分布式光伏发电系统电气设计与分析

分布式光伏发电系统电气设计与分析

艾兴勇袁桂馨

引言

太阳能光伏发电可分为2种，即并网型和离网型。由于光伏发电成本较高，所以早些年国内光伏发电的应用还不广泛，只有一些无电地区及特殊行业利用离网型光伏发电系统发电。近些年，随着能源消耗量不断上升，我国越来越重视新能源的利用，政府针对光伏发电行业出台了一系列利好政策并给予补贴。这推动了光伏发电的迅速发展。另外，太阳能光伏发电越来越受欢迎还因其具有以下特点：太阳能光伏发电干净、环保且方便与建筑物有机结合。过去，太阳能扮演“补充能源”角色，而如今已经承担起“替代能源”的责任。光伏建筑一体化是近些年利用太阳能进行光伏发电的新形式。光伏建筑一体化就是将太阳能发电产品与建筑物集成，在建筑物上安装太阳能光伏发电系统。该形式不仅能减少土地利用面积，还能有效降低传输损耗，提高能源利用效率，因此光伏建筑一体化技术越来越受关注。

1分布式光伏发电概述

分布式光伏发电指的是在用户附近建立分布式电源，并以环保、高效的自主发电方式将太阳能转换为电能，向本地负荷直接提供电力。早些年，我国的分布式发电只是利用锅炉的余热发电并输送给附近用户，以此提高原系统的能源利用效率；而近些年，分布式发电指利用太阳能、风能等新能源发电，并使发电系统靠近负荷中心。太阳能不但清洁、环保，而且总量无限，又由于太阳的大范围辐射，分布式光伏发电摆脱了地理位置的约束，其可与建筑物、有机地结合。另外，分布式光伏发电系统的安装简单且容易操作，不占用建筑物以外的土地面积，且其运行过程对环境几乎无损害，因此，分布式光伏发电是利用太阳能发电的有效方式。分布式发电系统的发电地距用电地非常近，所以无需建立变电站和配电站，因此可有效降低传输过程中的损耗，节约发电成本，提高生产效率。另外，分布式发电系统的运行方式将电力的生产与利用更加紧密地联系起来，使得用户可以实现电力自行管理。同时，分布式光伏发电系统具有较高的可靠性，其能为公共电网无法覆盖的偏远地区提供电力。因此，分布式光伏发电是一种极具发展潜力的能源转换形式。

分布式光伏发电系统具有以下几个特点：①输出功率低，对经济性具有较小的影响，即与大型发电系统相比，其投资收益率相差不大；②分布式光伏发电清洁、环保，对环境的负面影响较小，系统运行过程不仅污染物排放少，对空气和水的污染小，且几乎不产生噪声；③能有效克服局部地区用电紧张的难题；④发电和用电科学、有效地并存。

2分布式光伏发电系统电气设计要点

（1）在针对光伏组件的选型方面，光伏组件主要有以下几种类型：非晶硅电池组件、单晶硅电池组件、多晶硅电池组件等。其中非晶硅电池组件成本价格低，外部环境对组件运行影响不大，存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10％左右，且不够稳定，常有转换效率衰降的现象，所以尚未大量用于作大型太阳能电源；晶硅类电池组件由于制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点，被广泛应用于大型并网光伏电站项目。

晶硅类电池又分为单晶硅电池组件和多晶硅电池组件。两种组件最大的差别是单晶硅组件的光电转化效率略高于多晶硅组件，也就是相同功率的电池组件，单晶硅组件的面积小于多晶硅组件的面积。两种电池组件的电性能、寿命等重要指标相差不大，执行的标准也相同，在工程实际应用过程中，无论单晶硅还是多晶硅电池都可以选用。但单晶硅组件的价格比多晶硅组件的价格高10％左右。

综合对当前光伏电池组件技术水平，工艺成熟度，以及转换效率等因素的考虑，应当优选选用大功率晶硅电池组件，以确保光伏发电系统的可靠运行。

（2）在有关分布式光伏发电系统逆变器设备的选型方面，工作人员需参考整个分布式光伏发电系统的装机容量，选择输出功率与其基本一致的逆变器设备。除此以外，在逆变器的选型中还需要综合考虑最大直流电压、MPPT数量、MPPT电压区间、额定输出电压参数、直流输入接线端口数量、以及功率因素等相关技术参数对分布式光伏发电系统电气运行的影响。例如，在对直流输入接线端口数量的选型上需参考组串并联具体路数，在对组件组串数量的选择上，则应当考虑最大支流电压以及MPPT电压区间的影响，而在对MPPT数量的选型上还应当考虑系统内部光伏组件的具体朝向情况。

（3）在有关组串连接部分的电气设计中，应当遵循的思路为：分布式光伏发电系统中组件方阵的电气连接基本遵循串联先、并联后的工作原则。通过串联的方式获得所需的工作电压，进而通过并联的方式获得所需工作电流。在分布式光伏发电系统光伏阵列中，同一光伏组件串中各个光伏组件所对应的电性能参数应当保持在一致状态下。

（4）在有关直流汇流箱的电气设计中，汇流箱的基本功能使将光伏组件所输出多路直流电源进行汇流处理，然后连接至逆变器中。作为直流汇流箱中最关键的电器元件之一，主断路器额定工作电压应当大于或等于回路工作电压最高值，同时额定电流应当大于或等于回路工作电流最高值。一般情况下，直流回路的断路器采用直流断路器。如果在直流回路中使用交流断路器，可以考虑采用二极或三级串联的办法。

（5）在针对光伏直流电缆的选型方面，需根据分布式光伏发电系统所处的特殊环境条件设计光伏设备专用无卤PV1-F电缆，支持组件间汇流连接以及跳线功能。特别需要注意的一点是：在分布式光伏发电系统运行环境温度≥60℃的情况下，需对载流量进行合理修正。

总而言之，光伏发电是目前广泛应用的节能减排技术手段之一，可应用清洁可再生的太阳能支持电能需求，在治理环境污染问题，降低GDP能耗等方面均具有非常确切的价值。其中，对电气系统及关键设备的电气设计水平将直接影响整个分布式光伏发电系统的运行效能。以上研究中简要分析了分布式光伏发电系统的定义与特点，进而从逆变器选型、组串连接、直流汇流箱及光伏直流电缆选型这几个方面入手，对电气系统的设计要点进行探讨与分析，望能够引起相关人员的重视及关注，以促进分布式光伏发电系统电气性能的提升、完善。

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