DC 1 500 V光伏发电系统研究与应用分析

徐传进，吴琪，林琳，罗健明

(四川东方电气自动控制工程有限公司，四川德阳，618000)

DC 1 500 V光伏发电系统研究与应用分析

徐传进，吴琪，林琳，罗健明

(四川东方电气自动控制工程有限公司，四川德阳，618000)

太阳能光伏发电在近年来得到了高速发展，已成为解决化石能源短缺和应对气候变化的重要途径。文章在介绍了光伏发电系统基本结构的基础上，分析了现行DC 1 000 V光伏发电系统设计方案在降低系统成本和提高系统效率方面极其有限的现状，具体介绍了DC 1 500 V光伏发电系统的设计基础，以及在降低系统成本和提高系统效率方面的优势，并给出了具体设计方案和分析了应用前景。

光伏发电，DC 1 500 V，成本，效率

0 引言

在当今油、碳等化石能源短缺，雾霾和温室效应等愈加恶劣的环境下，能源问题已经成为关系到人类生存和发展的首要问题[1]，世界各国都加紧了发展新能源的步伐。而在新能源中，太阳能光伏发电以其取之不尽、用之不竭、就地可取、无需运输、分布广泛、无污染、利于生态等优点[2]，已经成为新能源领域中开发利用水平高、技术成熟、应用广泛、极具商业化发展条件的新型能源。

近年来，全球光伏产业发展很快，以年均30%以上的速度快速增长，光伏发电的竞争力不断提高，已成为全球最受重视的新能源发电技术。美国绿色能源市场研究机构GTM公司初步数据显示，2015年全球光伏装机容量较2014年增加了34%，截至年底达到了约5 900万千瓦。而我国在规范光伏开发秩序、开展光伏扶贫工程、推进分布式示范区建设等相关光伏产业利好政策的刺激下，截至2015年底，我国太阳能光伏发电累计并网容量达到4 158万千瓦，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“十二五”期间，我国太阳能发电装机容量年均增长177%。图1为2010～2015年我国太阳能光伏发电逐年装机容量情况表。

图1 2010～2015年我国太阳能光伏发电逐年装机容量

目前太阳能光伏发电装机容量的高速增长，主要依赖于各国的财政补贴政策，然而随着装机容量急速上升、财政补贴逐年缩减、限电弃电问题日益突出等，实现太阳能光伏发电的价格与传统化石能源基本持平，真正实行光伏发电平价上网，已经成为当下光伏商业化进程中急需解决的问题——有效降低光伏系统的成本、提高发电效率仍将是未来光伏产业发展的核心课题。

经过近几年光伏相关发电设备成本的急剧下降，包括光伏组件、逆变器等主要设备的降价空间已经非常有限，从而使得从光伏系统设计层面来提高光伏系统效率、降低光伏系统成本，成为一条可行性的发展道路，DC 1 500 V光伏发电系统的设计逐渐被业内所研究与认可。

1 光伏发电系统结构

太阳能光伏发电系统根据是否与电网连接，可分为并网光伏发电系统和离网光伏发电系统，其中离网光伏发电系统直流电压较低，装机容量有限，直流侧也不存在汇流问题，DC 1 500 V系统基本不适用于离网光伏系统，故本文只对并网光伏发电系统进行研究与分析。图2所示为目前并网光伏发电系统中常用的DC 1 000 V光伏发电系统的基本阵列单元组成结构图。

图2 DC 1 000 V并网光伏发电系统基本阵列单元组成结构图

由图2可知，并网光伏发电系统主要包括太阳能光伏组件、汇流箱、直流防雷配电柜、逆变器、变压器以及其他辅助系统。其工作原理为:太阳能光伏组件利用半导体材料的电子学特性，将光能转化为电能，由于单块组件所串联和并联的电池片数量有限，其输出电压（一般30～40 V）和电流（一般7～9 A）较小，故将多块组件串联以提高直流电压，形成光伏组件串，再将多串组件串并联汇入光伏汇流箱以提高直流电流，进而多个汇流箱并联接入直流防雷配电柜，进一步提高直流电流，再通过光伏逆变器将直流电转化为工频交流电，经过变压器升压后与高压电网连接并网。

在并网光伏发电系统中，除组件、汇流箱、逆变器、变压器等主要设备外，还需其他如监控系统、有功无功补偿系统、安防系统、防雷接地系统等辅助系统，但本文主要分析研究DC 1 500 V系统与常规DC 1 000 V系统的优缺点，只涉及直流相关的组件、汇流箱、直流防雷配电柜、逆变器和它们之间的连接电缆，故对其他辅助系统不做深入介绍。

2 DC 1 500 V光伏发电系统设计和应用基础

由并网光伏发电系统的工作原理可知，系统的直流电压主要由光伏组件串的组件块数决定。在目前常用的DC 1 000 V光伏发电系统中，与之配套的光伏组件、汇流箱、直流防雷配电柜、逆变器及电缆等，设计直流电压均为DC 1 000 V。因此，设计与研究DC 1 500 V光伏发电系统，其前提是相关配套设备已满足DC 1500 V系统要求。

