并网光伏电站优化设计的研究

郑柏恒，董双丽（广东产品质量监督检验研究院国家太阳能光伏产品质量监督检验中心,广东 佛山528300）

并网光伏电站优化设计的研究

郑柏恒，董双丽
（广东产品质量监督检验研究院国家太阳能光伏产品质量监督检验中心,广东 佛山528300）

随着太阳能光伏发电的广泛应用，优化光伏电站的设计对降低电站投资成本和提高电站收益起到了至关重要的作用。为此，从光伏电站发电性能和光伏电站并网两个方面进行特性分析，归纳了当前电站设计与建设中暴露的几种问题，并提出了相应的优化方案，保证光伏发电能安全可靠地并入电网，确保光伏电站的收益。

太阳能光伏；光伏电站；优化设计

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.015

1 引言

近年来，在国家多方面的扶持下，太阳能光伏发电发展迅速。截至2015年底，我国太阳能光伏发电累计并网容量达到4158×104kW，同比增长67.3%，约占全球的1/5，超过德国成为世界光伏第一大国。而且在“十三五”规划中明确了我国将持续发展壮大太阳能光伏发电市场规模，初步规划“十三五”光伏装机规模目标将达1.5×108kW，即每年新增2000×104kW上下。光伏发电在电力系统中装机容量所占的比例越来越大，它对电力系统的规划、仿真、调度、控制造成的影响也越来越大。

然而，光伏电站具有分布式屋顶低压并网、集中式地面高压并网等多样化的搭建模式，且其发电量受太阳辐照、气温等多种因素影响。故近年来的大规模电站建设就由于设计规划等原因，涌现出了电站发电效率低、输出电能质量差、原电网保护误动等问题，造成巨大的安全问题，也无法达到预期的经济效益。因此，并网光伏电站的优化设计十分重要。

本文通过从光伏发电能力和电站并网两个方面，分析光伏电站优化设计的关键问题，并结合实际案例验证理论分析的正确性和有效性，提高了光伏电站的可靠性和效益，并为后续更为深入的研究提供借鉴与参考。

2 光伏电站发电性能优化设计

并网光伏电站主要通过光伏组件方阵、汇流箱、逆变器、升压变压器以及并网点配电柜等组成[1]。光伏电站系统配置图如图1所示。

图1 并网光伏电站系统配置图

2.1 光伏组件的优化设计

2.1.1 光伏组件的选型

当前，并网光伏电站中应用的组件主要为单晶硅、多晶硅以及薄膜3种类型的组件。单晶硅、多晶硅以及薄膜3种组件主要区别在于其转换效率、价格、重量以及可靠性，如表1所示。其中，单晶硅组件具有较好的转换效率但是价格较高；多晶硅组件具有不错的性价比，相比于单晶硅和薄膜更易运输；薄膜组件转换效率较低，由于自身的玻璃结构使其不易运输，但它具有较小的功率温度系数，相对于晶硅组件在弱光照下或出现遮挡时，具有较好的发电能力。因此，大型地面电站多选择性价比较高的多晶硅组件；屋顶分布式电站为有效利用屋顶面积，多选择转换效率较高的单晶硅组件；光伏一体化电站由于环境较为复杂，多采用薄膜组件，既能完全贴合建筑的复杂结构，又能减少遮挡等原因带来的发电影响。

表1 各类型组件特性

2.1.2 光伏组件的安装

在整个光伏发电系统中，光伏组件安装倾角直接决定了系统接收到的太阳总辐射量，从而影响整个系统的发电能力。光伏组件安装倾角越高，对后排的遮挡越少，前后排间距越少，从而减少了光伏阵列的占地；但是，光伏组件安装倾角偏离当地维度越大，组件能够接收到的太阳总辐射量越少，组件发电量越少。故行业内一般认为光伏组件安装倾角基本与安装位置维度一致。但是，通过比较组件支架成本与系统发电收入后，可以通过适当的减少组件安装倾角获得效益的最大化。

除此之外，光伏组件的安装方式也对光伏组件发电性能有着巨大的影响。在环境阴影、积水、污渍等遮挡条件下，光伏组件输出特性产生变化，被遮挡部分的电池片处于反向偏置状态，成为整个光伏阵列的负载，消耗组串产生的电能并发热，形成热斑现象。电池片热斑会导致该电池片快速的衰减，且当温度过高时会是组件失效或起火。为避免热斑的产生，光伏组件通过接线盒里面的旁路二极管将被遮挡的电池片旁路。然而，一般光伏组件将组件上的电池片分成三份，分别旁接了二极管，如图2所示。因此，会出现未被遮挡到的电池片也被旁路，大幅降低了组件的发电能力。故很多比较规则的遮挡，如房屋阴影、污渍、积水等遮挡，可以通过改变组件的横竖安装方式，避免阴影遮挡到组件的多路电池片，减少光伏组件发电能力的损失。

