分布式光伏发电系统设计

分布式光伏发电系统设计

李丽丽张世汉谭科

中机国能电力工程有限公司上海市200444

摘要：光伏发电是利用相关装置将太阳能转化为电能，光伏发电最核心的部件是太阳能电池组，在相关功率装置等的配合下，构成了太阳能发电装置。光伏发电因其具有清洁、无噪声、一次建造后后期维护成本低等优势，还具有建设期不长、国家政策扶持力度大等特点，在我国光能丰富的地区得到了广泛的应用。

关键词：分布式；光伏发电；系统设计

引言

传统的光伏电站经变压器升压通过线路送至用户处，因光伏发电量有限，经线路损耗、电站自用等损耗对于昂贵的光伏电价来说难免得不偿失。分布式光伏发电采用的就地发电，就地消纳，多余上网的模式，这种发电模式有效解决了目前光伏发电成本高的问题，只需很小的投入，用户就可以用光伏发电取得经济收益。本文将就分布式光伏发电的原理、选址要求、极板分布原理、并网系统的研究设计等方面对光伏发电进行分析探讨。

1分布式光伏发电定义

所谓分布式光伏发电，即在短距离内实现太阳能和电能之间的转换与消纳，通常用户既作为电源点也作为负荷端，另外多余的电量还可以进行上网发电，给用户创造出经济效益。所谓分布式是相对于集中式而言，分布式光伏发电具有以下特点。太阳能是一种自然能量，且目前人类能有效利用的太阳能仅占太阳能量的很小一部分，太阳能对目前人类的技术水平而言是可以无限开采且可以重复利用的。分布广泛性，凡是太阳照到的地方就可以利用，特别是对于一些偏远山区、不易建设高空线路的区域等，分布式光伏发电的适应性很好地解决上述问题。高效性，光伏发电利用的光电效应，不会向火电那样实现热能、动能、机械能、电能之间的转换，相较于传统发电，光伏发电中间环节特别少，因而能量损耗少，光伏发电的效率一般在80%以上，甚至更高。清洁无污染，节约水资源，和火力发电比较，在光伏发电过程中不会产生NOX、SOX、二氧化碳等污染物，也不会产生PM2.5等有害颗粒等，另外，光伏发电过程中不需要水进行冷却和进行能量转换，特别适合西北等光资源丰富、水资源匮乏等地区。

2分布式光伏发电系统基本原理

分布式光伏并网发电系统是近年来提出的“微电网”的一部分，是一个能实现自我控制、保护和管理的自治系统。其核心问题是使系统充分利用太阳能资源，在安装组件时应确保向阳光最充足的方向安装。其基本原理是利用太阳能电池组的光生伏打效应，通过并网逆变器，将光伏电池产生的直流电转换成与电网电压同频同相的交流电。太阳能转换为电能，主要分三步：太阳能电池吸收一定能量的光子后，半导体内产生电子-空穴对，电子带负电，空穴带正电；电极性相反的光生载流子被太阳能电池产生的静电场分离开；光生载流子和空穴分别被太阳能电池的正负极收集，在外电路中产生电流，形成电能。分布式光伏发电系统主要分为就近较低电压等级并网和集中控制、高压单点两种并网方式。小型光伏发电系统对公共电网的影响相对较小，一般采用就近较低电压等级并网方式。大中型光伏电站通常并网容量大，对电网潮流影响较大，一般采用集中控制、高压单点并网方式

3分布式光伏并网发电系统的主要构成

分布式光伏并网发电系统主要由太阳能电池组件、光伏方阵支架、并网逆变器、蓄电池、直流汇流箱、直流配电柜、交流配电柜、系统监控和环境监测装置等构成。其基本运行模式是，当太阳辐射时，太阳能电池组件将太阳能转换成电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器转换成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力由所接入的电网调节。

3.1太阳能电池组件

太阳能电池组件是分布式光伏发电系统的核心部件之一，目前应用最广泛的太阳能电池组件是结晶硅组件，用钢化玻璃、EVA及TPT热压密封而成，并加装铝合金边框，具有抗风、抗冰雹、便于安装等特点。太阳能电池通常由高纯硅材料制成，是一种半导体PN结器件。按照发电效率由高至低的顺序分为非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅电池、单晶硅电池和薄膜复合晶硅电池。其作用是将太阳能转化为电能，存储到蓄电池或推动负载工作。

3.2光伏并网逆变器

光伏并网逆变器是一种将直流电转换为交流电的电子器件，具备自动稳频和稳压的功能，能够确保光伏并网发电系统的供电质量。主要作用是将太阳能电池组件产生的直流电（12V、24V、48V）逆变成交流电，然后送入公共电网。主要性能指标是平均故障修复时间（MTTR）、故障率、可靠度、平均故障间隔时间

