光伏发电站系统优化设计建设探讨

中电建新能源集团股份有限公司河北分公司 温子明 梁 卓

近年来，我国注重且践行“节能减排、绿色低碳”环保理念，并将其与社会各行业的建设相融合，以此为可持续发展战略的实施提供基础保障。在电力行业中，新型能源的创新发展对社会具有显著促进作用，能够进一步提高电力系统运行稳定性与安全性，同时为人们提供更高质量的电力能源。但是从实际角度分析，电力系统的优化设计还存在一定的问题，需要结合工程实际情况对发电站系统进行优化设计，将科学理念融入其中，这样才能够保障发电站系统的社会效益与经济效益。基于此，本文对光伏发电站系统的优化设计建设进行了分析。

1 光伏发电站系统概述

1.1 光伏发电站系统分类

光伏发电系统包括独立发电系统、混合型发电系统、并网光伏发电系统等多种类型，具体如下。一是独立发电系统。该系统是指利用太阳能电池板吸收光能，最终将其转变成为直流形式的电力能源。同时，能够进行直流供电与交流供电两种供电。二是混合型发电系统。该系统与独立发电系统之间的区别在于具有备用发电机组，能够保证系统全部的发电需求。三是并网光伏发电系统。该系统在逆变器影响下和电网系统之间进行有效连接，并确保两者之间保持同频、同相状态，这样才能够保证电力能源进入电网系统中[1]。

1.2 光伏发电站系统工作原理

光伏发电站系统主要是指，基于半导体界面的光生伏特效应，将光能转变成为电力能源的技术，其内部核心元件是太阳能光伏动力电池，其在并联后进行加密维护即可得到太阳电池组系统，与功率控制器等系统进行配套使用极为光伏发电站系统设备[2]。光伏发电站系统在实际应用时，受到地理因素的影响效果比较小，同时具有低污染、低噪声、安全稳定、能源消耗少等优点，在架设专用系统线路后就能够投入运行，并且具有较短的工程建设周期。

2 光伏发电站系统优化设计工程实例

本文以三北地区某电力工程为例进行分析，对光伏发电站系统展开优化设计分析，其中包括系统设计、光资源分析以及投资效益等部分，同时结合地区项目实际建设情况，对重点与关键环节进行详细讲解说明。

2.1 系统设计

光伏发电站系统中使用的光伏组件具有多种类型，结合本工程地理位置，最终选择规格为255Wp的多晶硅光伏组件，运行方式为固定式，光伏仿真最佳固定倾角设计为40°；以并联形式连接光伏组件，连接数量设计为202-204路；光伏组件之间的距离为1.5m；逆变器装置选择使用500kW/台的逆变器。

2.2 资源分析

本工程所处地区属于温带大陆性干旱气候，全年降雨量相对较少，日照时间比较长。在经过综合分析后能够得到该项目年太阳能总辐射量约为6169MJ/m2，根据太阳能资源丰富程度评估指标相关规定，太阳能年总辐射量达到5040～6300MJ/m2时，属于资源很丰富的等级，因此对本工程的资源评价为“资源很丰富”。

2.3 投资效益

结合现有工程规定、费用标准等内容，对工程投资效益进行综合分析，能够确定本工程具有良好的盈利能力。

3 光伏发电站系统的优化设计建设分析

3.1 太阳能资源分析优化

一是对光伏发电站系统具体运行环境情况进行分析，对影响因素以及资源损失系数进行计算。二是对工程地区中资源条件数据的真实性、可靠性进行全面验证分析，以此对地区太阳能辐射的实际变化情况具有清晰地了解认知，同时利用概率统计方法对工程代表年数据进行精准选择。三是对太阳位置参数计算结果的精准度进行优化，尽可能降低参数计算结果的偏差影响；以发电站阵列面的实际情况对辐射量进行计算，同时对计算模型进行科学选择，以此为发电量、项目收益以及间距分析等提供数据支持[3]。

3.2 光伏组件设计优化

本工程的地域性特征，对于光伏发电站系统的发电运行具有显著影响效果，因此需要结合地区现有气相观测数据，以及实际测光信息对各组件进行优化设计，在优化时注意以下事项。

一是控制太阳电池组件串联后的最高输出电压小于太阳电池组件自身最大电压，电压变化范围应控制在逆变器系统工作范围内。二是太阳能电池组件串联的数量设计应结合环境温度、太阳能辐射、逆变器规格等因素综合考虑。同时，分析外界因素以及直流通路损耗情况对于光伏阵列的具体影响。三是为进一步降低系统直流损耗，需要确保太阳电池组件串联后的输出电压在符合标准的条件下，尽可能选择最大值。四是针对同一逆变器下连接的子阵，优先选择组件功率相同，其他性能相似，且距离相对较近的汇流箱，距离相对较远的则连接到另一逆变器中，以此降低直流压降和组件一致性的问题对于MPPT 的负面影响，进一步提高系统实际运行效果[4]。

