分布式光伏发电系统电气设计分析

王 珏

（国网黄石供电公司， 湖北 黄石 435000）

0 引言

我国电力资源分布不均匀，许多偏远地区不具备集中式发电的条件，依靠架空线缆进行电力资源的远距离传输，不仅造成电力资源的浪费，而且集中式发电无法根据外界电力负荷的变化而实时改变。为解决用电负荷不能灵活切换而引起的电力运转成本增加的问题，有效提高电力资源的利用率，分布式光伏电站应运而生。我国的光伏发电技术仍处于发展阶段，由于缺乏经验，设计人员还没有掌握光伏电站电气设计及安装的技术要点。另外，光伏发电站的电气设备部件均是精密度要求较高的材料，如果不能正确选择设备及材料型号，就会导致电气设备及部件的质量不符合要求，进而造成光伏电站频繁发生设备故障[1]。因此，对分布式光伏电站电气系统进行全面的设计分析和研究，以便提高电气系统的性能，保证其运行质量。

1 光伏电站系统的构成及工作原理

光伏电站系统主要由光伏组件、汇流箱、交直流逆变器、配电箱、监控控制系统和安装支架等组成[2]，如图1 所示。其工作原理为：光伏电池采用串联或并联方式，以一定的角度在光伏支架上进行安装，组成光伏阵列，最大程度上吸收太阳量，并将太阳量转化为直流电，通过汇流箱进入逆变器。在逆变器中逆变为交流电后，输送到主电网中。监测仪可以对系统的实际发电、用电情况进行跟踪记录、显示和储存等，并对输入主电网的电量进行统计[3]。

图1 分布式光伏发电系统的主要原理结构

2 分布式光伏发电系统电气设计要点

2.1 接入方案设计

根据《分布式电源接入系统典型设计》的内容要求，合理设置并网点总数及箱式变压器容量，在满足基地自身用电的基础上，将剩余电量接入电网，提高电能资源的利用效率。

2.2 电气主接线设计

在进行光伏电站电气主接线设计过程中，工作人员需要综合考量光伏电站设计的装机容量、系统接入方式、枢纽布置情况和具体的设备特点等，在此数据上完成电气系统接线方案的初步拟定。此外，电站主接线的设计还必须满足接线简单、便于操作、运行灵活等条件，方便后期作业人员的操作及维护检修。

2.3 主要电气设备选择安装

2.3.1 光伏电池选型

目前市场上流行的光伏电池主要有两种，一是薄膜电池，该类电池价格便宜、成本低廉，环境适应性强，缺点是转化效率不高。另一种是晶硅电池，安全性好、热稳定性强、易于维护、寿命长，且能量转化率较高，占据大部分光伏电池市场[4]。在环境温度正常情况下，晶硅电池工作功率输出为每包60 W～280 kW，从输出功率、用电成本等角度出发，选择200 kW 的多晶硅电池，其基本性能参数如表1 所示。

表1 200 kW 多晶硅电池性能参数

2.3.2 光伏电站滤波器选择

为提高光伏电站运行质量，保护光伏系统中各设备部件不受电磁干扰，需对光伏电站并网接入系统的滤波器进行设计。在光伏电站接入系统中，由于外界环境的影响，辅助逆变器、开关电源工作频率等都会引起谐波电流，对光伏电站接入系统运行造成一定影响。滤波器可分为L 型、LC 型和LCL 型三种类型，不同型号的滤波器差异很大，各具特色，需要根据光伏发电现场的实际工况进行合理选型。

如果光伏电站接入系统的发电量较低，可以选择L 型滤波器或者LC 型滤波器。如果光伏发电接入系统的发电量较高，则需要选择LCL 型滤波器。对于L型和LC 型滤波器而言，其采购价格较高、且滤波效果不太理想，不利于整个光伏电站接入系统及主供电电网的平稳可靠运行。

