分布式光伏发电系统电气设计分析

天津市政工程设计研究总院有限公司 胡继宗

1 引言

光伏发电是我国重要的战略性新兴产业，大力推进光伏发电应用对优化能源结构、保障能源安全、改善生态环境、转变城乡用能方式具有重大战略意义。而分布式光伏发电系统是一种高能效的发电方式，能够更大范围地提高组件的辐照面积，同时也能对配电网起到加强继电保护作用，从而保证光伏发电系统的长久与稳定运行[1]。与传统的集中式光伏发电系统相比，分布式光伏发电系统具有更高的灵活性、更小的投资、更快的建设周期和更好的环保性能。

然而，分布式光伏发电系统电气设计水平的高低直接关乎整个发电系统的运行效能和价值发挥[2]，在分布式光伏发电系统的设计和实施过程中，电气设计是一个至关重要的环节。在本文中，将从技术性的角度出发，对分布式光伏发电系统的电气设计进行深入的研究和分析，以期为分布式光伏发电系统的设计和实施提供有价值的参考和指导。

2 光伏发电系统设计要点

光伏发电系统的设计是分布式光伏发电系统电气设计的基础，其合理性直接影响到系统的发电效率、运行稳定性和经济性。

2.1 组件选型

组件选型是光伏发电系统设计中最重要的一环，其选取直接影响到系统的发电效率和系统的寿命。在组件选型中，需要考虑的因素包括组件类型、组件规格和参数、电站布置与阵列布局、逆变器选型、电缆布线设计、直流汇流箱设计、交流配电箱设计等七项。

2.2 光伏组件类型

分布式光伏发电电气系统对于元器件可选择单晶硅电池组件、多晶硅电池组件或非晶硅电池组件等[3]，其区别主要在于转化效率、价格和寿命等方面。根据实际需求和经济考虑，选择合适的光伏组件类型。

2.3 光伏组件规格和参数

光伏组件的规格和参数包括峰值功率、工作电压、工作电流、开路电压以及短路电流等。根据实际需求和电站布置情况，选择合适的光伏组件规格和参数。

2.4 电站布置与阵列布局

电站布置和阵列布局是光伏发电系统设计中另一个重要的方面，其合理性直接影响到系统的发电效率和经济性。在电站布置和阵列布局中，需要考虑的因素包括地形和地貌对电站布置和阵列布局具有重要影响。如在山地地区，应避免阵列布局悬崖峭壁或陡峭的山坡上，而应布置在山腰或山脚的平地上。太阳辐射条件是光伏发电系统设计的重要因素，应根据所在地的经纬度和气候条件，确定适宜的阵列布局和倾角。

阵列布局方式包括水平布局和垂直布局两种。水平布局适用于较小的电站，而垂直布局适用于大型电站，可以减小占地面积，提高利用率。

2.5 逆变器选型

逆变器是将直流光伏电池板产生的电能转换为交流电能输出到电网的核心设备，其选型也是光伏发电系统设计中一个重要的方面。在逆变器选型中，需要考虑的因素包括逆变器类型包括中央式逆变器、组串式逆变器和微逆变器等。中央式逆变器适用于大型电站，组串式逆变器适用于中小型电站和分布式光伏发电系统，微逆变器适用于小型电站或分布式光伏发电系统。逆变器效率和品质是影响系统发电效率和稳定性的重要因素。选择高效率和高品质的逆变器能够提高系统的发电效率和稳定性。逆变器容量应根据电站设计功率和组串电压等因素进行合理选择，以满足系统的输出功率需求。

2.6 电缆布线设计

电缆布线设计是光伏发电系统设计中一个重要的方面，其合理性直接影响到系统的安全性和运行稳定性。在电缆布线设计中，需要考虑的因素包括电缆类型和规格应根据电站设计功率和电流等因素进行合理选择，以满足系统的输出功率需求；电缆敷设方式和路径应根据电站布置和阵列布局等因素进行合理选择，避免电缆交叉或捆绑等情况；电缆敷设深度和保护措施应根据地质条件和环境因素等进行合理选择，确保电缆的安全性和运行稳定性。

2.7 直流汇流箱设计

直流汇流箱是光伏发电系统中的一个重要组成部分，其作用是对光伏组件进行串并联和输出汇流。在直流汇流箱设计中，需要考虑的因素包括直流汇流箱类型和规格应根据电站设计功率和光伏组件数量等因素进行合理选择，以满足系统的输出功率需求；直流汇流箱接线方式和路径应根据电站布置和阵列布局等因素进行合理选择，避免接线松动或短路等情况；直流汇流箱应具备良好的防水、防雷和防火性能，确保其安全性和运行稳定性。

2.8 交流配电箱设计

交流配电箱是光伏发电系统中的一个重要组成部分，其作用是将逆变器输出的交流电能分配到电网或负载中。在交流配电箱设计中，需要考虑的因素包括交流配电箱类型和规格应根据电站设计功率和负载需求等因素进行合理选择，以满足系统的输出功率需求；交流配电箱的接线方式和路径应根据电站布置和负载分布等因素进行合理选择，避免接线松动或短路等情况；交流配电箱应具备良好的防水、防雷和防火性能，确保其安全性和运行稳定性。

