内蒙古自治区村级光伏扶贫电站系统设计及优化

王明

(上海霆华能源科技有限公司，上海 201314)

0 引言

脱贫攻坚战是党的十九大提出的三大攻坚战之一，光伏扶贫作为“十大精准扶贫工程”之一受到高度重视[1]。第1批光伏扶贫项目共下达14个省(自治区)、236个光伏扶贫重点县、8 689个光伏扶贫电站，扶持对象为14 556个建档立卡贫困村的710 751户建档立卡贫困户，其中包括内蒙古自治区锡林郭勒盟3个县、112个村级光伏扶贫电站。本文以内蒙古自治区锡林郭勒盟村级光伏扶贫电站为研究对象，从实际工作出发，分析村级光伏扶贫电站的选址、系统设计以及并网方案的优化设计，为将来光伏扶贫电站项目的系统设计提供参考。

1 锡林郭勒盟村级光伏扶贫电站现状

锡林郭勒盟位于中国的正北部，土地面积为20.3万km2，全盟草原总面积为19.7万km2，地处东经115°13′～117°06′，北纬43°02′～44°52′；年平均气温约4.3 ℃，极端最高气温为38.7 ℃，极端最低气温为-38.8 ℃，无霜期约130 d，季节性标准冻结深度为2.60 m；年降水量为170～190 mm，年蒸发量约为2 384 mm；风向主要为西北风，风力一般为3～5级，最大9～10级，年平均风速为5.5 m/s，是国内最佳的风力发电场地；海拔1 104.23～1 109.97 m，地形起伏不大，地貌属第四系冲洪积平原地貌；当地以汉族为主，有蒙古族、回族、朝鲜族等23个少数民族。 综上所述，在村级光伏扶贫电站选址和设计阶段会面临地广人稀、语言沟通不便、气候恶劣、草原防火等问题，导致系统设计的合理性更加难以把握。只有结合当地的实际情况对系统设计方案进行优化，才能使投资收益最大化。

2 村级光伏扶贫电站的选址

锡林郭勒盟地广人稀、地形复杂、草甸草原分布广泛，不适宜分散建设村级光伏电站。拟建项目存在建设用地距并网点距离远、建设成本大、线路损耗高等问题。

对此，根据当地实际情况并征求相关政府部门意见后，确定该项目设计方案为多村联建、分表计量、整体送出、统一运维，以方便运维及管理，并且为以后光伏发展留有空间。基于此，选址宜在有足够消纳能力的35 kV或110 kV变电站5 km以内。

表1 组件串联数不同时开路电压比选Tab.1 Comparison of open-circuit voltage with different number of components per string V

3 村级光伏扶贫电站的系统设计及优化

根据《光伏扶贫电站管理办法》，村级扶贫电站单个电站规模原则上不超过300 kW，具备就近接入和消纳条件的可放宽至500 kW。村级联建电站外送线路电压等级不超过10 kV，建设规模不超过6 000 kW。锡林郭勒盟有118个建档立卡贫困村，备案112个村级光伏扶贫电站，采取多村联建、分表计量、整体送出、统一运维的系统设计方案，将很大程度解决贫困村电网改造、扶贫项目选址、后期运营维护、三大村级光伏扶贫电站建设等难题。

3.1 光伏扶贫电站模式

光伏扶贫电站主要由光伏场区和送出线路两部分组成，光伏场区包括光伏组件、组串式逆变器、交流汇流箱、变压器等主要电气设备。按照《光伏扶贫电站管理办法》，村级光伏扶贫电站所发电量全部卖给国家电网有限公司，也就是“全额上网”。国家能源局和国务院扶贫办对每座村级光伏扶贫电站进行了统一编码并建立档案目录。国家电网有限公司提供计量表，国家根据发电量和相关政策结算补助资金。

3.2 光伏组串设计及优化

GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》中光伏组件串的串联数N的计算公式为(2个公式需同时满足)

