大型地面光伏电站中光伏方阵容量的优化设计

陈 清，赵植城，吴丽华，王春林，郭培育，汪四友

(国电南京自动化股份有限公司，南京 210032)

0 引言

我国西北、华北等地区的太阳能资源丰富、地势平坦、地广人稀，且土地租金便宜，非常适合建设大型地面光伏电站，但在此地建设大型地面光伏电站的唯一制约因素就是此类光伏电站远离负荷中心，其所发电能无法就地消纳，需要远距离输送，导致光伏电站的投资与损耗均较大。但随着国内特高压技术的飞速发展，跨省、跨区域特高压通道在陆续规划中，此制约因素造成的影响也在慢慢降低。

大型地面光伏电站主要包括2 个部分：光伏场区与升压站(开关站)。光伏场区主要以光伏发电系统为主，电气设备主要为光伏组件、汇流箱、逆变器、箱式变压器、集电线路等。其中，针对地势平坦的大型地面光伏电站，逆变器宜选用集中式逆变器。光伏发电单元示意图如图1 所示。

图1 光伏发电单元示意图Fig.1 Schematic diagram of PV power unit

自2010 年至今，随着国家政策的支持，国内光伏行业的发展迅速。在行业发展初期，采用的集中式逆变器的机型主要是1000V 500kW/630kW机型，光伏方阵容量一般选用1MW/1.25MW，这2 种逆变器机型及光伏电站技术方案沿用了很多年。随着光伏组件光电转换效率的提高，以及逆变器单机功率的增大，光伏电站中光伏方阵容量从1 MW、1.6 MW、2.5 MW 逐渐增大到3.125 MW；而从2016 年开始，国内一些逆变器厂家在国外推出了1500 V 集中式逆变器并大量装机投运。随着国内光伏补贴下降及政府推出光伏竞(平)价政策，自2018 年起，一些逆变器厂家开始在国内推广1500V 2.5MW/3.125MW 机型的集中式逆变器，且此逆变器机型及光伏电站技术方案已逐渐被用户认可。

国外如越南、印度、非洲等地区的地面光伏电站选用3.125 MW 规格的集中式逆变器时，光伏方阵容量通常采用6.25 MW。为了验证此光伏电站技术方案在国内是否适用，本文以新疆维吾尔自治区吐鲁番市的气候条件为例，对在该地区建设的大型地面光伏电站选用3.125 MW 规格的集中式逆变器时的光伏方阵容量展开了研究，分析光伏方阵容量选择3.125 MW 和选择6.25 MW时该光伏电站的经济性及可行性。

1 光伏方阵的设计要点及优化

1.1 电气设备选型

1.1.1 光伏组件选型

根据材料及制造工艺进行分类，太阳电池可分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池。目前市场上生产和使用的太阳电池多数采用晶体硅材料制作而成，而相比于多晶硅太阳电池，单晶硅太阳电池的光电转换效率较高，其市场占有率也在逐年上升。因此，本文案例选用Z 厂家生产的72 片型单晶硅光伏组件，最大功率为440 Wp，最大系统直流电压为1500 V。

1.1.2 箱式变压器及逆变器选型

按照原理及功率来分类，目前市场上的主流逆变器可分为集中式逆变器、集散式逆变器、组串式逆变器。由于吐鲁番地区的地势平坦开阔，因此，本文案例选用S 厂家的集中式逆变器，其最大直流输入电压为1500 V，MPPT 电压范围为875～1300 V，额定交流输出功率为3.125 MW。采用此规格的集中式逆变器，光伏方阵容量可以选用3.125 MW 或6.25 MW。当光伏方阵容量选用6.25 MW 时，为2 台3.125 MW 集中式逆变器接入到1 台6.25 MVA 升压变压器。

当前选用集中式或集散式逆变器的光伏电站，均将逆变器和箱式变压器集成为预装式光伏并网逆变装置，这是因为预装式光伏并网逆变装置的集成度高，可有效节省投资。通常预装式光伏并网逆变装置集成了逆变器、电力变压器、高低压开关设备和控制设备等。

1.1.3 光伏方阵容量的选择

本案例选取新疆维吾尔自治区吐鲁番地区某大型地面光伏电站中的2 个光伏方阵进行对比验证。其中，1#光伏方阵的容量为3.125 MW，2#光伏方阵的容量为6.25 MW。

1.2 光伏组件安装倾角及光伏方阵间距的优化设计

1.2.1 光伏组件安装倾角的确定

根据光伏电站所在地的水平面太阳辐射量数据，利用PVsyst 软件可以分析并计算出在采用固定支架安装时，该光伏电站场址区域内在最佳安装倾角下光伏组件倾斜面接收的年太阳辐射量，即光伏组件倾斜面可接收的年太阳辐射量最大值。