（MTBF）。光伏并网逆变器分为电流源电流控制、电压源电压控制、电流源电压控制、电压源电流控制四种。为确保光伏并网发电系统具备良好的动态响应，光伏并网逆变器应选择电压源进行输入。如采用电压控制方式进行输出，需要使用锁相控制技术实现与电网同步的目的，但锁相回路响应时间较长，很难对并网逆变器输出电压值进行准确控制，易造成噪声环流现象，因此建议采用电流控制方式作为光伏并网逆变器的输出方式。为提高并网电流质量，光伏并网逆变器电流输出侧需使用合适的滤波器。同时为确保公共电网的安全，并网逆变器还要考虑三相电压、电流不平稳、欠压、防雷接地保护、短路保护、防孤岛效应等保护措施。

3.3蓄电池

其作用是在有光照时储存太阳能电池板的电能，供负载使用。蓄电池一般使用免维护铅酸电池，也可使用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。主要性能指标包括额定容量、低温放电和充电性能、充电效率以及深放电后的恢复性能、使用寿命等。

3.4充电控制器

蓄电池因日照影响频繁充放电会出现过充电和过放电现象，缩短使用寿命。充电控制器能为蓄电池提供稳定的充电电流和电压，起到过充电（放电）保护的作用。

3.5监测系统

监测系统由数据采集系统、数据传输系统和数据中心组成。其中，数据采集系统包括环境监测、电参数监测等设备，主要功能是从电压传感器、电流传感器、智能传感器、温度传感器等被测单元中采集数据，送至上位机进行分析处理；数据传输系统主要用于电站数据监测系统中监测装置与数据采集装置之间、数据采集装置与数据中心之间的数据传输；数据中心是指集中多个光伏电站数据的环境，将传感器采集的信息在数据中心进行处理和显示。

4分布式光伏发电设计

4.1设计原则

综合性比较，至少设计三种及以上的方案，通过对比分析选择较为合适的方案；资源优先，通过光资源综合分析、地理位置、气候条件等确定；根据日照条件合理设计太阳能电池板方阵；集中监控，智能巡视操作。核算造价，计算收益。

4.2分布式光伏发电设计流程

分布式光伏发电设计要经过以下流程：实际勘验，进行实地考察，观察待装光伏发电区域日照、经纬度、海拔高度、气候、屋面条件等，进行先期光伏投资预判；运行模式确定，和用户确定是用户自用或者预留裕量上网系统，自用商用共同设计；全年评估，主要包括屋面结构的牢固性、使用寿命评估，用户全年用电量分析，如参与上网还需要考虑电网的接入点和每年向电网发电的电量评估计算出全部区域内的分布式光伏的总装机容量；设备选型和总体系统设计，根据实际光伏发电需要和投资成本分析，选择相应的光伏系统硬件布置、网络传输（目前无线传输技术比较活跃）、主设备选型、蓄电池组设计、电池板排列方阵设计、汇流箱及其余系统设计、总体安装方案设计、辅助建筑设计、NCS设计、五防设计、保护配置设计、接地防雷设计、并网设计、光功率预测系统和远动通讯设计、项目概预算、环境评估等程序。

4.3分布式光伏发电系统设计应考虑因素

（1）时间季节。在理想情况下，分布式光伏发电系统的产能随着太阳辐射的增强而逐渐提高，正午时达到最高，随后随着太阳辐射的减弱产能便逐渐下降。另外，对于国内而言，夏季的太阳辐射明显强于冬季，因此分布式光伏发电系统夏天的产能同样高于冬季。

（2）天气状况。天气状况也是影响分布式光伏发电系统的一大因素，每当阴天或下雨时，太阳辐射显著降低，分布式光伏发电系统的产能自然下降。因此，天气情况给分布式光伏发电系统造成了不确定性。

（3）系统效率。系统效率是影响分布式光伏发电系统产能的关键因素。太阳能电池组件、逆变器、变压器等组成部分的效率直接影响系统的发电效率，因此设计系统时，必须全面考虑可能影响系统效率的所有因素，以便设计出高效率的分布式光伏发电系统。

5结语

我国能源长期依赖于不可再生的石油及煤炭，给环境带来严重的负担。大力发展清洁能源能够实现国家的节能减排目标。分布式光伏发电能够实现每座建筑、每片适宜的土地都能分散生产、就地使用，尤其适合土地资源受限、电价相对较高、工业规模更大的地区。

参考文献

[1]分布式光伏发电系统的电气设计研究[J].赵宇峰.自然科学(文摘版).2016(17)

[2]基于分布式光伏发电系统电气设计分析[J].田玉成.科研.2016(08)

[3]关于分布式光伏发电系统的电气设计研究[J].钱鹏程，倪志剑.工程技术(全文版).2017(36)

作者简介：作者简介：李丽丽，女，河南郑州人，郑州大学电气工程学院自动化专业，学士学位，电气设计师，单位：中机国能电力工程有限公司；研究方向：发输变电设计。