分布式光伏发电系统电气设计与分析

2021-04-14张昊

通信电源技术 2021年21期

关键词：选型电气设计导线

张昊

（广东电网有限责任公司河源供电局，广东河源 517000）

0 引言

随着市场经济的不断发展，能源利用和经济平衡发展成为重要议题。在发电系统管控体系中，利用分布式光伏发电模式在优化发电效能的同时减少资源浪费，打造更加贴合可持续战略需求的行业运行模式。

1 分布式光伏发电系统概述

1.1 内涵

分布式光伏发电系统是借助光伏组件打造更加合理的应用控制模式，从而将太阳能转换为电能的分布式电源系统。一般而言，分布式光伏发电系统会设置在用户场地的附近，其运行形式主要是用户侧自发、自用，剩余电量应用在上网方面，实现配电系统调节平衡的目标。秉承“就近发电、就近并网、就近转换使用”的处理原则，能更好地解决电能远距离传输造成的电能损耗问题，提升资源利用率[1]。分布式光伏发电系统结构如图1所示。

图1 分布式光伏发电系统结构

1.2 组成

分布式光伏发电系统主要包括光伏列阵、逆变器、控制器以及蓄电池。光伏列阵是一系列光伏组件共同组成的系统，也是整个分布式光伏发电系统的核心组成。分布式光伏发电系统主要是将太阳能转变为电能，同时配合蓄电池完成能量的存储管理。需要注意的是，光伏组件的质量和设备成本决定了整个分布式光伏发电系统的投入与使用效能。为了维持相应工作，在分布式光伏发电系统中配置合理且稳定的逆变器，发挥其逆变作用，将直流电直接输送到公共电网的交流电应用区域，维持整体应用控制的合理性。

2 分布式光伏发电系统电气设计方案

在明确分布式光伏发电系统应用要求的基础上，确保光伏方阵、组件、并网处理等工序都能满足实际需求，从根本上保障电气设计的合理性和规范性。

2.1 选型设计

2.1.1 光伏阵列

在分布式光伏发电系统设计过程中，光伏列阵要满足实际应用标准。对其安装朝向和角度予以控制，确保接收的太阳辐射能和倾角相匹配。辐射量计算公式为：

式中，S表示水平面上太阳直接辐射量，D表示散射辐射量，α表示正午时分太阳高度角，β表示光伏列阵倾角[2]。

2.1.2 并网逆变器

结合实际情况选择并网逆变器，不同逆变器对比如表1所示。

表1 并网逆变器对比

并网系统设计中，电池列阵和连接的逆变器要保证功率参数的匹配性。按照“组件标称功率×组件串联数×组件并联数=电池列阵功率”进行容量设计和处理，确保逆变器资源利用最大化。

2.1.3 电气接线图

选取“自发自用、余量上网”的应用模式，在家庭用户配电箱内设置微型断路器和双向计算功能的智能电能表，借助空气开关对接入电网予以控制。增设开断点，确保其能满足自动断开和闭锁的功能要求。此外，配置双向计算功能的智能电能表，将其设定为计量关口。若是选取在并网交流配电箱中安装计量多功能表，则将其作为校核电能表，并且电能表电流电压回路接线接入低压侧，尽量完成回路处理[3]。电气接线如图2所示。

图2 电气接线

2.1.4 电缆选型

在分布式光伏发电系统电气结构设计方案中，需保证电缆结构选型能满足实际应用需求，匹配规范标准落实具体工作，从而提升系统应用效能，维持良好的节能减排水平。

首先，估算压降。导线的线径计算公式为：

式中：I表示导线中通过的最大电流参数；L表示导线回路的长度；r表示导电率，若是铜质导线则为57，若是铝质导线则为34；U'表示允许的电源压降。依据计算结果评估绝缘导线载流量，从而结合实际需求选取适配电缆[4]。