图2 组件接线盒原理图

广西南宁某30MW光伏电站中一期为8MW光伏组件以常规的竖式安装在地面支架上，二期为22MW光伏组件以横式安装在相同的支架上。分别抽取一期和二期同一型号且其接入容量相同的逆变器同时进行一天的监测，其逆变器负载率如图3所示。不难看出组件横式安装的逆变器较早开始启动并发电，较晚停止发电进入待机状态，且同一时刻负载率比组件竖式安装的逆变器要高。组件横式的安装实实在在地提高了光伏电站的发电效益。

图3 组件横式和竖式安装的逆变器负载率曲线图

2.2 逆变器的优化设计

2.2.1 逆变器的选型

目前，光伏电站一般根据电站规模、地理环境等条件，采用集中式和组串式两种的逆变器。集中式逆变器容量大，性价比较高，具有较好的可调度性，但是MPPT数量较少且需要占用一定的地方用于安装，多用于大规模地面电站；组串式逆变器具有较多的MPPT数量，易于安装放置，较高的防水等级，但容量较小，成本较高，多用于地形复杂的分布式电站。

而近年来组件生产技术不断成熟，采用规模化流水线式生产方式使光伏组件在产品质量和一致性上得到了有效的控制。但是，要做到百分百的一致性是不可能的，原材料的差异，生产线的不同，会使组件与组件之间存在一些微小的差异。而这些差异会在组件串并联起来以后，产生不同程度的串并联失配现象。而且电池片旁路虽然避免了热斑现象的产生，但是被遮挡的组件与其他组件发电能力的一致性大幅下降，也产生了较大的串联和并联失配损失[2]。

为减少串联、并联失配的损失，优化光伏电站发电能力，在逆变器选型时尽量选择具有多路MPPT功能的逆变器，并且尽量将同一屋面同一朝向同一型号同一批次的组件接入到同一个逆变器。

2.2.2 组件与逆变器的容量比

当前一般电站设计中，光伏组件的安装容量和逆变器的安装容量是不一致的。其主要原因是光伏组件存在光致衰减和光伏组件发电能力随环境而定。

由于P型晶体硅电池片经过光照出现的衰减以及由于紫外线照射造成的电池片和封装材料老化出现的衰减，因此，通常光伏组件第一年衰减3%左右，然后，每年递减不超过0.8%，25年内衰减不超过20%。针对这一类型的组件功率衰减，再设计上通常通过在逆变器上适当增加光伏组件接入的数量，即适当提高组件与逆变器的容量比。

光伏组件标称的发电功率是在AM1.5、1000W/m2、25℃条件下的最大发电功率，而光伏电站现场环境根据所处地理位置而改变，如：在新疆、青海等地区大部分时间辐照值能达到1200W/m2以上，组件实际发电功率高于其标称值，故可以适当降低组件与逆变器的容量比；在广东、广西等地区大部分时间辐照值在800～1000辐照值，组件实际发电功率稍低于标称值，故可以稍微提高组件与逆变器的容量比。

2.2.3 逆变器扩展功能

随着技术的不断进步，当前逆变器不仅起到了直流与交流之间的转换，而且为了提高可靠性与安全性提供了各种保护装置，如：过载保护装置、PID防治装置等。其中，PID，电势诱导衰减，是电池组件长期处于一定的偏置电位，并且在高温高湿环境下诱发的发电性能衰减现象。故在广东等湿热地区，多选用具有PID抑制装置的逆变器。

3 光伏电站系统并网分析

3.1 对并网点频率的影响

由于天气等环境影响，光伏发电出力随机、频繁、大幅地波动。这对电网系统有功平衡造成冲击，影响系统的调频，使电网频率质量下降[3]。故需要大量的修改电网系统的备用优化设备，但是也大大的提高了成本。因此，在光伏电站选址设计时，优先选用工厂等用电大户附近的地段，尽量使光伏发电就地消化，既削弱了对电网系统的影响，又减少了输电送电的成本。

3.2 对并网点电压的影响

光伏发电随机波动的有功出力会影响到电网的无功平衡特性，使周边母线电压大幅波动[4]。

对于大规模光伏集中式接入电网而言，大量的光伏电力需要通过高压远距离外送。高压输电线路由于光伏发电随机波动的有功出力，改变了沿途无功平衡，使沿途母线电压大幅波动，容易发生电压越限等问题。

对于规模化光伏分布式接入配电网而言，光伏发电的接入改变了电网原有的网状结构，由单电源结构变成了多电源结构，使电网潮流更为复杂，增加了调度的难度。

海南海口某屋顶光伏电站，由于电站建设在工业区水泥屋顶，区域内用电负载较多，而且由于当地供电距离较长，供电电压普遍偏低，因此多次使光伏电站并网点电压超限，使二次侧保护动作，造成大量的经济损失，而且严重影响了工业厂区配电网的安全。为此与当地供电局协商，通过调度供电线路环网结构，减少该并网点原供电距离后，情况得以改善。

