大型山地光伏发电系统应用问题浅析和优化设计探讨

程宇旭

（株洲中车时代电气股份有限公司 湖南株洲 412001）

2020 年9 月22 日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话时表示［1-2］：将提高我国自主贡献力，采取更加有力的政策和措施，CO2排放在2030年前力争达到峰值，在2060年前努力争取实现碳中和，这不仅规划了碳中和、碳达峰时间表和任务图，也为中国能源改革发展设定了总体时间表和任务图。到2030年我国风电、太阳能发电装机总容量将达到12亿kW以上，这说明我国新能源发展迎来了更好契机。根据国家相关文件要求，牢固树立“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念，把加快发展光伏利用作为推进能源生产与消费革命、替代煤炭等化石能源、促进电力体制改革、优化能源结构的重要方式，以扩大多元化市场、持续推动技术进步、创新体制机制为主线，积极推进光伏利用和创新发展，提高其利用的经济性、市场竞争性和市场竞争力，为实现非化石能源发展目标和碳排放目标提供重要支撑，为经济社会可持续发展提供重要保障。随着我国光伏事业不断发展壮大，装机容量日趋增加，地理条件优越、常年日照丰富、便于施工建设的土地资源逐渐减少，针对次等建设条件的大型山地将成为未来光伏发展的重点攻克对象、资源抢占点。基于此，对大型山地光伏发电系统进行优化设计研究，使整个光伏发电系统运行性能效益达到最大值，尤为重要［3］。

1 当前我国能源产业发展现状

1.1 大型山地光伏市场情况

从当前各地出台的政策来看［4］，2021 年在整体推动分布式大型光伏背景下，有很多地方政府不断出台鼓励政策措施，还有的地方给予光伏发电公司补贴、奖励或补助。如浙江省在政策补贴上极为突出，现在已有丽水、温州、宁波、泰顺县、云和县、平湖、乐清、吴兴区等8个市、县（区）在电量上给予了一定补贴，其中宁波的电量补贴已经达到了0.45 元/kW·h；又如北京市在2020年印发了《关于进一步支持光伏发电系统推广应用的通知》，也给出了实质性的奖励；再如广东省的深圳市及深圳市的南山区、东莞市以及广州黄埔、开发区、高新区、肇庆高新区等6 个市、县（区）在光伏方面给予了一定补贴，最高的电量补贴可以达0.3 元/kW·h，在各类建筑或构筑物上建设的分布式光伏发电项目，按照装机容量每兆瓦18万元给予装机补助。这说明当前政策支持力度大，光伏发电等清洁能源发展势头迅猛，鉴于当前大型山地光伏发电受到诸多因素影响，造成实际装机容量跟不上当前的产业发展需求，说明市场前景非常可观。2021 年全国的发电装机容量为23.77 亿kW，与上年同比增长7.9%［5］，而太阳能并网的装机容量3.07 亿kW，与上年同比增长20.9%，说明光伏发电量占比上升空间还很大。

1.2 大型山地光伏建设成本现状

虽然说当前的光伏发电成本与以前相比已经降了很多，但从大型山地的地形地貌来讲，不同区域所需光伏发电设备支撑不一样，在加强大型山地光伏发电系统建设过程中，需要更多的辅助材料，自然而然增加了更多的成本。另外，有的企业在投资建设过程中，设计单位到现场勘查勘探不到位，对光照情况和地理区域没有进行深入了解，致使设计过于理想化，造成设计概算超过实际投资概算，无形中给企业带来额外负担。这说明在建设上成本依然还是不容乐观，在如何优化设计降低建设成本上非常有必要。如在西南某地投资建设17MW 大型农业山地光伏发电站，建设、设备、土地、人工、管理等总投资概算为7.2亿元；又如广东某市的第一个大型集中式地面光伏电站装机容量为700MW，总投资达35亿。