2.1 太阳能光伏组件

太阳能光伏组件是光伏发电系统中的核心部分，也是光伏发电系统中成本和价值最高的部分，其作用是将太阳的辐射能转换为电能。

1 500 V系统电压会降低组件电气的安全性和可靠性，同时增大PID等风险。因此制作1 500 V光伏组件主要考虑背板局放、电连接器和电绝缘等影响组件可靠性和安全性的因素，其难点主要在材料选取上，相关组件厂家主要采取以下方式来解决此问题。

（1）材料升级:背板PET中间层加厚；

（2）接线盒升级:线缆、连接器、电器间隙以及爬电距离均需满足1 500 V认证要求；

（3）组件结构方式升级:

常规背板型结构:玻璃+1 500 V背板+EVA（POE）+铝框+1 500 V接线盒。

双玻型结构:玻璃+EVA（POE）+玻璃+1 500 V接线盒（无框）。

目前一些组件厂商已经相继推出了1 500 V认证的产品，如英利、晶澳、中电光伏等主流组件厂商，为DC 1 500 V系统的应用提供了重要基础。

2.2 汇流箱与直流防雷配电柜

汇流箱和直流防雷配电柜的作用都是为了减少太阳能光伏组件阵列与逆变器之间的连线，同时起到分级关断功能。

DC 1 500 V光伏发电系统与常规DC 1 000 V光伏发电系统相比，当光伏系统电压升至1 500 V后，对系统的安全性能要求也更高了，直流电和交流电不同，没有过零点，一旦出现漏电，将会造成大的事故。因此根据断路器的额定工作电流、额定工作电压、分断能力三大指标，来选择一款合适的1 500 V直流开关对提升整个系统的安全性至关重要。

目前IMO、欧普、PROJOY、施耐德等均有符合相关要求的直流断路器。

2.3 逆变器

光伏逆变器将光伏阵列产生的直流电转化为交流电，是光伏发电系统的核心部件之一。

1 500 V系统电压对光伏逆变器要求更高，主要考虑绝缘、电气间隙以及电压升高后可能带来击穿放电等问题，因此逆变器需要采用更复杂的拓扑结构设计和更高电压等级的功率器件以及直流开关设备。

目前阳光电源、SMA等厂家均推出了适用于DC 1 500 V的光伏专用逆变器。

随着符合DC 1 500 V光伏发电系统要求的太阳能光伏组件、汇流箱、直流防雷配电柜、逆变器等主要设备的研发成功，DC 1 500 V光伏发电系统已经具备了设计和应用的基础。

3 DC 1 500 V光伏发电系统优势

与DC 1 000 V光伏发电系统相比，DC 1 500 V光伏发电系统具有以下优势:

（1）可以有效提高光伏系统效率

光伏系统功率为式（1）:

其中U为系统直流电压，I为逆变器直流输入电流。

由式（1）可知，直流系统电压由1 000 V提高到1 500 V，直流输入电流I减小。系统线损由式（2）计算:

导线截面积不变，导线电阻R不变，故线损P损降低，从而提高了系统效率。

（2）可以有效降低系统成本

当直流系统电压提高到1 500 V时，组件串可串联的组件块数增加，在相同功率的系统中，相比DC 1 000 V光伏发电系统，DC 1 500 V光伏发电系统所需的汇流箱及组件与汇流箱的连接电缆数量均减少，从而降低了系统的成本。

（3）有效应对组件效率提高带来的系统开路电压提高的挑战

由于转换效率的提升，组件每提升5 W功率，峰值和开路电压会线性提升0.3 V。在目前的DC 1 000 V系统的组网方案中，可以测算光伏组件达到480 W功率时系统开路电压能超过DC 1 500 V，直流低压侧最高电压极限为DC 1 500 V。故DC 1 500 V光伏发电系统的设计研究可以应对组件效率提升对直流系统电压的要求，可以享受较长期的研发成果。

系统效率提高、系统造价下降对目前光伏设备市场具有非常大的意义，而有效应对组件效率提高对系统带来的挑战，也是极具前瞻性的研究。因此，DC 1 500 V光伏发电系统的设计研究具有实际经济效益和广泛的应用前景。

4 DC 1 500 V光伏发电系统设计和应用分析

4.1 设计思路

为了直观地比较DC 1 500 V相对于DC 1 000 V光伏发电系统的优势，本文针对1 MW光伏发电阵列单元，分别采用DC 1 000 V和DC 1 500 V进行系统设计，考虑组件开路电压和短路电流温度系数，首先确定组件串中组件的块数，再选择汇流箱和直流防雷配电柜，进而选择合适的逆变器，并配置各设备之间的电缆。由于两种设计方案只存在直流部分的差别，故本文对交流及其他辅助系统部分不做涉及。

4.2 DC 1 000 V光伏发电系统设计

本方案采用280 Wp的单晶光伏组件，其技术参数如表1所示，并选用阳光电源SG500MX逆变器2台，其最大输入开路电压为1 000 V，MPPT电压范围为460～850 V。

