光伏发电系统的设计及应用

2021-04-14赵灵燕

通信电源技术 2021年22期

赵灵燕

（北京中铁建电气化设计研究院有限公司，北京 100043）

0 引言

随着“碳达峰、碳中和”各项工作政策的发布，在众多有利因素加持下，国家能源局表示“十四五”时期因地制宜地建设一批农光互补、渔光互补、牧光互补等多模式的光伏发电项目[1]。光伏发电原理是光生伏打效应。光生伏打效应是半导体PN结表面受到太阳光照射时，其内产生大量电子空穴对，在电场作用下运动，产生电动势和电流。单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓以及硒铟铜等材料的发电原理基本相同，现以常用的单晶体为例，结合华电韶关热电公司3.8MW分布式光伏项目描述光伏发电的设计过程。

1 太阳能资源的分析

1.1 我国水平面太阳辐射分布

太阳总辐射包括3部分内容，分别是直接辐射量、散射辐射量以及反射辐射量。直接辐射量为太阳直接发出而没有被大气散射改变投射方向的太阳辐射；散射辐射量是空气等各种微粒被太阳辐射分散成无方向性且不改变其单色组成的辐射；反射辐射量是太阳辐射被表面折回的且不改变其单色组成的辐射。

按照GB/T 37526—2019《太阳能资源评估方法》，太阳能资源丰富程度以太阳总辐射的年总量作为指标（国际单位1 kWh/m2=3.6 MJ/m2国内气象单位）[2]。年水平面太阳总辐照量等级如表1所示。

表1 年水平面总辐照量等级

1.2 太阳能资源数据的获取

太阳能资源数据的主要来源有以下两个方面。一是NASA卫星数据，美国国家航空航天局下属的科学委员会长期支持卫星观测系统并提供相关数据，该数据广泛应用于地球科学系统研究。二是Meteonorm数据，该数据来源于瑞士的研究所，包含有全球7 000多个气象站的辐照数据，其中我国有90多个气象辐射观测站收录在该软件的数据库中[3]。

本项目采用Meteonorm7.0气象数据计算得到场址代表年水平面总辐射量取值为4 795.2 MJ/m2，处于3 780～5 040 MJ/m2范围内，年水平面总辐射量属于C类（丰富），太阳能资源稳定度为0.42，项目所在地的太阳能资源属于B类（稳定），项目场址太阳能资源直射比年平均值为0.62。从太阳能资源的丰富性角度来看，本项目具备较好的开发潜力[4]。

2 光伏系统方案设计

2.1 光伏系统构成

光伏发电系统由光伏组件矩阵、逆变器、箱变、升压站等组成，光伏组件矩阵所发出的直流电流经逆变器逆变成交流电流，以一定的电压等级从用户侧或公共电网侧传输到与电网连接的光伏发电系统。光伏发电系统构成如图1所示。

图1 光伏发电系统构成

2.2 光伏组件的选用

单晶硅光伏组件的功率规格目前分为两档，分别为60片电池片（半片组件为120片）和72片电池片（半片组件为144片）。选型时需考虑降低光伏组件安装量，减少安装时间和安装材料，减少系统连线，同时还要考虑市场供求关系。为确保项目如期顺利投运，经过询价和调研市场上各功率段组件产能，本项目选用540W单晶PERC半片多主栅光伏组件，耐压1 500 V，光电转换效率为20.9%。

2.3 逆变器的选型及计算

逆变器是光伏发电站系统中的关键装备，应具备如下功能和特点。一是高效的DC/AC功率变换和组串最大功率点追踪，将光伏组件发出的直流电流转换为交流电流再并入电网；二是支持多路最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术、低启动电压技术以及低运行/自耗电技术；三是能长期在1.1倍额定功率下运行；四是具有高可靠性技术，能够实现零接触运维。

光伏电站的组串高精度数据采集单元负责实现对每路组串电压、电流数据的采集和上传功能，确保数据采集的准确度。本项目选用的100 kW组串式逆变器交流输出额定功率100 kW，交流输出最大功率110 kW，最高直流输入电压1 100 V，每路MPPT最大输入电流26 A，每路MPPT最大短路电流40 A，MPPT电压范围200～1 000 V，额定输入电压585 V，输出电压频率50 Hz，最大输出电流158.8 A。

