分布式光伏发电系统电气设计分析_韩志华.pdf

光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 超越照明133分布式光伏发电系统电气设计分析韩志华，刘 秦信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司山东分公司，山东 济南 250101摘要：在能源资源应用愈发紧张的现代社会，分布式光伏发电这一创新型能源开发手段的应用也趋于成熟。分布式光伏发电系统的应用不仅缓解了我国能源资源短缺的现象，同时还能充分节约不可再生资源，为我国社会经济发展水平的提升打下良好基础。分布式光伏发电系统最明显的特征是用户与发电系统之间距离较近，在此基础上，输电网络的数量减少，依托光伏阵列便能实现能源的转换，建筑表层温度也可随之降低。基于此，文章结合具体案例对分布式光伏发电系统电气设计要点进行针对性分析，为相关单位提供参考。关键词：分布式发电系统；光伏发电；电气设计分类号：TM6150引言随着科学技术的不断进步，各行业领域发展所消耗的能源和资源不断增加。目前，各行业的发展对包括石油、煤炭在内的不可再生能源具有较强的依赖性，而这些能源具有明显的不可再生特征，无法充分满足当下社会经济可持续发展的基本需求，甚至在一定程度上增大了生态环境的压力和负担。在此背景下，实现清洁可再生能源的高效应用，是达成国家节能减排目标的关键途径之一。作为一种全新的能源开发手段，分布式光伏发电不仅具有分散生产等特征，而且其便于就地应用，与我国当前时代发展需求相适应，因此，其应用得到了大规模的推广。对分布式光伏发电系统电气设计进行全方位分析，有助于提高系统电气性能，提升其应用价值。1分布式光伏发电系统的主要特点1.1 优点1.1.1 稳定高效相比于其他发电系统，分布式光伏发电系统不仅输出功率较小，同时还可规避集中式光伏发电系统对输电线路的依赖问题。集中式光伏发电系统需依托线路向电网输送电力，并在此基础上进行电力的统一调配，在此过程中系统运行极易受到电网的影响。分布式光伏发电系统的容量不大，相较于集中式光伏发电系统，电网不会对其发电效率产生任何干扰，且其制作成本较低，而工作效率却可以和集中式光伏发电系统相媲美。1.1.2 绿色环保分布式光伏发电系统在运行过程中不会产生大量噪声，而且施工单位通常将其安装在建筑物楼顶，周围居民的日常生活不会受到太多影响。分布式光伏发电系统的应用不会对环境产生污染，其发电过程无需燃烧，只需太阳光照射便可发电，而且太阳能向电能转换期间不会产生有害物质。在我国社会经济发展过程中应用分布式光伏发电系统能进一步改善用电紧张的现状。包括风力发电、火力发电和水利发电在内的发电方式不仅对环境提出了较为严苛的要求，而且并不是每个地区都能够顺利应用这些发电形式。但太阳能这一清洁能源覆盖了地球上的每个角落，只要有太阳的区域，分布式光伏发电系统的应用价值便能得到充分展现。分布式光伏发电系统还能与建筑工程高效结合，分布式光伏发电系统的结构可以得到有效节省，安装成本也会进一步减少1。1.2 不足分布式光伏发电系统的能量密度较低，某些地区建筑楼顶能够为分布式光伏发电系统提供的安装面积有明显的局限性，因此分布式光伏发电系统的应用仍无法彻底解决部分区域的用电紧张现象。为了推动分布式光伏发电系统的高效应用，提高其能量密度成为业界学者研究的重点。2分布式光伏发电系统电气设计案例以山东菏泽牡丹区一期 6.2 MW 分布式光伏项目为作者简介：韩志华，男，本科，工程师，研究方向为光伏发电。文章编号：2096-9317（2023）01-0133-03 超越照明 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明134例进行研究。该项目位于山东省菏泽市牡丹区沙土镇，距离菏泽市市中心 25 km。分布式光伏发电项目所利用的厂房面积达 60 127 m2，项目总规划容量达 50 MW，第 1 批拟采用 550 Wp 单晶硅组件 11 286 块，而直流侧装机容量达 6.2073 MWp。