其次，计算截面电流。由于金属导线截面存在最大通过电流，因此在计算电缆压降的基础上验证电缆截面电流是否满足选型的标准和设计要求，从而完成安全电流评估工作。

最后，确定最终选型。依据电缆绝缘性能、耐热阻燃性能、敷设方式、规格以及防潮防光效果等完成最终选型工作，确保整体工序满足设计规范，最大程度上提高整体应用效率[5]。

2.2 具体结构设计

2.2.1 光伏方阵设计

若是按照项目处理形式，分布式光伏发电系统电气结构主要分为彩钢屋顶和水泥屋顶两种模式。彩钢屋顶选取平铺的方式完成组件安装工作，使用规模和使用面积较大。水泥屋顶承载效果较好，配合光伏间距分析和倾斜角度分析完成具体设计方案的调节工作，发电量满足应用预期，但是存在整体面积使用率较低的问题。

若是光伏组件结构中相应温度参数出现变化，则开路电压也会随之变化，且两者呈反比例关系，即组件温度降低，则对应的开路电压数值升高。若是要求逆变器在较低的温度环境中持续稳定工作，就要对电池板串联电压进行集中管理。与此同时，及时分析当地最低气温，保证直流串联电压的合理参数范围，并且在光伏方阵应用中综合评估每一个组件的基本性能，打造更加匹配的性能参数应用控制模式，最大程度上提高分布式光伏发电系统电气设计的规范效果。

2.2.2 组件设计

目前较为常见的光伏组件分为单晶硅电池组件、多晶硅电池组件、非晶硅电池组件等，要结合实际情况选取适配的组件来保证整体布局控制的合理性。由于非晶硅电池组件的转换效率较差，因此一般会选取晶硅组件，在维持稳定性的同时提升转换效率。在行业全面发展的背景下，转换工艺也趋于成熟，产品性能较好且使用寿命较长。目前应用最为广泛的晶体硅组件就是单晶硅组件和多晶硅电池组件，两者的执行规定一致，需要结合具体情况予以选取[6]。

2.2.3 并网设计

在整个系统中，逆变器是维持DC/AC转换的关键，可以实现相位参数、频率参数以及电压参数的实时性调控。通过整合光伏方阵的应用要求，建立跟踪处理模式，以保证时效控制的最优化。

在并网设计中，要选取适宜的逆变器，依据实际情况匹配集中式逆变器、集散式逆变器或组串式逆变器。集中式逆变器基础功率参数在100～630 kW，功率器件要选取大电流绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），对应的系统结构则要匹配DC/AC一级电力电子器件，从而维持整体应用的合理性和科学性。为保证应用效果，集中式逆变器的保护等级要在IP20及以上，且室内安装时一般采用立式安装的方式。集散式逆变器基础功率参数约为1000 kW，并且功率器件使用的也是IGBT，系统选取对应的结构模式是DC/DC-BOOST升压处理机制，配合DC/AC全桥逆变两级电力电子器件维持应用控制的规范效果。此外，其对应的保护等级为IP20。组串式逆变器实用性较好，组件配置也非常多元，整体组件结构搭配和控制的效果更加灵活多样。若是在阴雨天气，这种逆变器的发电时间会延长。此外，组串式逆变器还有质量轻、易于运输的特点，无需特意配置配电室[7]。

除此之外，在实际设计和处理过程中，电压等级、输配电容量等技术参数都要匹配实际应用需求，同时结合光伏电站的电压等级选取适当的设计模式，保证分布式光伏发电系统电气并网设计效果的最优化。具体设计见表2。

表2 分布式光伏发电系统电气并网方式设计

3 实际应用

以广东易事特光伏并网项目为例，南部物流一期光伏项目利用物流园区4个仓库屋顶约70 000 m2安装光伏。项目采取的是“自发自用、余电上网”的分布式发电模式，大大提升了电能的绿色环保价值，整体节能减排效果显著[8]。在电站建成后，不仅有效缓解了厂区供电压力，还为地方电网供需工作的进一步优化提供了方向。通过打造系统化电源应用结构，减轻环保压力，也为地区节能减排、企业可持续发展提供了保障。