1.3 技术应用与系统效率情况

在以前一段时间内，出现并网难度较大，尤其是大型山地受到地理地域、电网布局结构及配套电气系统等相关技术限制，光伏产业布局、发电站建设等无法找到更加先进的技术支撑，产业发展的速度从一定程度上受到了严重制约。随着国家供给侧结构性改革，光伏发电技术得到了快速推动，行业供给水平加速发展升级，在未来行业内针对工艺落后、设施设备低端、产品效果低效的产能将被逐步淘汰退出市场，终究会被优质、高端、高效、低耗及附加值高的产能供给所替代、更替。同时，光伏发电产业的未来必将经历一场技术创新革命，当前产业规划、产品生产、发电站建设等相关的市场产业业态必将进行专业化、聚集度高的复合产业整合，产业要素和资源最终会向用户或产业开发方向倾斜。然而近年来，光伏发电的技术已经逐步发展成熟，但在系统优化设计方面仍然存在很多不足，当前最为明显的就是光伏发电效率问题总会被设计忽视，系统效率制约而影响着光伏发电设施设备的有效运转，往往造成了相关电气设备浪费，给发电站建设和日常运营维护带来更高的投入成本。另外，运行可靠性存疑，长此以往，给光伏发电技术应用与市场化推广带来了不利影响。

2 大型山地光伏发电系统主要存在问题

2.1 有限山地面积难以满足装机容量的设计要求

大型山地光伏发电系统设计、建设、管理、应用等是满足大型山地光伏发电系统高效运行的必备条件［6］，然而受到大型山地地理位置的影响，难以成片开发设计，针对有限的使用面积，设计人员得到现场进行反复勘探，点对点地专门设计，需要花费大量的人力、物力、时间，建设光伏发电站、维护发电系统运行、提升生产效益也会受到严重影响，一定程度上来讲，光伏发电事业的长效发展受到了一定的阻碍。受大型山地地质地貌的影响，区域电场中存在大量沟沟坎坎、陡坡边角等，在遇到洪水、大风等不可抗力时，发电站中所布局的电缆电线、避雷针、箱逆变等一些主要设施设备将会受到一定威胁，日常的维护管理很艰难。

2.2 电站系统效率达不到设计要求

在行业内［7］，很少有人会注意到光伏电站建成后的实际系统效率，大部分人认为光伏电站的效率是按照设计时的效率运行的，当运行效率达不到设计效率时，总会认为是不是后期运营管理不当造成的，但实际上造成发电系统效率的原因有很多，因为光伏发电站系统效率随着辐照强度的不断变化而变化，辐照强度越低、日照时间越短，那系统运营的效率也就越低。如果组件、线缆、箱逆变等设施设备存在损耗过大同样会造成光伏电站系统效率变低。设施设备运行运转需要耗费一定的自耗电，在低辐照状态下自耗电就会较高，同样也是造成系统效率降低的原因之一。当然，如果存在系统设计缺陷，发电系统效率就更难以保证了。

2.3 技术革新跟不上产业迭代需要

从当前光伏发电系统来讲，整个设计大体分为硬件系统和软件系统两大类［8］。电气设备如组件、逆变器、箱变、电力电缆、电站监控及配套系统等选型不够精准，无法支撑系统高效运行，如在发电元器件和支杆支架等硬件方面，有些生产厂家为了降低企业生产成本，大量使用质量比较差、加工比较粗糙的发电必要材料，致使电子元器件的质量达不到很好要求或使用寿命缩短，这会给整个发电系统造成致命影响。在软件方面，如果电站的信息化程度低，对运维后期将会造成很大的影响，如软件系统在设计过程中存在漏洞或缺陷，要么导致整个发电系统运转不正常、时常出现异常，要么直接导致整个系统瘫痪，从而大大降低了发电工作效率。

