基于组串型逆变器的光伏发电系统精细化设计

谭静波，王勋志，张四维

（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410000）

光伏电站分为并网和离网型[1]。逆变器是光伏发电系统里面的核心设备，光伏逆变器与普通逆变器的主要区别在于光伏逆变器具有最大功率点跟踪和低电压穿越功能[2]。光伏逆变器主要分为组串型、集中型和集散型3种。组串式光伏逆变器具有MPPT路数多、布置灵活、价格高等特点，分布式光伏电站中一般采用50 kW及以下的组串式光伏逆变器。本文以组串型逆变器为研究对象，利用多维度对比的方法，达到精细化设计光伏电站的目的。

1 系统设计

1.1 系统构成

基于组串型逆变器的光伏发电系统构成如图1所示，本文关键设备参数如表1所示。

图1 光伏发电系统示意图

1.2 设计原则

光伏发电系统设计始终围绕最小化度电成本（LCOE）进行，最小化度电成本等于生命周期总共成本比生命周期总发电量[3-4]。

1.3 组串设计

串联数：逆变器满载时MPPT电压最小值≤组件串联数×一块组件的开路电压≤逆变器最高输入电压。

并联数：组件并联数×组件串联数×组件功率×容配比≤逆变器的最大输入功率。

以西宁某地区（A类太阳能资源地区（最丰富等级），根据GB/T 31155—2014《太阳能资源等级总辐射》中的表1，A类太阳能资源地区全年辐射量≥6300 MJ/m2区间）为例，组件选用某产品（STC工况下峰值功率275 Wp，NOCT工况下峰值功率为205 Wp），组件详细参数如表2所示。

表1 主要设备参数表

表2 光伏组件参数表

光伏组件串联数量利用GB 50797—2012中的公式计算，再结合光伏组件布置、直流汇流、施工现场实际情况等因数，进行技术经济比较，合理设计组件串数。

根据NB/T 10128—2019《光伏发电工程电气设计规范》第3.3.1条的条文说明：光伏组件串联数量越多，同等安装容量下光伏组件的串联量越少，相应的汇流箱或组串式逆变器数量、直流电缆量越少，因此在满足串联计算公式条件下，串联数量尽量取最大值，并根据组件布置形式、接线方式及对支架用钢量影响，取综合成本低的串联方案；因此，组串数选择接近最大值（偶数）24串或22串，根据实际组件布置形式选择。

在校核条件下，当采用22组串联时，单个275 Wp多晶硅光伏组件可能达到的最高开路电压为38.4 V，此时光伏组件串的可能的开路电压为845 V，同理，24组串联时，此时光伏组件串的可能的开路电压为922 V，但考虑到此项目现场灰尘遮挡、组件衰减和不匹配性、线路损耗等因素，正常情况下考虑到直流端的压降损耗影响（3%～5%），实际逆变器输入端的电压值应小于逆变器最大功率点跟踪工作最大电压范围（1000 V）。

根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》附录B，倾角取36°（一般情况下，经济效益最佳倾角要比最大发电量倾角小4°～5°）。

1.4 排布设计

结合50 kW逆变器，选用24串能充分利用逆变器的容量。

24串常见的排列方式有竖向2 × 12或者横向4 ×12排布两种，如图2所示。

图2 组件横向布置图

根据GB50797—2012《光伏发电站设计规范》，光伏方阵各排、列的布置间距应保证每天9:00到15:00时间段内，组件的前后左右不被遮挡。但是其他时间段，组件被遮挡一部分时，能尽可能的减少遮挡造成的发电损失，是光伏发电设计需要考虑的。组件横向布置时，遮挡一部分组件，引起的发电损失较小，如图3所示，因此推荐横向4 × 12的组件排布方式，如图4所示。

图3 组件竖向布置图

图4 组件竖向、横向被遮挡示意图

从阵列占地面积和电缆平均成本方面考虑，竖向2 × 12排布和横向4 × 12排布的经济技术指标对比如表3所示。

表3 两种排布方式对比

由表可知，横向4排排布方式的阵列占地面积和电缆平均成本方面都较优，本方案推荐横向4排排布方式，后续章节涉及支架设计均按照横向4排的方式。

1.5 倾角设计

根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》附录B，并网系统推荐倾角取36°（西宁）。

以西宁某地区1.6 MWp单元为例，并网系统推荐倾角为36°，然而在倾角32°～36°范围内发电量差异不超过0.44%，土地利用率32°与36°相比提高5.16% 。

1.6 间距设计

光伏阵列必须考虑前、后排的组件，构筑物，建筑物等产生的阴影遮挡问题[5]。

本方案阵列前后排之间的空地间距的计算如图5所示。

图5 阵列前后排间距

1.7 电缆敷设设计

箱式变压器、逆变器及交流汇流箱的布置位置会影响电缆的敷设路径，进而影响系损耗及成本，组串型逆变器的光伏电站，电缆敷设方案如表4所示。

表4 电缆敷设方案比较

1.8 光伏子阵设计

1.8.1 光伏子阵布局

本设计以275 Wp组件为例，每22/24块组件串联为一个组串，每9路组串并联接入一台逆变器，每6台逆变器接入一台交流汇流箱；单元共32台逆变器经6台汇流箱汇流后接入容量为1600 kVA的箱变。单元布局设计如图6所示。

图6 1.6 MWp单元布局

布局说明：维护道路利用支架南北间距并适当加宽，提高土地利用率；只有一条电缆沟缩短施工周期，设备更集中便于后期巡检；箱变居于阵列中间、靠路边放置，便于箱变运输、安装、维护。

1.8.2 光伏子阵参数

光伏子阵参数如表5所示。

表5 光伏子阵参数

1.9 光伏子阵电气拓扑

光伏子阵电气拓扑图如图7所示， 每台逆变器接入9个组串，每个组串由22/24块组件串联；每6台逆变器汇入1台交流汇流箱，6 台交流汇流箱汇入1台变比为35 kV/0.54 kV、容量为1600 kVA的箱式变压器，最后并入电网。

图7 光伏子阵电气拓扑图

1.10 光伏子阵通信拓扑

每个光伏子阵配置一台智能通信箱，通过PLC模块实现与逆变器的通信，箱变、环境监测仪、电表等设备数据与智能通信箱的通信采用RS485方式实现，最终通过光纤环网方式上传至电站监控系统。1.6 MWp光伏子阵通信方案如图8所示。

图8 单元通信方案

1.11 光伏子阵系统成本

本文所选逆变器最大支持9路输入, 9路输入比8路输入方案设备利用率提高10%以上，系统电气设备成本可节省约0.04～0.05元/W，系统成本如表6所示。

表6 1.6 MWp光伏子阵系统成本

1.12 精细化设计

综上所述光伏设计精细化设计方案，以安装容量100 MWp的电站为例，一次性可以节省初始投资1192万元，如表7所示。

2 结束语

本文以组串型逆变器为背景，全过程阐述了光伏发电系统的精细化设计；对分布式光伏电站的设计项目具有很好的示范作用，同时，对基于集中型逆变器的光伏电站设计也具有一定的参考价值。

表7 精细化设计节表