大型光伏发电站电气设计分析

中国电建集团贵州工程有限公司 曹 操 韦廷辉

1 引言

光伏发电作为清洁能源领域的重要组成部分，正逐渐替代传统能源。大型光伏发电站作为光伏发电的核心形式之一，其电气设计是确保系统安全、高效运行的重要环节。本文旨在进行大型光伏发电站电气设计分析，通过深入探讨电气负荷需求、主变压器和配电系统设计、直流和交流电气系统设计，分析电气系统性能，为电气设计提供指导和优化建议。

2 光伏发电站的构成和工作原理

光伏发电站是一种利用光伏效应将太阳能转化为电能的设施，主要由光伏组件（太阳能电池板）、支架和跟踪系统、逆变器、电缆、配电系统和电网连接等组成，如图1所示。

图1 光伏发电站的构成

光伏发电站的工作原理是通过光伏效应将太阳能转化为电能。当太阳光照射到光伏组件上时，光能被光伏电池吸收，激发电子从价带跃迁到导带，产生电流。直流电流经过逆变器的转换和调节后，可以输出为交流电，供电网使用[1]。

3 电气设计要点

3.1 电气负荷需求分析

3.1.1 发电站负荷特性

发电站的负荷特性为电气设计提供准确的负荷需求数据和信息，指导主变压器、配电系统、直流和交流电气系统的设计和容量规划。同时，帮助制定合理的负荷预测方法，以便及时调整发电站的运行策略和管理措施，实现高效、稳定的电力供应。

3.1.2 负荷预测方法

准确的负荷预测方法可以帮助优化电气设计，合理规划电力设备容量，并确保发电站的稳定运行，常用的负荷预测和估算方法见表1。

表1 常用的负荷预测和估算方法

3.2 主变压器和配电系统设计

3.2.1 主变压器的选型和参数设计

在进行主变压器的选型和参数设计时，根据负荷需求和预测结果，确定主变压器的额定容量满足发电站的负荷需求，同时考虑未来的扩容和负荷增长。根据发电组件的输出电压和电网的接口要求，确定主变压器能够实现有效的电能转换和适应电网的电压要求。选择具有较高效率的主变压器，减少能源损耗和运行成本，提高发电站的经济性[2]。根据主变压器的负荷和环境条件，选择适当的冷却方式，例如自然冷却或强制冷却。

3.2.2 配电系统的拓扑结构和保护设计

配电网的设计和优化涉及多个方面，包括拓扑结构、配电设备选择、短路电流计算、过载保护、短路保护、接地系统设计以及遥控与监控系统。其中，较佳的拓扑结构根据发电站规模、负荷需求、系统可靠性和运行灵活性确定。配电设备选择需要考虑负荷需求和电气系统要求，确保设备满足需求并且能够安全运行。短路电流计算用于选择适当的保护装置和设置保护参数，确保系统安全运行。过载保护根据负荷和设备容量确定触发条件和动作时间，防止设备过载损坏。短路保护根据短路电流计算结果，确定动作时间和灵敏度，快速切断故障电路保护设备和系统。接地系统设计确保电位稳定和人身安全。遥控与监控系统实现远程监控和控制，及时发现故障和异常。

3.3 直流电气系统设计

3.3.1 光伏组件串并联方式

在光伏发电站中，需要将串联和并联方式结合起来，形成串并联混合连接,如图2所示。通过将多个串联组件组成一个串联单元，再将多个串联单元并联连接起来，实现更高的电压和电流要求。

图2 光伏组件通过串联和并联形成

3.3.2 直流电缆设计和布置

直流电缆在光伏发电站中用于传输光伏组件输出的直流电能，在进行直流电缆设计和布置时，需要综合考虑电缆选择、电缆截面积计算、电缆长度和布置、电缆保护和绝缘、接头和连接、标识和标注、系统接地等要素，进行合理的直流电缆设计和布置，满足光伏发电站的电能传输需求。

3.3.3 直流汇流箱设计和参数选择

直流汇流箱是光伏发电站中用于收集和分配光伏组件输出直流电能的重要组件，设计合理的直流汇流箱可以确保光伏系统的稳定运行和高效发电。在进行直流汇流箱设计和参数选择时，需要考虑电流容量、电压等级、输入和输出连接、过电压保护、温度控制、电缆管理、可靠性和安全性等因素[3]。