3 光伏发电系统设计优化

3.1 光伏设备技术选型

光伏设备选择总体来讲有光伏组件、光伏支架、逆变器、线缆、配电箱（汇流箱）等。太阳能板可根据实际，选择市场份额占比大、技术成熟、25年输出功率不低于初始功率80%的单晶组件（或多晶组件）；在山地光伏阵列基础设计时，综合考虑技术经济及施工难度等因素，优先选用钢筋混凝土灌注桩基础。灌注桩基础成孔较为方便，混凝土和钢筋用量小，开挖量小，施工浇筑工序较为简单。对于地形复杂地区，设备机械等无法到达的场地钢筋混凝土灌注桩基础适应范围较强。在选择光伏支架时，通常建议选择固定式热镀锌C型钢支架，与组件使用寿命保持一致，尽量一次性设计到位，避免现场焊接，确因特殊原因需现场焊接的，切实做好防锈处理并定期检查，尽可能选择市场占有率大、口碑好的组串式逆变器，选择耐高温、抗老化、承载力、折弯等性能较好的光伏线缆。基于电站交流侧相当损耗水平的电气性能应用，可考虑采用铝合金电力电缆进行系统降本增效优化。

3.2 优化布局光伏阵列

受地形地貌客观条件的影响，山地项目光伏阵列布置设计中需综合考虑山体数目、高度、位置、朝向、坡度、植被等多种因素，进行阵列优化布局设计。单块太阳电池板可输出电压有限，想确保光伏阵列输出电压满足逆变器输入要求，必须科学串联光伏组件布置形成阵列；同时考虑山地地形地貌现状，尽可能充分地利用现场土地，提前清理可能造成阵列阴影遮挡的障碍物。针对每组阵列间的有效间距和安装角度要进行充分测量计算和设计施工，将遮阴距离缩小到最佳位置，保证在有限照射强度和时间范围内，太阳光得到最大化的接收和利用，使得光伏组件运行达到最大值。根据国家标准，光伏阵列在冬至日9 点至15 点不能出现遮阴，则遮阴距离为d2=0.707H/tan[arcsin(0.648cosΦ-0.399sinΦ)]（H为上一组件的高度，Φ为项目所在地的地理纬度），详见图1。

图1 光伏阵列有效间距示意图

在山地光伏发电系统设计阶段，基于选定的箱变、逆变器、升压站设备电气参数、设备布局位置参数及集电线路选型、路径，采用电力系统仿真软件建模仿真，进行光伏电站电气系统损耗仿真，以达到电气系统效率优化设计目标。

3.3 光伏发电系统智能化、信息化

在光伏电站设计时，同步考量智能化建设、数据采集软件安装、规范KKS 编码体系、信息化运行管理、运行指标体系建设等，远程监控监测现场、运行情况，针对故障通过颜色辨别，快速定位、及时分析、跟踪处理，弥补传统光伏发电系统不足，降低管理成本、提高综合发电效率、保障系统安全，通过基础数据分析，建立数据模型，提高市场应用，推动光伏电站智能化、信息化和科学化。

3.4 其他优化方向

此外，根据不同资源区辐照条件等因素进行逆变器容配比优化设计，可以有效降低LCOE，同时可以使发电曲线更为平滑，降低电网的调峰压力，提高光伏发电渗透率；开展精细化的光伏方阵容量设计研究，可进一步减少电站逆变器、变压器等设备配置数量，降低安装维护成本，同时可减少线缆投资和降低施工成本；预装式升压站因可有效避免设计耗时长、土建工作量大、协调管理工作量大、调试困难、专业化要求高等传统升压站建设痹症，已逐步受到愈多投资方和设计运维人员的青睐。

4 结语

随着光伏发电系统应用场景不断拓展，大型山地光伏应用逐步进入越来越多发电企业投资视野。本文通过分析大型山地光伏发电系统目前存在的诸如有限山地面积难以满足装机容量设计要求、电站系统效率达不到设计要求、信息化程度低等主要存在问题进行分析，详细阐述了光伏设备技术选型、光伏阵列布局优化、智能化信息化升级等山地光伏发电系统的优化设计方向，使整个光伏发电系统运行性能效益达到最大值。本文研究对大型山地光伏发电系统优化设计具有一定的参考和借鉴意义。