光伏电站电气设计的实际应用

文/徐 群

社会的高速发展背后需要巨大的能源支撑。截至目前，一次性能源如煤炭、石油等消耗巨大，再生耗时久。光伏发电作为当前世界重要的新型能源生产方式，具有可再生、环保、高效等特点，可有效解决能源稀缺的问题。本文研究了电气设计在光伏电站中的实际应用。

1 光伏并网系统概述

1.1 光伏组件

光伏组件是光伏系统的重要设备之一。光伏组件利用光生伏特的特点把太阳能直接转化为直流电能，将能源转换变为可能。其主要分3种类型：单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、薄膜光伏组件，优缺点各不相同。晶体硅太阳电池，优点是安全性高，技术较为成熟，且应用范围广，价格相对低廉，效率较高，但缺点是在大气与光照环境下，会出现电池能量衰竭的问题。薄膜光伏组件效率高，性能更加稳定，但是原料稀缺，大规模生产具有较大困难。目前，硅胶材料价格大幅下跌，且硅晶组件技术成熟，因其超高性价比在市场占有率达80%以上，使得薄膜光伏组件技术几乎不再发展。单硅晶电池使用单晶硅硅棒生长工艺，效率较高。多晶硅的生产则使用多晶硅铸锭工艺，其生产工艺基本与单晶硅一致，效率略低于单晶硅，但更节约硅原料，使效率与工艺成本达到了一个平衡。目前，市场数据显示，我国主要生产的晶硅太阳能组件规格多为245 ～ 315Wp ，多应用于大型并网光伏发电系统。光伏电站应选择效率高、大功率的光伏组件，在提高系统效率的同时最大限度地降低造价。

1.2 逆变器

逆变系统包括逆变器与其保护控制电路。其中，光伏并网逆变器是光伏系统的核心设备。由于光伏并网逆变器可以将光伏组件产生的直流电能转换为交流电能，故在极大程度上，逆变系统的质量影响着光伏系统整体的运作效率。根据光伏逆变器的内部电路的结构、功率以及应用地点的不同，将光伏逆变器大体分为3类：微型、集中型、组串型。由于光伏电站较少运用微型逆变器，另两类系统组成如下：

（1）组串型逆变器：逆变器，光伏组件，交流配电，直流电缆，电网。

（2）集中型逆变器：逆变器，光伏组件，直流汇流配电，交流配电，直流电缆，汇流箱，隔离变压器，电网。

逆变器选择需遵循以下原则：

（1）高效率，性能稳定。

（2）安全性高，具有保护功能。

（3）具有数据采集与监控功能。

（4）功率因数尽量高，波形畸变尽量小。

综上所述，逆变器作为光伏系统的核心设备，须根据其具体应用地点、电站大小等具体因素选择，以达到提高发电量、降低系统成本的目的。

1.3 光伏汇流箱

集电线路分为直流线路、直流配电柜、防雷汇流箱3种。其中，直流线路可以将直流电能通过电缆载流直接传输到逆变系统；防雷汇流箱和直流配电柜则主要负责汇流，将分散线路汇流后集中传送到逆变系统。光伏电站较常使用防雷汇流箱，又名光伏汇流箱。光伏汇流箱可减少光伏组件与逆变器间的连接线，方便维护，可靠性高，可与光伏逆变器配套组成完整的光伏发电系统解决方案。光伏汇流箱可根据逆变器输入的直流电压范围，将一定数量的、规格相同的光伏组件串联组成一个光伏组件串列，再将若干个串列接入光伏汇流箱进行汇流，通过防雷器与断路器后输出，方便了逆变器的接入。

为了保障人身安全，降低危险性，光伏汇流箱的安装、使用须遵循以下原则：

（1）需满足室外安装的要求。

（2）同时可接入16路太阳电池串列，每路电流最大可达10安。

（3）配有光伏专用高压防雷器，正极负极都具备防雷功能。

光伏汇流箱安装维护方便、简单，使用寿命长，能满足电站的使用需求。

1.4 升压系统

依据光伏系统大小可将升压系统分为一级升压与多级升压。分布式光伏系统大多采用一级升压即可接入，大型地面电站则可使电流经子方阵逆变升压后汇入主变压器升压至110千伏、220千伏或者330千伏,再接入主网，完成多级升压。

1.5 接入系统

接入系统是连接电网系统与光伏系统的通道，作为光伏系统较为重要的部分，需经由专业电力部门批准才可接入光伏系统。目前，接入困难是光伏电站中较难解决的问题之一。

（1）选择光伏电站接入系统的首要原则是满足本地负载需求，在此之后才可将多余电能输入电网。公用电网分配与传输网力过程中必然会产生能量损耗，且我国的电网传输能量损耗较大，故对于光伏发电系统所发出的电能，基本原则是减少能源传输，尽量就地产生，就地消耗，提高能源的利用率；尽量保证光伏发电系统发出的电可优先满足系统内负载需求；尽量使光伏发电系统的发电曲线和负载的需求曲线相一致，最大限度地提高电能的利用效率。