3.4 交流电气系统设计

3.4.1 逆变器选型和参数设计

逆变器类型：根据系统需求和光伏组件的特性，选择合适的逆变器类型，例如中央式逆变器、串联式逆变器、微逆变器等。

输出功率容量：根据光伏组件的总输出功率和发电站的容量，选择适当的逆变器输出功率容量。

输入电压范围：根据光伏组件的输出电压范围和系统要求，选择适当的逆变器输入电压范围。

防护等级和环境适应性：根据光伏发电站的环境条件，选择适当的逆变器防护等级，确保逆变器具有良好的耐久性和防护能力。

通信接口和监控功能：逆变器应当具备适当的通信接口和监控功能，实现对逆变器运行状态、发电数据和故障诊断的实时监测和管理。

并网要求和安全性：确保逆变器符合当地电网并网要求和安全标准，确保光伏发电站的安全稳定运行。

3.4.2 交流电缆设计和布置

交流电缆在光伏发电站中用于传输逆变器输出的交流电能，合理的交流电缆设计和布置对系统的性能和安全具有重要影响。交流电缆设计和布置要考虑电流容量、电压等级、电缆截面积、电缆类型、电缆长度和布置路径、电缆保护和接地等。

3.4.3 电网连接和并网运行要求

光伏发电系统需要与电网进行连接，并以并网方式运行，将发电的电能注入电网。光伏发电系统应配备电网并联保护装置，监测电网的状态和频率响应，确保在电网故障或异常情况下及时切断与电网的连接，保护电网的稳定运行。根据电网要求，光伏发电系统应具备功率因数控制功能，确保系统的功率因数维持在要求的范围内[4]。在并网运行前，确保光伏发电系统与电网的同步和稳定性，能够迅速响应电网的频率和电压变化，并保持与电网同步运行，确保稳定的电能注入电网。

4 电气系统性能分析

4.1 系统效率分析

4.1.1 光伏组件效率和系统效率计算方法

光伏组件效率计算方法：

式中，输出电能通为组件在标准测试条件（STC）下的额定输出功率（Pmax）；光照强度为光照辐射强度（通常以标准太阳辐照度为基准）；光照面积为光伏组件的有效光吸收面积。

系统效率计算方法：

式中，其他组件效率包括电缆、汇流箱、配电盘等的效率。

4.1.2 损耗分析和优化措施

在光伏发电系统中，存在多种损耗，会影响系统的总体效率,对这些损耗采取相应的优化措施可以提高系统的效率。

光伏组件损耗：通过使用抗反射涂层和优化表面纹理，减少光的反射，提高光的吸收率。通过散热设计和组件温度控制，防止组件的温度上升，降低热损耗，优化电池片和电路连接，减少电阻损耗。

逆变器损耗：选择高效率的逆变器，确保逆变器工作在其效率范围内，减少转换效率损耗；选择低功耗的逆变器，并在系统设计中考虑逆变器的运行方式和负载变化。

电缆和配电系统损耗：选择适当的电缆截面积和材料，减少电缆的电阻损耗，控制电缆的长度和布置，尽量缩短电缆长度，从而减少电缆的功率损耗。并使用低损耗的配电设备和保护装置，减少系统中的额外损耗。

阴影和污染损耗：通过合理的布局和避免遮挡物，减少光伏组件受到阴影的影响，降低阴影损耗。定期清洁光伏组件表面，清除尘埃和污染物，提高光吸收效率。

4.2 系统稳定性分析

4.2.1 短路电流和电气故障分析

进行短路电流分析其过程需要确定电源的额定电流和电压，并分析系统中各个组件的电流特性，包括光伏组件、逆变器、配电设备等。同时，计算短路电流的大小和持续时间，考虑电源能力、电缆阻抗和保护装置的动作时间等因素[5]。

进行电气故障分析可以帮助确定故障类型和位置，及时采取相应的处理措施。分析过程包括检查系统的接线和连接，确保没有接错或松动的电缆。使用故障检测仪器，例如绝缘测试仪、接地测试仪等，检测系统中的故障点和故障类型。根据检测结果，确定故障点所在位置，对故障设备进行修复或更换。

4.2.2 过电压和过流保护设计

过电压保护设计：在光伏发电系统的直流侧和交流侧安装适当类型和等级的避雷器，吸收和分散来自雷击等因素引起的过电压。选择具备过电压保护功能的逆变器，确保其能够快速检测和处理过电压情况。

过流保护设计：在电气系统中安装适当的过流保护装置，例如保险丝、断路器或电流保护开关，以检测和中断异常高电流。在关键部位安装电流传感器，监测电流的变化，并将信号传输到过流保护装置，触发保护动作。根据系统的额定电流和设备的耐受能力，精确设置过流保护装置的动作电流值，确保在过流情况下能够及时切断电源。

5 结语

光伏发电站的电气设计是确保系统高效、稳定运行的重要环节，涉及电气负荷需求、主变压器选型、配电系统设计、光伏组件串并联、直流电缆设计、逆变器选型、交流电缆设计和电网连接等要点，通过本文的研究可以为大型光伏发电站的电气设计提供准确、可靠的参考和指导，有助于确保光伏发电系统的高效运行和稳定性。