2.3.3 光伏电站逆变器选择

逆变器是整个分布式光伏电站接入系统设计当中最为关键的备件，可以对不同电压进行逆变，提高电网需要的电压值，对分布式光伏电站并网系统的电能质量有重要影响。选用逆变器部件时，需要统筹考虑其容量、工作电压、工作电流、谐波电流及输出功率等环节的技术要求，按照分布式光伏电站并网系统的实际情况进行逆变器的采买。当逆变器遇见不并网故障时，经常发生在与电网未正确连接的情况下，主要排查交流开关是否闭合。若闭合，则查看连接逆变器输出口的线缆是否松动，并采用数字式万用表对此处电压进行测量。若无松动，则检查逆变器输出口与电网的连接处是否存在虚接或脱落现象。在有电检查过程中，要穿戴好劳保防护用品，切勿用手直接接触电线及端子排，避免意外触电，对作业人员造成伤害。

此外，为了充分保障分布式光伏电站发电系统的运行质量，提高作业效率，要合理选择分布式光伏电站电网接入点的电压。一般情况下，分布式光伏电站接入点额定电压范围是89%～115%。因此，需要通过交直流逆变器来对接入电网的电压进行相应调节及控制[5]。同时，根据分布式光伏发电系统的实际应用情况，电网的频率需要恒定在断点。若无松动且电压数值在110～220 V 区间之内，说明此处线路无问题。在运行过程中，一旦超出49.5～50.5 Hz 频率区间，立即切换到逆变器运行模式。

2.3.4 主变压器选择

以湖北黄石某光伏电站为例，对主变压器选择进行说明。该项目基于11 个村级电站用电总容量，对子方阵容量进行科学配置。该项目所处地域内地下有很多光缆及水沟，将该地段划分为分散的很多区域。为了适应此地段不规则的地形，实现地形空间最大化利用，避免电力资源浪费，故选用1.2 MW、1.45 MW、1.8 MW 和2.2 MW 光伏电站子方阵。

考虑到逆变器的输出电压值较小，倘若光伏电站的矩阵选取的功率较高，将导致升压变压器单侧工作电流过大，从而造成线路能量损失较大，增加了设备选型的难度，故不采用容量较高的子方阵。为保证系统的供电安全性，建议选择主变压器多个子系统的安装方案。各子方阵容量如表2 所示。

表2 子方阵容量及箱变分配表

为降低成本，增加经济效益，在分布式光伏发电系统并网设计时，相关人员必须慎重选择电压等级，避免资源浪费。目前市场上常见的分布式光伏发电站配置主要有三种：小型光伏电站所选择并入的配电网一般是低压电网（0.4 kV），中型光伏电站所选择并入的配电网一般是中压电网（10～35 kV），而大型光伏发电站所选择并入的配电网级别一般高于110 kV。设计人员应结合所在电网实际情况，秉承保证运行质量、提升经济效益的原则，合理选择并网电压等级，若高低两种等级的电压都与光伏电站匹配，则首选为低电压并网方式，既能最大限度保障光伏电站发电系统的工作效率，又能充分降低经济成本。

3 经济效益分析

该分布式光伏发电200 kW 并网电站实际投资情况如表3 所示。

表3 200 kW 光伏电站投资成本

假设光伏系统发电效率为80%，则该单位年发电量为209 484 kW·h。随着设备使用时间的增加，设备会有一定程度折损，若将光伏电池组件质量按生命周期内总折的20%进行计算，25 a（光伏设备的使用总寿命）内总发电量为41 890 000 kW·h。

依据当前的实际使用情况，该单位5：00—17：00时段电价为1.2 元/（kW·h），按照光伏系统年衰减幅度为0.4%计算，只需2 年就可收回投资成本，如表4所示。此后服务期间，可有效节省电费，具有较高的经济效益。

表4 200 kW 光伏电站经济指标

4 结语

文章介绍了光伏电站系统的构成及工作原理，探讨了光伏电站电气系统的接入方案设计、电气主接线设计、光伏电池、光伏电站滤波器、光伏电站逆变器和主变压器等电气设备的选型等的关键设计要点，从根本上保证分布式光伏电站总体运行质量，在提高用电体验的同时，也提高了光伏电站的经济效益。