2.4 光伏系统设计

2.4.1 太阳电池组件的设计

本项目选用的组串式100 kW逆变器最高允许输入电压为1 100 V，输入电压MTTP工作范围为200～1 000 V。电池组件串联数计算公式为：

式中，Kv为光伏组件的开路电压温度系数；K′-v为光伏组件的工作电压温度系数；N为光伏组件的串联数（取整数）；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；UDCmax为逆变器允许的最大直流输入电压；Umpptmax为逆变器MPPT电压最大值；Umpptmin为逆变器MPPT电压最小值；Uoc为光伏组件的开路电压（V）；Upm为光伏组件的工作电压[5]。经计算得，电池串联数6≤N≤20。综合考虑阵列排布的合理性及灵活性，选用18块组件串联组成一个太阳能电池组。结合所选100 kW逆变器的额定功率计算，每台逆变器可接入10～12路串联组件。

2.4.2 光伏子阵列排布

我国位于北半球，最大日照辐照接收量为正南方向，阵列倾角确定后，需关注南北方向前后阵列间的间距，避免出现阴影遮挡。光伏矩阵组件串前后排安装时的最小距离计算原理如图2所示。

图2 最小距离计算原理

最小距离的确定原则为冬至日当天早上9点至下午3点光伏矩阵不被遮挡。

太阳高度角的计算公式为：

太阳方位角的计算公式为：

最小距离计算公式为：

式中，Φ为当地纬度25.14°；δ为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为-23.5°；ω为时角，早上9点的时角为-45°；H为组件矩阵前排最高点与后排组件最低的高度落差[6]。

经计算，本工程地面部分阵列轴线间距按6.5 m考虑，混凝土屋面组件轴线间距按5.1 m考虑，彩钢瓦屋面的光伏组件沿屋面平铺安装，故组件本身不产生阴影遮挡，但在进行光伏组件的布置时要避开屋面采光通风天窗的阴影以及屋脊高差产生的阴影。由于屋面面积紧张，为提高使用率，方阵间预留0.5 m的检修通道。

3 发电量的计算

3.1 年理论发电量

太阳能光伏发电站年理论发电量按以下公式计算：

式中，W为发电量；U为日射量；Pm为太阳能光伏电池组件最大工作功率；P为太阳能光伏电池组件数量；HP为太阳能光伏电池组件参数；HC为线路损耗系数；PO为照射强度。

本项目厂房屋顶朝向分为2种情况，分别计算不同倾角辐射量并进行加权平均，从而得到屋顶综合辐射量。

3.2 光伏发电系统效率分析

本项目太阳能光伏发电站属温带半干旱大陆性季风气候类型，其温度折减按2%考虑，温度损耗折减修正系数为98%。本工程采用540W型单晶硅光伏组件，该组件失配率小、一致性好，其组合损耗系数为2%。太阳电池的灰尘、积雪等污染折减取2.2%，按照冬至日09：00—15：00前后排不遮挡进行设计，发电量损失按2%考虑。

结合以上所述光伏组件效率、逆变器效率、交流并网效率等经验系数，确定光伏发电总效率如表2所示。

表2 系统发电效率损失表

3.3 年上网发电量的估算

光伏电站建成后投入运营年的年发电量为逐年理论发电量与系统效率的乘积[7]。根据项目场地、屋面等现场实际情况对光伏电站进行优化布置，安装7 038块单晶硅电池组件（540 W），总容量为3.8 MW。其中一期总容量2.002 32 MW，初步估计电站投入运营第一年并网电量为219.86万kW·h，运营期25年平均年上网电量为207.75万kW·h，年平均等效装机利用小时数为1 041 h。二期总容量1.798 2 MW初步估计电站投入运营第一年并网电量为199.36万kW·h，运营期25年平均年上网电量为188.38万kW·h，年平均等效装机利用小时数为1 051 h。