采用固定支架、安装倾角分别为0°和36°时，全年内光伏方阵倾斜面接收的月均太阳辐射量如表1 所示。

表1 采用固定支架、安装倾角分别为0°和36°时，全年内光伏方阵倾斜面接收的月均太阳辐射量情况Table 1 When fixed bracket is used and installation angle is 0°and 36°respectively，monthly average solar radiation of inclined plane of PV array in a year

由表1 可以看出，经PVsyst 软件计算，采用最佳安装倾角36°安装时光伏方阵倾斜面接收的年总太阳辐射量较安装倾角为0°时的有较大提高，且在实际运行环境中，倾角安装有利于光伏组件表面排水及自清洁，因此本文光伏方阵选用最佳倾角安装方式，采用固定支架安装。

1.2.2 光伏方阵间距的计算

根据光伏发电的原理，光伏组件要尽可能避免被遮挡，因此光伏电站外围不宜有高大树木或建(构)筑物，光伏电站内部则要保证光伏组件相互间不遮挡。根据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》，光伏组件相互间不遮挡的要求具体为：光伏方阵内各排、列及光伏方阵之间的布置间距应保证每天09:00～15:00(当地真太阳时)时段内光伏组件前、后、左、右都互不遮挡。本文研究的间距包括光伏方阵内前、后排光伏支架的间距及相邻光伏方阵的间距，二者南北向的间距取值原则一致，因此本文将二者统称为“光伏方阵南北向间距”，其示意图如图2 所示。

图2 光伏方阵南北向间距示意图Fig.2 North-South distance of PV arrays

图中，D为光伏方阵南北向间距，D=D1+D2；H为光伏方阵垂直高度；Z为光伏方阵向南倾角；α为太阳高度角；β为太阳方位角；r为光伏方阵方位角；L为光伏方阵纵向长度；L′为太阳射线在地面上的投影距离。

经计算，D≈12.8 m，考虑到新疆维吾尔自治区的日照时间较长，因此D的取值选择13.0 m。

1.3 最优容配比的选择

根据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》中的公式，可计算得到本光伏电站的光伏组件串联数为26 块。

光伏发电系统容配比(下文简称“容配比”)是指安装的光伏组件标称功率之和与安装的逆变器额定有功功率之和的比值，当该比值大于1:1 时，被称为“超配”。容配比的选择应结合光伏电站所处区域的太阳能资源情况、场地情况及工程造价水平等，经技术性、经济性综合比较后确定。Ⅰ类太阳能资源地区的推荐容配比不超过1.2:1，Ⅱ类太阳能资源地区的推荐容配比不超过1.4:1，Ⅲ类太阳能资源地区的推荐容配比不超过1.8:1[1]。

由于吐鲁番地区属于Ⅱ类太阳能资源地区，所以本光伏电站的容配比选择1.22:1。在此容配比下，1#光伏方阵中交流侧逆变器容量为3.125 MW，则直流侧光伏组件装机容量为3.8 MW；2#光伏方阵中交流侧逆变器容量为6.25 MW，则直流侧光伏组件装机容量为7.6 MW。

1.4 光伏方阵的电气设备布置原则及电缆选型

光伏方阵的主要电气设备包括光伏组件、逆变器、汇流箱、箱式变压器及电缆，电气设备的布置是否合理对电缆长度及压降的影响很大。对于采用集中式逆变器的大型地面光伏电站而言，箱式变压器及逆变器宜布置在光伏方阵中央，这样可以减小交、直流系统的电缆长度，从而节省投资。因此，本光伏电站将逆变器和箱式变压器集成后的预装式光伏并网逆变装置布置在光伏方阵的中央。

1#光伏方阵的平面布置图如图3 所示，2#光伏方阵的布置原则和1#光伏方阵一致。

本光伏电站的光伏组件至汇流箱的电缆选用型号为H1Z2Z2-K 1×4/6mm2的光伏专用电缆；直流汇流箱选用1.5 kV 24 路，额定输出电流为257 A；交流电缆考虑直埋修正系数，选用型号为ZC-YJLV22 1.8/3kV 2×300mm2的电缆。

图3 1#光伏方阵的平面布置图Fig.3 Layout plan of 1# PV array

光伏方阵容量越大，直流电缆与低压交流电缆的用量越大，所以电缆用量是在选择光伏方阵容量时需要重点考虑的因素。由于本光伏电站位于吐鲁番地区，纬度较高，光伏方阵南北向间距较大，所以光伏方阵容量对电缆用量的影响较大。

