光伏电站电气设计技术分析

刘勇平

（国网陕西省电力有限公司延安供电公司）

0 引言

为有效解决传统能源资源浪费以及环境污染等方面的问题， 各种清洁能源开始成为现代社会关注重点， 关于清洁能源的生产以及使用等， 也成为了各领域研究重点内容。在此环境下， 光伏电源开始逐渐进入到社会视野， 光伏电站建设也呈现出逐渐增加的趋势。为确保整体电站使用能够达到理想状态， 保证电站电气设置合理性， 需要做好光伏电站电气设计技术及其应用的研究。

1 光伏并网系统介绍

在进行光伏电站电气设计过程中， 需要明确光伏并网系统具体组成和实际需求， 以便根据光伏电站具体要求， 合理进行电气设计， 保证电气设计的针对性和有效性， 光伏并网系统具体组成情况如表1所示。

表1 光伏并网系统组成

在光伏并网系统之中， 光伏组件是整体系统重要组成， 会通过对光伏特点的运用， 完成太阳能到电能的直接转化， 将太阳能转变为可用能源。较为常见的光伏组件， 主要包括多晶硅光伏组件、 单晶硅光伏组件以及薄膜光伏组件等， 目前我国生产晶硅太阳能组件技术相对较为成熟， 也是光伏电站的主要选择对象。逆变系统主要包括逆变器和保护控制电路两部分内容， 其中光伏并网逆变器属于光伏系统核心设备，会将光伏组件所产生的直流电能转化为交流电能， 是影响光伏系统整体运作效率的重要部分。在进行逆变器选择时， 需要根据电站大小以及具体应用地点等内容， 合理进行挑选， 以便达到降低系统成本， 提高发电量的目标。

2 光伏电站电气设计技术

2.1 太阳电池组件设计

太阳电池组件类型， 主要包括非晶硅太阳电池、晶体硅太阳电池以及薄膜太阳电池三种类。其中， 晶体硅太阳电池具有安全性高以及稳定程度较为理想的优势， 应用范围相对较广， 应用安全程度也相对较高。主要包括多晶硅电池以及单晶硅电池两种， 运行效率相对较高且性价比相对较为理想， 但存在电池可能会在大气环境或光照状况下发生能量衰竭的问题； 薄膜太阳电池性能相对较为稳定且具有成本较低的优势，但由于原料相对较为稀缺， 所以很难形成大规模生产； 非晶硅太阳电池能够在弱光状态下仍然保持良好运行性能， 但电池转换效率相对较低。从综合角度而言， 晶体硅太阳电池组件 （如图1所示） 更适合现代光伏电站电气运行要求， 所以会将晶体硅太阳电池组件作为主要电池组件模式进行应用和设计。

图1 晶体硅太阳电池

2.2 逆变器设计

逆变器技术结构， 包括集中式逆变器、 组件式逆变器以及主串式逆变器三种。其中， 集中式逆变器的效率相对较高， 且具有成本低廉的优势， 能够实现大型集中逆变器联网处理， 可以最大限度降低输电损耗量， 保证发电效率； 主串式逆变器能够增加发电量，控制阳光阴影所造成的损失问题； 组件式逆变器的应用范围相对较广， 但铭牌容量相对较小， 在选择时需要明确应用条件， 以便确定最佳逆变器选择类型。目前， 国内市场已集中式逆变器 （如图2所示） 的应用为主， 在进行设计时， 需要对逆变器各项情况有清晰认知， 以便更好的完成电气系统设计。

图2 集中型逆变器

2.3 光伏列阵布置设计

在进行光伏列阵布置设计过程中， 需要做好逆变器布置， 根据实际需求设置逆变器单元， 通过和电池方阵进行连接的方法， 形成光伏子方阵。在进行方案设计过程中， 需要保证方案实施的可行性以及管理便利性， 应控制事故发生概率， 从经济和线损比等多角度入手， 对方案进行充分分析， 进而按照分析结果选择最佳方案。

完成逆变器方案设计之后， 便可以展开光伏列阵分层结构设计。在进行光伏列阵分层结构的设置过程中， 需要做好光伏发电单元系统以及光伏发电分系统等各项内容的设计任务。在进行光伏发电单元系统设计时， 需要保证太阳电池方阵容量， 连接和方阵容量相匹配逆变器， 构成发电系统[1]。在进行光伏发电分系统设计过程中， 需要完成逆变器和箱式升压变电器的连接， 由二者组成分系统。需要做好光伏阵列分层结构中的光伏电站设置， 通过将多台箱式变压器连接在一起的方式， 将其接入到电网之中， 形成光伏电站。