项目选用模式为“自发自用，余电上网”，光伏所发电量将以 0.4 kV 线路接入厂区配电室内 0.4 kV 母线侧。该分布式光伏发电系统的建设主要是在建筑屋面铺设太阳能组件。应用分布式光伏发电系统，各项资源能得到最大程度的节约，分布式光伏发电系统的应用也在一定程度上体现了新能源技术的应用价值2。2.1 接入方案设计根据国家电网公司编写的分布式电源接入系统典型设计的基本要求，系统并网接入 380 V 电压用户配电室的变压器低压侧母线处，并网点总数为 17 个，厂区设置 1 000 kVA 箱式变压器。2.2 电气主接线及发电单元接线设计在进行电气主接线设计时，设计人员必须综合考量电站设计的装机规模、系统接入方式、枢纽布置情况、光伏方阵布局和具体的设备特征，并在此基础上完成接线方式的初拟。主接线的设计必须满足供电稳定、运行灵活、接线简单等要求，与此同时，接线设计还需便于后续操作及检修。项目的发电单元主要采用 550 Wp 单晶硅组件11 286 块，直流侧装机容量为 6.207 3 MWp，所选用的组串式逆变器功率为 110 kW 和 40 kW。2.3 主要设备选择和安装在进行主要设备选择时，必须保证所选设备满足导体和电器选择设计规程（DL/T 52222021）的要求。针对安装海拔高度超出 1 km 的区域，必须全面校验核对电器设备外绝缘情况，在 1.1 倍最高工作相电压下，应用的电器和金具在晴天夜晚不可出现可见电晕。所选择的电器设备的噪声水平必须与环保标准要求相符，设备的连续噪声水平不得超出 85 dB。针对项目室外设备，必须将其放置在预制舱，或保证其拥有金属外壳的保护。外露金属件必须提前做好防锈处理工作，喷涂耐久性较高的防护漆。2.4 监控系统设计通常情况下，光伏发电系统的设计需遵循“少人值守”原则，在光伏电站必须安装综合自动化监控系统，实现电站的电力监控和故障报警功能。依托于相关通信接口，每组光伏阵列的运行数据和具体工作状态将直接被传输到主监控室，主监控室能对这些信息进行全面监控。监控系统的功能包括数据采集和处理、数据统计计算、画面显示、数据和画面记录、事故预告和报警等3。2.5 继电保护设计继电保护设计主要包含并网线路保护、母线保护、防孤岛检测和安全自动装置的设计以及并网点、同期点、解列点的设计。项目并网点共 17 处，并网点断路器不仅要具备长延时保护功能，同时还要发挥短路瞬时保护、欠压脱扣作用。一旦线路出现短路故障，线路保护需立刻实现，在第一时间跳开断路器，保证权限故障能够快速切除。与此同时，断路器还必须对辅助接点的故障和运行状态进行准确、及时的反应。由于分布式光伏发电系统选用 380 V 母线，因此无需设置母线保护。针对防孤岛检测和安全自动装置的设计，选用具有防孤岛能力的逆变器，该逆变器不仅具备快速检测孤岛的功能，同时也可以在检测到孤岛效应之后立即断开电网连接。防孤岛检测装置的设计必须与安全自动装置、继电保护的设计需求相契合，时间上也必须具有协调和匹配性。该分布式光伏发电系统的并网点主要设置在 0.4 kV 和 10 kV 箱变的并网开关处，并网点并未设置同期装置，同期功能主要由逆变器完成。3分布式光伏发电系统电气设计要点3.1 光伏组件的选型现阶段，市面上常见的光伏组件分为非晶硅电池组件、多晶硅电池组件和单晶硅电池组件三大类型。其中，晶硅类电池组件（多晶硅电池组件和单晶硅电池组件）制造技术工艺极为成熟、产品性能相对稳定、使用年限较长、光电转化效率较高，在各类大型并网光伏电站项目中得到广泛应用。非晶硅电池组件虽然价格低廉，但光电转换效率过低、运行缺乏稳定性，应用尚未成熟。在晶硅电池组件中，多晶硅和单晶硅两种电池组件的最大差异在于单晶硅电池组件的光电转换效率更高，而且功率相同时，多晶硅电池组件的面积会大于单晶硅电池组件的面积4。虽然二者的性能和使用年限等指标并不存在过大差异，执行标准也基本相同，但单晶硅电池组件的价格略高于多晶硅电池组件。在选择晶硅电池组件时，选用根据实际需求进行选择。