变器选择。

为使直流侧的光伏板尽量接近100MW，各方阵逆变器所接组串数不相同，详细配置如下：

逆 变 器 N 0 1 ～ N 2 6 ：2 0 片 ×3 3 4 串×325Wp=2,171,000Wp；

逆 变 器 N 2 7 ～ N 3 7 ：2 0 片 ×3 3 5 串×325Wp=2,177,500Wp；

逆 变 器 N 3 8 ～ N 4 3 ：2 0 片 ×3 3 6 串×325Wp=2,184,000Wp；

逆变器N44：20 片×330 串×325Wp=2,145,000Wp；

逆变器N45： 20 片×333 串×325Wp=2,164,000Wp；

逆变器N46：20 片×337 串×325Wp=2,190,500Wp；

组件安装的总容量：P=26×2171000Wp+11×2177500Wp+6×2184000Wp+1×2145000Wp+1×2164000Wp+1×219050 0Wp=100,002.5kWp。

2 光伏电站阵列设计

2.1 光伏方阵设计

本项目总容量为100MWp，初步设计由46 个光伏子阵组成，每个方阵按2 台1000kW 并网逆变器配置，根据对光伏组件安装方式经济性的分析和把控项目成本的同时，本次设计采用固定式支架安装。

2.2 光伏子方阵设计

逆变器采用2MW 集中型逆变器为主，根据逆变器的参数，在极端温度下，满足逆变器运行要求的情况下，选用325Wp 多晶硅组件，串联级数10 ～22，根据温度、湿度变化情况进行修正，确定选择325Wp 多晶硅太阳能组件，级数为20 块/串。整个工程光伏阵列由46 个光伏子阵构成，为防止直流侧超配，每个子方阵组件安装数量不同，总容量为100,002.5kWp。

在采用325Wp 电池板的情况下，固定安装的光伏子阵的单体模块由4 排组成，80 块组件的单体模块可以组成4 并组串，每MW 光伏子阵包含的组串数不同，总的组串数为15385 串。

2.3 支架安装形式和桩基础的选择和安装

太阳能光伏组件阵列支架形式为三角门型支架，采用表面强化处理，防腐寿命不低于20 年。支架和基础设计依据光伏组件规格型号、组件数量、组串布置形式来确定方阵的结构尺寸；同时根据工程地理位置及季节变化，确定太阳能光伏板的角度变化情况。经过现场考察确认该项目可使用螺旋状基础。施工方便的同时也能降低项目成本。

其前后排方阵的间距及倾角如图1所示。

图1 光伏支架典型布置图

前后排方阵的间距及倾角如图2 所示。

图2 方阵间距及倾角

方阵前后的间距可以根据以下公式计算：

式中L—阵列倾角面长度；

D—两排阵列间间距；

β—阵列倾角；

φ—当地纬度。

其中公式(1)的最佳安装倾角β可以根据中国的《光伏电站设计规范》中计算公式得出，本项目的最佳倾角是通过PYsyst 软件反复模拟，最终得到倾角在27°的时候发电量是最高的，与当地的纬度相一致，所以本设计中倾角选择27°。

2.4 阵列行、列距的选择

为充分接收太阳能能源，太阳能光伏阵面法线朝南，倾斜角度为27°。光伏方阵中列与列之间预留1m 宽的通道，以便于组件的搬运和以后的运行维护。为确保全面至少6 个小时的光照时间，本阶段前后两排光伏单列间距通过公式(1)计算出为2.5m。场区中需要设置6m 的行车道路来方便逆变器等大型设备的运输，方便运输检修。

2.5 方阵接线方案设计

防雷汇流箱选用16 进1出的汇流箱级数方案。一个方阵中共21 个汇流箱，10 个接入1 个1000W 逆变器，另外11 个接入另一个1000W 逆变器，共同组成2MW 的光伏方阵。其中组件至汇流箱小线及汇流箱至逆变器电缆均采用套管直埋的方式。本工程共配置46 台2000kW 逆变器。

3 电气方案设计

3.1 光伏场内主要电气设备选择

3.1.1 并网逆变器及就地升压设备

本工程选用2000kW 并网预制式箱体布置逆变器。采用一体式结构，节省占地，安装简便，施工周期短。

3.1.2 场内升压设备的选择

为节省占地、缩短工期及安装方便，本光伏区内升压设备采用箱式变电站模式，箱变内配置高压、低压柜，自用变及节能型升压变。箱变进出线均采用电缆方式。其设备参数如下：

(1)高压设备

技术途径选择“负荷开关+熔断器”这一成熟方案，可作操作电器使用，又可断开短路电流，能有效保护升压变压器。在升压变出口处配置带电显示器及避雷器，均安装在开关柜内。

(2)低压设备

低压设备配置三相断路器，三相电流互感器。另外配置浪涌吸收装置、电流表、电压表等。

(3)自用变压器

自主要用于升压设备内部操作电路、逆变器室照明、通风及检修电源等分系统的能源供给。

(4)升压变压器

升压箱式变压器采用分裂变压器，油浸式，容量为2000kVA，型号S11-2000/33，联结组别为D，y11，y11，阻抗电压为6.5%。

3.2 防雷、接地及过电压保护设计

太阳能光伏阵面工作于自然环境中，雷电成为重点防护手段，主要通过防雷保护机构、汇流环等组件，实现感应雷的有效防护。

逆变器安装于逆变箱房内，其输出端设置防雷装置，同时箱变的高低压侧均配置避雷器或过电压保护器，可实现防止雷电侵入波、操作过电压等故障。

光伏场区内应形成覆盖整个场区的主接地网，主接地网轮廓与光伏场区范围一致，且成闭合环状，并由横向和纵向的水平接地体形成接地网网格，在接地网边缘及内部应均匀敷设垂直接地体。

逆变房与箱变周围需敷设一圈均压接地网，并应与光伏场区主接地网不少于两点连接。箱变自带金属外壳，多处与均压接地网可靠连接，逆变房内所有屏柜均应可靠接地。

3.3 集电线路方案

本工程集电线路采用电缆连接方式。经过4 条集电线路连接到升压站中；4 条集电线路分别为：方阵1-12 为第一路；方阵13-24 为第二路；方阵25-35 为第三路；方阵36-46 为第四路。场区内电缆采用直埋方式敷设，根据光伏场内主接线串接逆变单元的数量以及逆变单元之间连接段的输送容量、经电缆载流量的计算分别确定不同截面的电缆，截面规格分别采用95mm2、185mm2、240mm2、400mm2。 33kV 电缆选用交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套钢带铠装三芯电力电缆。

本工程由每台箱变之间环接，最终接入升压站的进线柜中。按短路情况热稳定校验，本工程33kV 电缆选用交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套钢带铠装多芯电力电缆。同时，为了考虑站内电缆的防火要求，选择33kV 电力电缆为阻燃型电缆。

3.4 场内通讯

为满足光伏场内的通讯要求,在电缆敷设时同时敷设一根非金属光缆用于保证每组逆变单元之间与中央控制室保持通讯联络，以满足通讯的要求，推荐场内非金属光缆采用12芯光纤，该规格可满足光伏场内逆变单元的通讯需要。

4 结语

方案设计完成后，基于太阳能光伏组件的折旧速率，对该项目预期的发电量进行了理论计算：首年度的光伏电站发电量约为17.3 万MWh，后续逐年递减，20 年后理论值约为14.2 万MWh，20 年平均值约为15.7 万MWh。