根据NB/T 10128-2019《光伏发电工程电气设计规范》的要求，对于集中式和集散式逆变器而言，连接光伏组件、直流汇流箱和逆变器直流侧的直流电缆压降在标准测试条件下不宜超过2.0%[2]。

根据《电力工程电气设计手册电气一次部分》[3]中的公式进行直流电缆压降校验，即：

式中，ΔU%为直流电缆压降；U为直流电缆的工作电压，V；Ig为直流电缆的计算工作电流，A；Lz为直流电缆的线路长度，m；R为直流电缆的电阻，Ω/km。

光伏组件到汇流箱和汇流箱到逆变器直流侧的直流电缆压降满足NB/T 10128-2019 中的相关要求。因此，H1Z2Z2-K 1×4mm2型号电缆的长度不超过98 m，H1Z2Z2-K 1×6 mm2型号电缆的长度不超过147 m；ZC-YJLV22 1.8/3kV 2×300mm2型号电缆的长度不超过208 m。不同直流电缆压降下各型号电缆长度的计算结果如表2 所示。

表2 不同直流电缆压降下各型号电缆长度的计算结果Table 2 Calculation results of cable length under different DC cable voltage drop

2 不同光伏方阵容量的经济性对比

1#光伏方阵及2#光伏方阵的电气设备选型及设计原则一致，由于光伏组件、光伏支架、桩基础价格不影响光伏方阵的单瓦造价对比，所以本文对这部分内容不做统计，仅对因光伏方阵容量不同而引起的电气设备型号不同，以及影响光伏方阵单瓦造价的工程量变化进行对比分析。

2 个光伏方阵的电气设备、电缆、土建等的工程量统计分别如表3、表4 所示。

根据表3、表4 中2 个光伏方阵电气设备、电缆、土建等工程量的统计结果，可以计算出2个光伏方阵的单瓦造价。1#光伏方阵的单瓦造价为0.2706 元/W，2#光伏方阵的单瓦造价为0.2701 元/W。从结果可以看出，2 个光伏方阵的单瓦造价基本持平，因此，选用3.125 MW 规格的集中式逆变器时，光伏方阵容量选择6.25 MW 的优势不明显。分析原因，主要是该大型地面光伏电站位于新疆维吾尔自治区吐鲁番地区，当地纬度高，光伏方阵南北向间距达13 m，光伏方阵容量对电缆用量的影响较大，从而导致光伏方阵的单瓦造价无优势。

光伏方阵南北向间距越小，光伏方阵容量对电缆长度的影响越小。例如在河南省郑州地区，地面光伏电站的光伏方阵南北向间距约为9.2 m，在海南省海口地区，地面光伏电站的光伏方阵南北向间距约为6 m，二者均比新疆维吾尔自治区吐鲁番地区地面光伏电站的光伏方阵南北向间距小很多。因此，若地面光伏电站位于纬度较低的地区(如我国中部及南部地区)，光伏方阵容量选用6.25 MW 时可以有效降低光伏方阵的单瓦造价，节省总投资；而在纬度较高的地区(如我国北部地区)，由于光伏方阵南北向间距较大，光伏方阵

容量选用6.25 MW 的优势不明显，建议光伏方阵容量还是选用3.125 MW，灵活性更大。

表3 1#光伏方阵的电气设备、电缆、土建等的工程量Table 3 Quantities of electrical equipments，cables and civil works of 1# PV array

表4 2#光伏方阵的电气设备、电缆、土建等的工程量Table 4 Quantities of electrical equipments，cables and civil works of 2# PV array

3 结论

本文以新疆维吾尔自治区吐鲁番地区的气候条件为例，对在该地建设的大型地面光伏电站的光伏方阵容量分别采用3.125 MW 及6.25 MW 时的经济性及可行性进行了研究。研究结果表明，光伏方阵容量为6.25 MW 时光伏方阵的单瓦造价与光伏方阵容量为3.125 MW 时光伏方阵的单瓦造价基本持平，因此在该地区光伏方阵容量选择6.25 MW 的优势不明显。分析原因，主要是该大型地面光伏电站位于新疆维吾尔自治区吐鲁番地区，当地纬度高，光伏方阵南北向间距大，光伏方阵容量对电缆用量的影响较大，从而导致光伏方阵的每瓦造价无优势。

因此，若地面光伏电站位于纬度较低的地区(如我国中部及南部地区)，光伏方阵容量选用6.25 MW 时可以有效降低光伏方阵的每瓦造价，节省总投资；而在纬度较高的地区(如我国北部地区)，由于光伏方阵南北向间距较大，6.25 MW 光伏方阵容量的优势不明显，建议选用3.125 MW 光伏方阵容量，灵活性更大。