式中：Vdc,max为逆变器允许的最大直流输入电压；Voc为光伏组件的开路电压；Vpm为光伏组件的工作电压；Vmppt,min为逆变器最大功率点跟踪(MPPT)电压最小值；Vmppt,max为逆变器MPPT电压最大值；Kv为光伏组件的开路电压温度系数；Kv′为光伏组件的工作电压温度系数；t为光伏组件工作条件下的极限低温；t′为光伏组件工作条件下的极限高温。

根据该地区的气象资料，特别是历史最高气温和最低气温，同时考虑固定安装特点进行计算。

(1)逆变器参数：MPPT电压范围，200～1 000 V；最大输入电压，1 100 V。

(2)光伏组件参数：开路电压Voc，38.9 V；峰值功率电压Vmp，31.8 V；工作电压温度系数Kv，-0.330%/℃；开路电压温度系数Kv′，-0.330%/℃；额定功率，295 W。

(3)环境参数:最低温度，-37.2 ℃；最高温度，40.0 ℃。

将上述参数代入式(1)、式(2)计算N为18～24时的直流输入参数，见表1。由表1可知，N为18～22时，可满足逆变器的输入要求。

综上所述，该地区单台逆变器可采用峰值功率为295 W的单晶硅电池组件，22 块组件串联为1 路组串。

在实际项目中，光伏组件的工作温度和开路电压受辐照度、温度等环境因素影响较大，系统设计时直接取该地区极端低温缺乏合理性。系统设计时需对光伏组件工作条件下的极端低温进行修正[2]。

修正温度

式中：tw为光伏组件在辐照度为80 mW/cm2、环境温度为20 ℃及风速为1 m/s条件下的工作温度，一般晶硅组件为45 ℃；S为辐照度，mW/cm2；ta为环境温度，℃。

优化后可根据项目地实测的辐照度S和环境温度ta计算出符合当地环境的组串串联数量。

4 并网方案

根据国家电网有限公司颁布的《分布式光伏扶贫项目接网工程典型设计的通知》(国家电网运检〔2016〕408号)，该地区村级光伏扶贫电站接入方式宜为10 kV电压等级并网[3-4]。

5 围栏设计

光伏扶贫电站设计理念是“无人值班、少人值守”，围墙作为电站的保护设备显得尤为重要。锡林郭勒盟属于草原地区，冬季风大，大风很容易把枯草吹积在围栏一侧，长期积累会造成围栏垮塌。建议围栏方案为：先建设800 mm高砖墙作为围栏基础，再在砖墙之上做1 000 mm围栏。这种设计虽然成本有所增加，但可以有效抵抗风沙、枯草给围栏增加的载荷。

6 场区防火设计

该地区春秋季降雨较少，风较大，而且光伏场区内的直流极易产生拉弧，一旦引起草原火灾，后果十分严重。因此，该地区除了采取规范要求的防火措施外，还要充分考虑当地的自然条件，建设草原防火隔离带。草原防火隔离带的宽度要视光伏场区实际地形而定，要能有效控制火势蔓延。在易产生拉弧的设备附近安装智能火源识别系统，保证第一时间发现火源、控制火势。

7 结束语

(1)锡林郭勒盟的贫困村自然环境比较恶劣、交通不便、电网条件相对落后，按照备案分散实施，施工难度大、收益和后期运维无法保证。因此，对于偏远地区的村级光伏扶贫项目，一定要深入贫困村收集一手资料，针对不同的地区，因地制宜，设计出合理方案。

(2)村级光伏扶贫设计最重要的环节之一就是送出系统。送出系统需要设计单位和当地电网公司积极配合才能顺利完成相关设计。在初步设计阶段，扶贫工作主导部门要做好各部门的协调工作，积极推进。

(3)国家电网有限公司规定：小型光伏电站总容量不能超过上一级变压器供电区域内最大负荷的25%，这一规定使贫困村的光伏接入容量受到限制，建议国家相关部门加快贫困地区农网改造，确保村级扶贫电站和接网工程同步建成投产，光伏扶贫项目上网电量全额收购，及时发放补贴，使贫困人口都能用上绿色能源，早日脱贫。