（2）中型光伏发电系统通常会选择一个集中并网点，但是大型光伏发电系统则可根据实际需要选择两个及以上并网点，以提高系统运行的可靠性。

2 光伏电站电气设计应用

2.1主接线设计应用

在设计光伏电站的主接线时，工作人员需综合考虑电站装机大小、场站布置、接入系统的主要方式及电气设备特点等。当光伏电站以35千伏或者更高的等级进行升压时，通常其内部接线有1级或2级升压的情况，此时，需从经济性与技术性两方面出发进行分析。光伏电站只需使用恰当技术，即可从外网引入电量。

当光伏电站规模、占地面积较大时，电缆降压也较大，其选取的电缆截面也较大，此时，逆变区内用电将从箱变低压侧进行接引，两个相近的箱变可作为彼此的备用装置。当光伏电站规模较小，占地也较小时，在其逆变区内，符合用电且使用低压配电装置接引即可。

2.2防雷接地设计应用

光伏电站的防雷设计应在遵循法规、规范的前提下，根据其内部、外部情况综合考虑，是光伏电站电气设计的重要一环。其具体防雷设计须注意以下两点：

（1）直击雷防护。在并网发电过程中，光伏设备如电池组件等分布十分广泛，且高度差别较小，若设置独立避雷装置保护的范围过小，大量设置又将大幅提升建设成本，不符合经济性，且由于占位较多，易设计不当，导致出现遮蔽阳光、降低发电效率的情况。光伏阵列属于三级防雷建筑物，可以使用金属构架连接的方式，故可以有效连接方阵支架上的所有金属结构、所有电池组件与接地网，通过此种连接方式实现防直击雷。

（2）感应雷防护。光伏电站中的防感应雷系统主要工作就是防止感应雷通过外界线路入侵室内设备，感应雷由静电感应与电磁感应产生，由于其形成感应雷电压的概率较高，故对建筑内设备威胁较大，需重点防范。感应雷主要通过以下两个途径侵入光伏系统：第一，由光伏系统组件方阵直流线路侵入；第二，由交流并网供电线路侵入，设计时需从以上两点入手。

在设计大型并网光伏电站电气设计时，电站的防雷接地设计极为重要，可在箱式变电器高压侧放置避雷器，避免箱式变电站耦合过电压问题的同时，预防感应雷导致的过电压对光伏电站中的设备产生破坏。

2.3电缆敷设设计应用

大中型光伏电站的规模较大，其内部各区域光伏发电母线与发电模块如采用辐式连接，可将各区域发电模块发生故障时的损失降至最小，但却增加了开关柜及电缆数量。采用“T”式连接，可以较大程度上节省开关柜及电缆数量。工作人员可根据具体经济技术情况确定集电线路数量。

部分丘陵及山地的光伏电站需采用综合的敷设方案，如电缆桥架加直埋敷设，电缆桥架可顺地势敷设，利用了地形优势，但为保护电缆，其桥架最好采用玻璃钢桥架或镀锌桥架。平地的光伏电站光伏阵列区域电缆则宜使用直埋敷设，直埋应设置于冻土之下，地面光伏电站多位于西北区域，冻土多且深，进行直埋时工程量巨大。此种情况采用耐寒电缆较为合适，在由冻土层向非冻土层敷设时加装电缆保护管，用以保护电缆不受损害。这样操作可以在保护电缆安全运行的同时，减少工程的经济压力。

2.4光伏阵列支架设计应用

光伏支架直接决定着电气设计的使用效率，影响光伏组件的运行安全、建设耗资及破损率。当前，大型地面光伏电站光伏支架可选用两类：固定倾角式与逐日跟踪式。逐日跟踪式的效果与太阳辐射的散射辐射关系密切，散射辐射比例越大，其效果越差。但其灵活性更强，可以使光伏方阵表面按照太阳运动规律进行活动，可接收更多的光能量，提高发电量，减少光伏组件的使用量，降低工程建造成本。而固定倾角式比跟踪式单体的经济性更高。其组装后组件倾角与方向不能调整，较为死板，当太阳光无法很好地照射方阵时，也无法进行活动，需布置多个、多方向。故在选择光伏电站光伏支架， 从电站自身情况考虑才能最大限度地降低工程成本，提升发电效率。如光线较好，方阵处可长时间大面积受到阳光辐射时，采用固定倾角式将合理地降低工程造价；若光线变化情况较大，方阵无法在一个方向长时间大面积接收阳光辐射时，选择逐日跟踪式则更有利。

3 结语

当前，我国电网建设水平显著提升，但由于能源短缺，我国对于光伏电站的建设十分重视。光伏电站电气设计的优化，将提升光伏发电效率，促进能源的可持续发展，进一步推动社会化进程。