3.3 光伏阵列设计优化

针对集中式的并网光伏发电站系统，如果设计为固定式安装，需要将全年发电量最大时的倾角作为太阳电池组件的倾角；如果设计为斜单轴自动跟踪式安装，还需要对倾角过高的影响问题进行充分考虑。在设计时需要结合工程实际情况进行多方案综合对比分析，对技术和经济指标等进行综合分析后选择最佳方案。光伏阵列是由多个单元组合形成的，因此在对阵列角度优化设计时，需要对实际条件以及太阳位置进行综合计算分析，尽可能提高太阳发电时间，以此为基础对间距进行计算分析，最终能够得到最佳安装角度[5]。

3.3.1 组件行间距和发电量关系分析

在对光伏发电站间距进行优化设计时，依据“冬至日9:00～15:00期间不被阴影遮挡”的原则进行。从本工程实际情况分析，其光伏组件的阴影遮挡现象比较明显，以11月至次年1月为例分析，对每月10日、20日、30日的辐射强度进行分析，具体情况见表1。

表1 11月至次年1月水平面总辐射强度

通过数据分析能够发现，现阶段的间距设计能够满足设计需求，如果进一步增加组件设计，对应的光伏阵列面积也会增加，成本与工程建设量也会随之增加。为进行较为精准的定量分析，依据本工程可研阶段设计的方案对太阳电池阵列进行设计，组件大小为165cm×99cm，倾角假设为该地区最优倾角40°。

本工程所在地区光伏发电站用地指标为60ha/20MWp，同时对综合管理区域、站内道路区域以及逆变器室内区域情况综合考虑，在用地指标规范允许条件下，对冬至日的真太阳时在8:45至15:15时间段可增加0.5h 无遮挡的运行时间，与原本设计发电量相比增长率达到0.58%。

3.3.2 倾角和发电量关系分析

依据工程项目场地2021年10月至2022年9月实时监测的太阳总辐射、散射辐射以及直射辐射的数据，不同倾角下的总辐射量进行科学计算。

基于分析能够得出以下结果：倾斜面总辐射量处于最佳倾角附件时具有最小的变化量，变化率小于2%，但是此时对应的阵列面阴影遮挡率能够得到2%；阵列间距不变时缩减倾角，能够降低阵列阴影遮挡，以此提高对太阳能资源的利用效果，可适当延长发电站系统的有效运行时间；不同倾角对应的总辐射量损失也不同，40°倾角对应的损失率能够达到1.9%，而33°倾角对应的损失率为1.08%，对应的辐射量提高了0.81%左右。

因此，本工程的阵列面倾角最终设计为33°，在提高发电站系统发电量的同时，能够进一步降低工程基础建设成本投入，对于发电站系统综合收益的提升具有显著的积极作用。

3.4 工程建设优化

3.4.1 支架基础建设优化

支架基础的优化设计应确保其整体稳定性、结构刚度，以及强度等参数均符合工程规范要求，确保后续应用的安全可靠，正常使用的最短年限在25年以上，同时对支架用钢量、基础混凝土的使用量等进行控制，实现工程成本的节约[6]。对支架以及基础结构设计进行优化时，需要结合工程实际气候环境、施工条件以及生产加工能力等多方面的因素，优先选择防腐材质的钢材，对支架和连接件的标准化、便捷化以及可靠性建设进行科学设计。

针对本工程的具体特点，在满足工程基础设计要求的条件下，从适用性和经济性两个角度对支架基础建设进行优化。

由于太阳能电池组件自身的重量相对比较小，在支架建设时为节省材料应用，针对主要结构利用冷弯薄壁型钢材，针对受力杆件位置设计为工字型钢和矩形钢，能够保证结构受力要求，同时与其他材质相比具有良好的经济合理性；针对檩条选择C型钢。

利用螺栓连接方法对电池组件与支架进行连接，檩条与组件边框使用4个螺栓连接，能够保证整个结构在外力作用下具有均匀的受力效果，整体破坏现象发生概率比较低，具有安全可靠的特点。针对支架各杆件的连接设计为螺栓连接，对杆件安装位置进行科学设计，尽可能使用同一规格的杆件，以此降低施工误差。

3.4.2 逆变器室通风优化

本工程所属地区具有比较明显的地域特殊性，夏季炎热干燥，对于逆变器而言具有较大危害性，因此在优化设计阶段，对逆变器室的通风进行强化，确保逆变器能够在高温环境下正常安全运行。

针对工程中的逆变器室利用整体遮阳保温隔热的节能设计，确保逆变器室内部的净高度；对逆变器室的排风口以及进风口位置设计有防火、防尘等系统装置，确保其符合相关规范；对逆变器室内部运行设备的参数以及环境条件进行综合分析，以此计算通风散热量，对通风机的型号进行对比选择，对通风口位置进行科学设计，确保整个通风系统的通畅性；光伏发电站系统实际占地面积较大，为进一步加强管理效果，针对逆变器系统设计有远程监控功能，将其与温度控制器系统联合应用，以此实现对逆变器室通风系统的高效化、智能化管理。

4 结论

综上所述，光伏发电站系统在建设期间具有明显的复杂性和系统性的特点，需要利用科学方法对其进行优化设计。本次研究以某地区工程项目为例开展深入分析，探讨了光伏发电站系统优化设计的重点与要点，包括太阳能资源分析、光伏组件优化分析、光伏阵列与倾角优化设计、工程建设优化等环节，以此实现了对整个设计环节的分析说明，希望为光伏发电站系统的设计与优化提供一定参考帮助。