因此，光伏电站接入位置、接入规模的设计十分重要。正确的接入位置与接入规模能尽量使光伏发电就地消费，不仅降低了对电网系统的影响，还能分担电网用电的压力。

3.3 对并网点谐波的影响

光伏发电产生谐波的主要源头有三个：（1）逆变器逆变电路开关切换产生频率附近的谐波；（2）太阳辐照剧烈变化或过低时光伏发电产生的谐波；（3）逆变器MPPT跟踪下电压电流变化产生的谐波。相对于较大容量的电力系统，小容量系统更为容易受到谐波的污染，导致电力线路损耗大增，危害用电设备的安全，轻则缩短设备寿命，重则损坏设备[5]。

针对光伏电站谐波问题，目前，主要的方法是装设动态响应的无功补偿装置，如：电力滤波装置、静止无功补偿装置（SVC）、静止无功发生装置（SVG）等。然而，这些装置虽然维持了电压的稳定，改善了系统谐波状况，但是，也增加了项目的成本。因此，合理的设计光伏发电的接入位置、接入规模，选择电能质量较好的分布式电源接入点（PCC），提前规避产生谐波超限的风险。

3.4 配电系统改造

光伏的穿透率定义为光伏发电量占整个发电系统总发电量的百分比[6]。过高的光伏穿透率会引起馈线的逆向潮流以及母线电压的升高，母线故障电流大小、方向及持续时间均发生变化，原有馈线保护将受到影响，保护装置可能出现误动或拒动[7]。为此，将需要对原有的配电系统进行改造，但是为了节省成本，目前大部分的方案是在馈线上加装防逆流装置，以牺牲部分光伏发电量为代价，保证系统的正常运行。

广东佛山市某15.2MW屋顶光伏电站，经过当地供电局审核后，计划通过7个并网点并入7路10kV输电线路。然而，该电站并网试运行后，业主厂区电力监控系统发生功率因数报警。经第三方检测机构检查后发现原因为该电站平置仓库子系统发电量远大于用电量，使并网点母线产生了逆流，故造成原有的配电系统发生报警。为保证整个厂区用电安全，只能牺牲该子系统的发电效益，在该母线的馈线上加装防逆流装置。

因此，光伏电站接入位置、接入规模的设计还需要对接入点原有配电系统进行分析评估，避免不必要的经济损失。

4 结语

随着分布式发电的应用越来越广泛，作为其中的太阳能光伏发电在现代发电系统中的地位也越来越重要。本文既分析了光伏电站组件、逆变器两种关键设备的特性，又分析了光伏电站并网的特性，归纳了当前电站设计与建设中暴露的几种问题，并且，针对这些危害提出了相应的改善措施和建议，为太阳能光伏发电电站的设计与建设提供指导，为有效地提高光伏电站的效益和供电网络的稳定性、安全性和可靠性做出贡献。

【1】姜齐荣，张春朋，李虹.风能与太阳能发电系统：设计、分析与运行[M].北京：机械工业出版社，2009.

【2】张晓强，张卫平，刘元超，赵一阳，等.光伏系统的PSpice建模[M].北京：机械工业出版社，2014.

【3】崔红芬，汪春，叶季蕾，等.多接入点分布式光伏发电系统与配电网交互影响研究[J].电力系统保护与控制，2015,43（10）：91-97.

【4】WidenJ,Wackelgard E ，PaateroJ，et al． Impacts of distributedphotovoltaics on network voltages：stochastic simulations of threeSwedishlow-voltagedistributiongrids[J]．ElectricPowerSystemsResearch，2010，80(12)：1562-1571．

【5】董伟杰，百晓民，朱宁辉，等.间歇式电源并网环境下电能质量问题研究[J].电网技术，2013,37（5）：1265-1271.

【6】PerezR,Taylor M,hoff T,etal.Reaching consensus inthe definition ofphotovoltaics capacity credit in the usa:Apractical application ofsatellite-derivedsolar resourcedata[J].IEEEJournalofSelectedTopicsinAppliedEarthObservationsandRemoteSensing,2008,1(1):28-33.

【7】杨国华，姚琪.光伏电源影响配电网线路保护的方阵研究[J].电力系统保护与控制，2011,39（4）：12-17.

Research on Optimized Design of Grid-connected PV System

ZHENGBo-heng，DONGShuang-li
(GuangdongTestingInstituteofProductQualitySupervisionNationalCenterofSupervisionandInspectiononSolarPhotovoltaic ProductsQuality,Foshan528300,China)

By widely application of Solar photovoltaic，the optimized design of PV system is important to reducing the cost ofinvestment and enhance efficiency.Therefore，according to the features of PV system generating capacity and grid connection, someoptimal schemes are proposed to solve the problems in the design and construction of PVsystem,Which can ensure PVsystem safelyoperatingandguaranteedrevenue.

solarphotovoltaic;photovoltaicpower stations;optimizeddesign

TM615+.2

A

1007-9467（2016）12-0066-04

2016-08-18

广东省科技计划项目（2016A040403070）

郑柏恒（1990～），男，广东佛山人，工程师，从事光伏产品、分布式发电系统的检测和科研工作。