3.2 逆变器设备的选型在分布式光伏发电系统运行过程中，并网逆变器光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 超越照明135主要承担着系统的 DC/AC 转换任务，除此之外，其还需对包括振动频率、电压和简谐波等在内的多个指标的转换进行科学管理。总的来说，逆变器发挥着连接光伏方阵与分布式光伏发电系统的重要作用。在分布式光伏发电系统电气设计过程中，逆变器设备的选型至关重要。在选择逆变器设备时，相关人员必须综合考量分布式光伏发电系统的装机容量，确保所选择的逆变器设备的功率与装机容量保持协调一致。与此同时，选型人员还需分析大直流电压、MPPT电压区间、MPPT 数量、额定输出电压、输出功率和直流输入接线端口数量等因素对分布式光伏发电系统电气运行所造成的影响。在确定直流输入接线端口数量时，必须参考组串并联具体路数；在选择组件组串数量时，要针对性分析最大直流电压和 MPPT 电压区间等因素。目前，我国电器市场常见的逆变器包括集散型逆变器、集中型逆变器和组串型逆变器。一般情况下，集散型逆变器的功率通常为 2 500 kW，体积较大；集中型逆变器的功率大多保持在 1 250 3 125 kW 之间，此类逆变器不仅体积较大，而且其与立式安装法的适配程度更高；相比于集散型逆变器和集中型逆变器，组串型逆变器的功率较低，一般不会超出 320 kW，而且体积较小，安装时可通过壁挂法安装，其对模块化设计方案进行了有效应用，能够防止组串不同模块之间产生的互相干扰和遮蔽问题，也可进一步降低逆变器和最优工作点不匹配的可能性。因此，优先选用组串型逆变器，其在搬运和安装过程中不会耗费过多的人力资源，施工步骤也相对简单。3.3 光伏方阵的设计在当下运行的分布式光伏发电系统中，相对常见的建筑载体是水泥材质屋顶和彩钢化屋顶。相比于彩钢化屋顶，水泥材质屋顶具有更强的负载能力，在合理调节阵型倾斜角和间距的基础上，光伏发电系统能在此类载体上发挥最大应用价值，为建筑提供更丰富、优质的电力。但需注意的是，水泥材质屋顶的使用大多依托于多种附件的帮助，在实践阶段，其可被利用的面积远远小于彩钢化屋顶。因此，现阶段，在彩钢化屋顶进行平行铺设的分布式光伏发电形式相对常见。随着分布式光伏发电系统组件温度的上升，开路电压会减小，若组件温度下降，开路电压会上升。为了让逆变器充分适应极端的工作环境，设计人员在设计光伏方阵时，必须全面考量区域内的极限温度，并在此基础上明确最优的串联元件数量和元件电压值5。3.4 并网方式的设计在设计分布式光伏发电系统的并网方式时，相关人员必须充分了解行业规定，全面考量电压等级和电能质量。目前，常见的分布式光伏发电站分为大型、中型和小型三大类型。小型光伏发电站所接入的电网多为 0.4 kV 的低压型电网，中型光伏发电站所接入的电网多为 10 35 kV 的电网，大型光伏电站所接入电网的等级大多超出 110 kV。相关单位在正式明确并网电压等级时，必须深入了解电网的实际情况，并依托经济辩证等方式对其进行合理分析。若高低两种等级的电压都与光伏发电站具有适配度，则低电压接入方式应为光伏发电站的首选，这样不仅能充分保障分布式光伏发电系统的运行效率，同时还能节省经济成本的投入6。4结束语作为现阶段较为常见的节能减排技术手段，光伏发电技术的应用已趋于成熟，分布式光伏发电系统的应用和建设不仅能满足清洁可再生太阳能转换为电能的需求，同时也能降低环境污染，实现生态环境保护，为能耗的降低打下良好基础，相关单位必须高度关注分布式光伏发电系统的应用。分布式光伏发电系统电气设计水平的高低直接关乎整个发电系统的运行效能和价值发挥。因此，相关单位必须在充分了解分布式光伏发电系统特征的基础上，立足光伏组件和逆变器设备的选型，深入把控分布式光伏发电系统光伏方阵和并网方式的设计要点，对分布式光伏发电系统的电气设计环节进行科学管理，从而进一步提升分布式光伏发电系统的电气性能，助力我国光伏发电事业走上长效发展道路。参考文献1 黄志勇.分布式光伏发电并网设计及运行分析研究D.南昌:南昌大学,2021.2 王文豪.计及多因素的分布式光伏发