光伏发电系统电气设计分析

摘要：本文通过对光伏发电系统的构成及工作原理入手，提出了光伏发电系统电气设计方案，以期提高光伏发系统的整体运作质量，推动社会的稳定发展。

关键词：光伏发电系统;电气设计;光伏电池

1 光伏发电系统概述

1.1 光伏发电系统的构成

一般来说，光伏发电系统通常有光伏阵列、储能设备、逆变器、充放电控制器等结构构成，如图1所示。

当阳光照射到光伏阵列中时，便可以将其转换为电能，由光伏阵列输出电流，但输出稳定性可能会受到影响，需要利用DC-DC转换器将电流转变为稳定电流，才能直接传输到蓄电池中。蓄电池负责存储电能，并对负载供电。若系统为并网售电，那么无需设计蓄电池，只需要连通并网逆变器将直流电流转变为交流电流在电网中出售即可，离网型光伏发电系统需要应用蓄电池存储电能，但并网型则多数情况下无需蓄电池。

1.2 光伏发电系统的工作原理

光伏发电系统的运作原理便是光生伏打，利用太阳管对特殊物质的照射使内部粒子充分吸收光子，通过光子移动产生电势能，从而实现光能转变为电势能的整个过程。在光伏发电系统运作期间，最主要的发电结构便是太阳能电池板，因此太阳能电池板的性能参数对于能量转化的整体质量具有关键性的影响。完备的光伏发电系统通常包含了太阳能电池板和控制器、交流配电箱等结构。太阳能发电系统中，独立发电系统是在闭路中产生的电路，而并网发电系统便是标准接口和供用电网的连接系统，整体上来看如同一个小型发电厂。独立式发电系统便是将接收到的太阳能转变为电能，同时多余出来的能量便会转存到蓄电池，并网发电系统是运用光伏数组将接收的太阳辐射能转变为高压直流电，经过逆变器输送到电网[1]。

2 光伏发电系统电气设计方案

2.1 设备选择

2.1.1 逆变器

光伏发电系统逆变器是通过晶闸管来控制系统的导通实践，利用有关措施实现直流电向交流电的转变。根据电源属性能够将逆变器划分为电压或电流类型两种，而根据激磁方式又能划分为自动型逆变器、他动型逆变器，根据波形还可以划分为方波、正弦波两种，电压型逆变器电路如图2所示。

在实际应用中，光伏发电系统中的逆变器能够作为交流电和直流电的转换能量通道，而且还与二极管、逆变桥并联，逆变器线路回路在过电流保护设备和电压保护器中进行设计，利用直流符合来控制开关。在实际设计中，还需要具有完善的自动开关系统，在白天时能够及时打开收集太阳能资源，在晚上时便自行关闭，由于电容量较大，因此要合理选择逆变器进行控制[2]。

2.1.2 太阳能光伏电池

太阳能光伏电池通常是利用一定的方法将太阳能辐射能量转变为电能，这需要应用到一定的设备来实现。光伏电池是通过特殊技术来处理非金属硅片，从而保证其应用效能，在太阳光的作用下，电子游离中会产生电位差，利用电位差来实现操作应用。目前常用的太阳能光伏发电系统规格长宽都为156mm，根据不同的材料应用又能分为多晶硅和单晶硅等不同类型。

2.1.3 太阳能光伏组件

太阳能光伏组件通常由各种光伏电池而构成，属于一种结合体，在光伏电池片串联的同時也会产生规格不一的电池板，其参数如表1所示。

2.1.4 箱变

在太阳能光伏发电系统中，只能有监控装置有着相变模拟量采集、通讯等功能，而且还可以和传统自动化监控系统的通信管理设备、光纤交换机功能进行结合，实现数据的高效传输与通信，并且能够做到设备通讯信息的集中式传输，利用光线接入到自动化监控系统，实现光伏发电站的远程管理，这也是系统智能化管理与无人管理的必要条件。相变装置需要在低压开关柜中安装，不仅具有通信管理功能，而且还具有测控及保护功能，相变设备的合理应用能够降低光纤交换机与通讯管理机的设计数量，提高集成性，并且优化系统配置，控制成本等。