表1 280 Wp的单晶光伏组件技术参数表

由表1可知:280 W组件的开路电压Voc= 44.86 V，开路电压温度系数为-0.31%/℃，考虑温度因数，在-20℃环境温度中单块组件的开路电压为式（3）:

在逆变器的最大输入开路电压条件下，可串联的组件数计算为式（4）:

因此，可选用19块电池组件组成组件串接入发电系统，串联后每串光伏组件串功率为:19× 0.28 kWp=5.32 kWp。故1 MW光伏发电阵列单元需配置188个电池串列，实际总功率为1 000.16 kWp，相应的需要配置16路智能光伏汇流箱12面，8路直流防雷配电柜2面，同时组件串与汇流箱连接电缆选用1×4规格约16 km，汇流箱与直流防雷配电柜连接电缆选用2×70规格700 m，直流防雷配电柜与逆变器之间选用1×300规格150 m。

4.3 DC 1 500 V光伏发电系统设计

针对DC 1 500 V系统方案，采用满足1 500 V直流电压的280 Wp的单晶光伏组件，其技术参数除最大系统电压为1 500 V以外，其他与表1所示一致，并选用阳光电源为DC 1 500 V光伏发电系统专门研发的SG1000 HV逆变器1台，最大输入电压1 500 V，MPPT电压范围780～1 200 V。

根据4.2中计算方法可得，可选用29块电池组件组成组件串接入发电系统，串联后每串光伏组件串功率为:29×0.28 kWp＝8.12 kWp。故1 MW光伏发电阵列单元需配置124个电池串列，实际总功率为1 006.88 kWp，相应的需要配置16路智能光伏汇流箱8面，8路直流防雷配电柜1面，同时组件串与汇流箱连接电缆选用1×4规格约10 275 m，汇流箱与直流防雷配电柜连接电缆选用2×70规格480 m，直流防雷配电柜与逆变器之间选用1×185规格150 m。

4.4 成本对比分析

由4.2和4.3部分的直流系统设计，结合现行光伏系统基本造价，可得如表2所示的1 MW基本阵列单元的成本对比表。

表2 直流系统主要设备清单及成本对比表

由表2可以得出，DC 1 500 V光伏系统设计方案价格比DC 1 000 V低0.097元/W，考虑相应土建和工程量，该数据约为0.11元/W。因此，采用DC 1 500 V光伏发电系统可节约电站成本约1.38%。

4.5 效率对比

由4.2和4.3中设计所得的相关数据，结合式（2）所示的线损计算公式，可得如表3所示的电缆损耗分析表。

表3 直流系统电缆损耗分析表

由于光伏逆变器效率相同，由表3可知，DC 1 500 V光伏系统设计方案效率比DC 1 000 V高0.316%。

5 总结

随着太阳能光伏产业的高速发展和装机容量的不断上升，依靠财政补贴始终不是长远之路，而提高光伏系统效率、降低光伏系统成本，真正实现光伏发电平价上网，是未来光伏产业的核心研究方向。

在目前光伏产业各设备成本降价空间极其有限的情况下，本文研究的DC 1 500 V光伏发电系统设计方案在降低系统成本和提高系统效率方面，均有良好的效果，与现行常规的DC 1 000 V光伏发电系统相比，可降低系统成本约0.11元/W，提高系统效率约0.316%，这对目前竞争激烈的光伏市场具有重要的作用，且可以提前应对光伏组件效率提升对直流系统电压的要求，该研究具有一定的前瞻性。

虽然目前DC 1 500 V光伏发电系统未能得到广泛应用，但随着符合该系统应用的各设备的研发成功，以及相关标准的出台和示范项目的应用，具有成本优势和更高效率的DC 1 500 V光伏发电系统设计方案必将成为未来光伏发电系统应用的主流发展趋势。

[1]田浩.风光互补并网发电系统的研究与开发[D].天津大学,2006.

[2]刘溪,王婷乐.太阳能光伏发电与并网系统的组成[D].华中电力,2014.

Research and Application Analysis of DC 1 500 V PV Systems

Xu Chuanjin,Wu Qi,Lin Lin,Luo Jianming

(Sichuan Dongfang Electric Auto Control Engineering Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

In recent years,the solar photovoltaic power generation has got rapid development and become an important way to solve the shortage of fossil fuels and cope with the climate change.Based on the introduction of the fundamental structure of PV systems, this paper has analyzed the current design scheme of DC 1 000 V PV systems which has a tiny space on reducing the system cost and improving the system efficiency.Then it has introduced the design basis of DC 1 500 V PV systems and advantages on reducing the system cost and improving the system efficiency,and finally has given the specific design scheme and analyzed the application prospect of DC 1 500 V PV systems.

PV,DC 1 500 V,cost,efficiency

TM614

A

1674-9987（2017）02-0061-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.02.014

徐传进（1986-），男，工学硕士，工程师，毕业于天津大学自动化专业。现从事太阳能光伏及相关新能源领域产品研发、系统设计工作。