光伏阵列电气系统设计， 需要做好直流发电系统的设置任务。强调需要按照直流发电系统汇流箱以及配电柜等各项设备安装具体要求， 合理对设备进行选择和处理， 利用太阳电池组件所产生的光伏作用， 将太阳能转化为电能进行应用。在进行电能转换过程中， 会通过对多晶硅太阳电池组件的使用， 完成太阳电池阵列设置[2]。在进行交流输出系统设计过程中，会做好开关柜以及电缆等各项内容的设计， 运用最大功率跟踪技术完成逆变器处理， 确保能够实现直流电向交流电的转化， 保证两者之间转化效率， 确保所输出电能能够达到电网要求。

在进行电能转化处理过程中， 应做好外部传感器和控制器之间连接， 对外部光伏列阵运行情况和日常环境进行动态化监测， 按照数据分析结果确定光伏列阵运行是否正常。因为发电分系统和光伏列阵之间没有运用电气进行直接连接， 所以在光伏发电分系统出现问题时， 不会对光伏阵列造成直接影响， 可以保证阵列能够处于正常运行状态[3]。在进行光伏组件选择过程中， 应尽量控制光伏组件块数， 对光伏电缆数量进行严格控制， 保证工程投入成本能够被控制在允许范围内， 达到有效提高分系统发电效率的目标。

2.4 电气系统设计

1） 集电线路一次系统

在进行电气系统设计之前， 需要确定集电线路的具体设置方案， 通过设置初步方案的方式， 做好光伏列阵选件以及变压器的处理， 将逆变器输出电压控制在合理范围之内， 保证能够将电流汇聚到开关站母线之中。需要做好光伏列阵各分阵的设置， 通过运用首尾串联处理的方式完成电线路的并入处理[4]。需要在箱变高压侧位置设置高压负荷开关， 防止出现某一方阵分合， 对其他方阵造成不利影响的情况。

在初步方案设置完成之后， 需要展开开关站电器计算操作。在进行开关站的设计时， 应将其设置在地势相对较为平缓的地段， 通过减少山顶遮挡以及合理进行位置设计的方式， 确保能够有效控制土方量， 方便后续进行线路接入处理[5]。进行电气主接线选择过程中， 需要做好高压站用电压以及低压站用电压的区分， 通过合理进行两极电压选择和处理的方式， 在两回级电线路汇集电能之后， 通过将电能送到开关站的方式， 再由单回架空出现接入到变电站之中。

在运用单母线主接线法进行设计时， 会一次性完成母线建设， 并在母线上面设置柜体设备， 通过安装变压线出线柜、 架空出线柜以及电缆出线柜等设备的方式， 将各设备安装在母线六面位置。在实施电容电流计算过程中， 需要对集电线线路电缆总长进行计算， 根据集电线路侧电网单相接地电容电流完成相关计算任务[6]。在进行接地站用变容量以及消弧线圈选择时， 需要实施消弧线圈容量计算， 明确接地兼站变电器容量具体数值， 根据设计手册内容， 采用站用接地变成套装置进行处理。

2） 电气一次设备选型

在进行配电装置选择时， 需要对开关的海拔高度进行充分考量， 做好场地污秽等级设置。需要对地理位置各项要素进行综合评估， 按照评估结果， 对固定式开关柜以及其他设备进行选择。开关柜选择需要做好技术参数选择和设置， 保证断路开断电流以及额定电压等各项内容设计合理性， 通过对短时耐受电流以及指标受电压和短路开断电流等各项技术参数内容的研究， 做好技术参数的设置， 确保后续设备运行能够达到预期状态[7]。

3） 电气二次系统设计

在进行电气二次系统设计过程中， 需要完成监控系统监测和设置， 通过对系统发电运行情况进行实时监督的方法， 利用所收集到的各项数据进行在线监测， 以便更好的对光伏系统发电运行情况进行全面评估， 对光伏电站发电能力做出正确判断， 从而为后续调整工作的开展提供可靠依据[8]。强调在进行监控系统设计时， 需要设置间隔层和站控层， 保证在站控层效用消失时， 间隔层仍然能够处于独立运行状态。强调需要对太阳电池方阵以及逆变器等各项系统进行全面监控， 需要保证系统具备报警、 监视以及保护等各项功能， 能够更好的为电气系统运行保驾护航。

电气二次系统设计还需要做好安全自动装置以及UPS 系统设置， 需要完成电缆及电线路保护以及架空送出线路保护处理。保证UPS 系统能够高质量完成交流不停电处理， 能够为不停电负荷提供充足电力。

3 结束语

在进行光伏电站电气系统设计过程中， 需要根据光伏电站具体应用需求， 确定电气系统设计目标和具体设计重点。结合整体电站生产的具体要求， 做好电池组件以及逆变器等各项设备类型选择， 以此为基础展开后续电气系统设计， 保证整体设计能够符合光伏电站应用实际要求， 能够保持相匹配状态， 从而实现理想化电气系统运行模式， 确保光伏电站整体运行能够达到理想状态， 能够生产出更多清洁能源， 以便为社会绿色化发展提供可靠资源方面支撑。