3 分布式光伏发电系统电气特性分析

3.1 电压与电流的变化特性

分布式光伏发电系统的电压和电流随着时间和光照强度的变化而发生变化，综合考虑不同类型的电能质量和电压等级[3]。在分布式光伏发电系统中，为了提高光伏电池的输出电压和电流，需要将多个光伏电池串联成光伏组，并将多个光伏组并联成光伏阵列。通过合理的光伏组和光伏阵列设计，可以使光伏发电系统在不同的光照强度和温度条件下都能够保持稳定的输出电压和电流。

3.2 发电功率特性

光伏发电系统的发电功率特性是指光伏发电系统的输出功率随着光照强度和温度的变化而发生的变化。在理想情况下，光伏发电系统的输出功率与光照强度呈线性关系，但在实际应用中，由于光伏电池本身的特性、阴影遮挡等因素的影响，光伏发电系统的输出功率与光照强度呈非线性关系。

3.3 电气性能指标

光伏发电系统的电气性能指标是对系统电气特性和性能的评价，对于系统的稳定运行和性能优化至关重要。

3.3.1 填充因子

填充因子（Fill Factor， FF）是指光伏电池组件在最大功率点时输出电压与电流的比值与开路电压与短路电流的乘积的比值，即：

式中，Vmp和Imp分别为光伏组件在最大功率点时的输出电压和输出电流；Voc和Isc分别为开路电压和短路电流。填充因子越大，表示组件输出功率越高，光伏组件的质量也就越好。

3.3.2 效率

光伏组件的效率是指单位面积的光照下，组件转换太阳能电能的能力，通常用百分比表示。光伏组件的效率受到多种因素的影响，如光伏材料、光伏结构和工艺等。

光伏组件的效率与光伏电池的光电转换效率（即将光能转化为电能的能力）密切相关。常见的光伏组件效率有单晶硅组件、多晶硅组件、非晶硅组件等，其中单晶硅组件的效率最高，达到了20%以上，非晶硅组件的效率最低，通常在10%左右。

3.4 可靠性分析

光伏发电系统是一个长期运行的设备，由于光伏发电系统的能量转换是受天气和环境等因素影响的，因此电站的损耗率是一个动态的指标，具有一定的波动性。为了提高光伏发电系统的经济效益，应该尽量减少电站的损耗率。发电系统中的负载，如空调、电视等，一般为感性负载，导致电流与电压不在相位，从而引起功率因数的下降，造成能量的浪费。因此，需要对发电系统进行功率因数补偿。此外，由于逆变器工作时会产生谐波，可能会对电网和电气设备造成影响，因此需要对谐波进行监测和控制[4]。

4 试验结果与分析

4.1 试验介绍

为验证电气设计方案的可行性和有效性，进行了一组试验，将电气设计方案应用于某分布式光伏发电项目的建设中，并对实际发电数据进行了收集和分析。将在太阳能光伏板和逆变器之间安装直流隔离器，以保护逆变器和其他电气设备免受过电压和过电流的损害。对系统进行配电设计，确保系统的稳定性和可靠性。使用一组光伏电池板，逆变器和电池来搭建系统。试验设备清单详见表1。

表1 试验设备清单

4.2 试验结果

在进行试验后，得到的结果为：系统的效率在不同光照条件下有所变化，但总体来说效率很高。系统效率测试结果详见表2。

表2 系统效率测试结果

逆变器具有良好的响应速度，能够快速响应不同负载的变化。逆变器响应速度测试结果详见表3。直流隔离器能够有效地保护逆变器和其他电气设备免受过电压和过电流的损害。配电系统的设计良好，系统的稳定性和可靠性得到了有效保证。

表3 逆变器响应速度测试结果

4.3 试验结果分析

一是系统效率受光照条件的影响，因此在实际应用中需要根据具体情况来选择光伏电池板和逆变器的型号和数量，以达到最佳效果。二是逆变器响应速度的快慢直接影响系统的性能，因此在选择逆变器时需要考虑其响应速度和负载能力。三是直流隔离器是分布式光伏发电系统中必不可少的一个组成部分，能够有效地保护逆变器和其他电气设备免受过电压和过电流的损害，提高系统的安全性和稳定性。四是配电系统的设计良好，能够确保系统的稳定性和可靠性。在设计配电系统时，需要考虑电流平衡、短路保护、过载保护等因素，以确保系统的正常运行。研究对分布式光伏发电系统的电气设计进行了试验分析，得到了具有实际参考价值的结果。未来可以在本研究的基础上进一步拓展研究内容，完善分布式光伏发电系统的电气设计，以更好地满足实际应用需求。

5 结语

本文主要从技术角度探讨了分布式光伏发电系统的电气设计方案。根据电站布置和阵列布局，选型逆变器、电缆、直流汇流箱和交流配电箱等关键设备，并进行了详细的参数计算和试验分析。经过试验结果的比较和分析，发现电气设计方案可以实现预期的发电效果，同时也能够满足电力系统稳定运行的要求。