2.2 光伏发电系统监控

监控系统选择分层分布式结构，在系统中设计监测组件和通讯管理设备，中央设计集中管理设备。现场光伏组件阵列中的所有光伏组件的运作稳定性安全性都能够得到全程监测，也就是说每一个光伏组件的电流电压和温度等运作基本信息都能够设计相应的监测元件，通过数字通讯系统和监控中心连通，在系统运作情况异常时能够及时监测出异常情况的位置与基本情况。现场光伏汇流箱中都需要设计光伏组串监控设备，各路光伏组串回路中设计电压和电流、直流电弧监测元件，同时针对防雷保护装置的运行质量以及断路器通断性能也要进行监控。针对逆变器直流总输入电流、开关状态、滤波器、过电压保护器、电压等情况进行监控。针对输入总功率与运作电能情况能够进行打印。针对逆变器的交流侧电流、电压、设备运作温度等情况进行实时监控，控制冷却风机的开关停启以及输出功率等，并设计直观的监控仪表。

2.3 集电线路一次系统设计

2.3.1 明确集电线路的设计方案

需要设计好集电线路的初步设计方案，在光伏阵列的结构选型中多选择1000kVA容量的变压器，之后将电流回流至开关站母线中。200MWp光伏阵列中的所有分针都能够利用首位串联的形式连通电线路。在箱变高压侧也可以设计高压负荷开关，规避方阵分合影响到其他方阵的运作状态。

2.3.2开关站的电器计算

光伏发电系统需要对开关站进行电器计算，开关站的选址一般为平缓地带，并且阳光遮挡较少的位置较为适宜.能够尽量降低土方量，提高线路接入的便利性。在电气主接线的选择上，需要划分低压站用电压和高压站用电压两种电压，通过两会集电线路汇集电能，将电能输送到开关站，之后利用单回架空出线的方式与变电站连通。对于35kV系统来说，一般选择单母线主接线形式，母线通常一次建成，在母线上也需要设计六面柜。

2.4 电气一次设备选型

2.4.1 35kV配电装置的选择

在选择35kV配电装置时，需要结合开关站海拔高度以及场地具体条件选择，地理位置的评估要素选择需要用到固定开关柜。固定开关柜与移动开关柜各有优势，其中固定式开关柜的成本投入较少，后期修整也较为便利，维护空间较大，但更换频率较低。移动开关柜占地面积较小，重量也不高，但整体上来看容易出现系统失灵等现象，这对于后期运维工作来说相对较为麻烦。

2.4.2 其他设备参数设计

开关柜技术参数包含了电流、短路开断电流、短路关合电流、额定电压、外壳防护等级等。断路器的技术参数要根据以下几项参数进行全面考虑：耐时耐受电流、短路开断电流、峰值耐受电流等。隔离开关需要重点分析的技术参数有：短时耐受电流、峰值耐受电流、短时工频耐受电压、雷击耐受电压等。

2.5 电气二次系统设计

2.5.1 安全自动装置与UPS系统

在电气二次系统的设计方面，需要选择安全自动装置与UPS系统。前者需要对35kV架空送出线路和电缆集电线路进行保护，而UPS系统辨识交流不停电系统，能够保证蓄电池浮充电等不停电负荷予以稳定的电能供给。

2.5.2 NCS

电气二次系统需要设计NCS监控系统来对系统的发电运作状态实施动态化监测以及实时性分析，针对光伏发电站的发电效能进行合理评估。NCS包含了站控层与间隔层，若站控层运行失效时，间隔层依然可以稳定运作。光伏发电站的NCS监控内容包含了逆变器、开关站配电装置、太阳能电池方阵等，可以起到保护、监控、发动警报等效果。

3 结束语

经济的不断发展使得对于能源资源的需求量不断在提高，而不可再生能源由于其储量和开发量有限，已经逐渐面临枯竭的危机，所以我们要将目光投向可再生能源，这也是经济发展步入可持续发展的重要途径。太阳能便是一种理想的可再生能源，目前也在各个行业和领域汇总获得了广泛的应用。太阳能资源的合理应用不仅能缓解能源短缺的问题，而且还减少了环境污染问题，对于人们的环境保护起到了积极的作用，目前已经逐渐走向千家万户，应用于人们的日常生活中，这对于能源结构来说也是一种直观的优化措施。对此需要进一步提高光伏发电系统及其电气设计方案的优化，提高光伏发系统的整体运作质量，推动社会的稳定发展。

参考文献

[1]马欢，解析光伏发电系统电气设计方案[J].低碳世界，2017 （31）：18-19.

[2]许冬梅，熊小俊，孙泽人，庞小霞.谈光伏發电系统电气设计[J].智能建筑电气技术，2016，10 （02）：43-49.

作者简介

孙晓鹏（1973-），男，山东省德州市人。大学本科学历，讲师。研究方向为电气电子。