浅谈大型并网光伏电站系统设计

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【摘要】大型并网光伏电站中太阳电池组件数量庞大，系统接线复杂，发电系统的设备配置、系统接线、安装布置设计等因素对整个发电系统的发电效率和工程投资都有很大影响。本文通过对太阳电池组件选择、光伏阵列的运行方式设计、光伏阵列的最佳倾角计算、逆变器选型、光伏阵列设计及布置方案等光伏发电系统构成方面进行了研究分析，并以工程实例进行了发电量计算及电价测算。

【关键词】大型并网光伏发电；太阳电池组件；逆变器

一、引言

目前，我国二氧化硫（SO2）和CO2年排放总量均居世界第一，其增长速度远高于美国。我国以煤为主的一次能源结构使我国CO2年排放量的减排任务变得任重道远、压力巨大。面对压力和困难，我国政府为世界温室气体的减排做出了积极的努力。2006年1月1日《可再生能源法》颁布实施以来，全国各类可再生能源增长迅速，可再生能源的年利用总量已超过2亿t标准煤。

我国是世界上太阳能最丰富的地区之一，三分之二的地区年辐射总量大于5020MJ/m2，具有良好的太阳能利用条件。

2009年3月，甘肃敦煌10兆瓦光伏并网发电特许权示范项目招标以来，国家逐年加大太阳能光伏利用的力度：2010年6月，国家进行了13个光伏并网发电特许权项目（装机容量共280MW）的招标工作；2011年8月，国家了太阳能的上网电价政策。这些重要事件表明了中国政府推动太阳能光伏利用的决心。

因此，本文对大型并网光伏电站系统设计进行了研究。

二、光伏发电系统设计

太阳能（Solar Energy）是利用半导体的“光生伏特”效应，利用太阳能电池组件将太阳辐射能转化为直流电能，并传递到与之相连的逆变器上；逆变器将直流电能转变成交流电能并经升压后，送至公共电网，为电网提供洁净电力。

（一）太阳电池组件选择

（1）单晶硅电池及多晶硅电池

晶体硅太阳能电池是目前最成熟、最稳定、最可靠、应用最广的太阳能电池，效率高，但在使用中会有部分衰减，价格较高。

（2）化合物（铜铟硒及碲化镉）薄膜电池

成本较晶体硅太阳电池低，且没有效率衰减问题，但碲化镉含有有毒元素；铜铟硒太阳电池产业化较难且铟是较稀有的金属。

（3）非晶硅薄膜电池

成本较其他太阳电池组件低，弱光下电特性较好，但会存在一定的效率衰减。第一年效率约衰减10%—20%不等，以后的衰减逐年减少。

目前商业运行的大型并网光伏电站一般选用晶体硅太阳电池组件。

（二）光伏阵列的运行方式设计

常用的太阳电池组件支架有固定式支架、水平单轴跟踪支架、倾斜单轴跟踪支架（也称倾纬度角单轴跟踪支架）和双轴跟踪支架。如图2所示。

一般而言，双轴跟踪系统发电量最大，但是占地面积大，支架的造价高，运营维护成本高，性价比不好。倾斜单轴跟踪系统占地面积仅比双轴跟踪系统小一点，远大于水平单轴系统。相对于水平单轴跟踪系统而言，发电量增加不大。由于带倾角的缘故，后部支架很高，增加的造价也比较高。纬度较低的地区，支架所增加的投资与所获得的发电量比较并不经济。

根据云南省某项目的对比分析，水平单轴跟踪支架比固定支架组成的发电系统造价要增加投资30.62%，发电量增加15%。电价水平固定支架更优。

（三）光伏阵列的最佳倾角计算

光伏阵列安装倾角的最佳选择取决于诸多因素，如地理位置、全年太阳辐射分布、直接辐射与散射辐射比例和特定的场地条件等。并网光伏发电系统方阵的最佳安装倾角可采用专业系统设计软件进行优化设计来确定，它应是方阵面全年发电量最大时的倾角。

（四）逆变器选型

并网逆变器是光伏发电系统中的关键设备，对于光伏系统的转换效率和可靠性具有举足轻重的地位。

根据并网逆变器目前的技术水平，考虑可靠性、实用性、灵活性等要求，目前大型并网光伏发电系统宜采用“集中安装建设，多支路上网”的技术路线，并推荐采用1MW逆变器（2台500kW逆变器集中布置）与2个500kWp光伏方阵相连，输出10kV中压，升压后与公共电网并网。

（五）光伏阵列设计及布置方案

a.太阳电池组件的串、并联设计

（1）太阳电池组件串联的数量由并网逆变器的最高输入电压和最低工作电压、以及太阳电池组件允许的最大系统电压所确定。

（2）太阳电池组串的并联数量由逆变器的额定容量确定。

（3）太阳电池组件的输出电压随着工作温度的变化而变化，需对串联后的太阳电池组串的输出电压进行温度校验。

b.光伏阵列布置设计

太阳电池方阵阵列间距计算，应按太阳高度角最低时的冬至日仍保证组件上日照时间有6小时的日照考虑。其阵列间距计算示意见图3所示。

三、工程实例

以云南省某大型并网光伏电站工程（50MWp）为例，当地年平均太阳总辐射约为6540MJ/m2.a。根据太阳辐射量、系统组件总功率、系统总效率等数据，太阳电池组件采用26°固定倾角，按照25年发电量衰减20%，估算50MW并网光伏发电系统的年总发电量。

根据计算，25年总发电量1774483MW.h，25年年平均发电量70979MW.h，25年年平均利用小时数为1420小时。

本工程在保证企业成本费用、税金、盈余公积金、企业用于还贷的利润以及项目资本金内部收益率8%的前提下，即满足项目在财务上可以接受的前提下，对项目的最低上网电价进行测算。经测算，经营期平均含税电价1.15元/kWh。

四、结语

本文通过对太阳电池组件选择、光伏阵列的运行方式设计、光伏阵列的最佳倾角计算、逆变器选型、光伏阵列设计及布置方案等光伏发电系统构成方面进行了研究分析，并以工程实例进行了发电量计算及电价测算。

太阳能作为可再生能源，受到了世界各国的关注。太阳能发电成为近年来发展最快的新能源之一。我们应该大力开展大型光伏电站的建设，充分利用中国丰富的太阳能资源，减少温室气体排放，实现国家的可持续发展。

参考文献

[1]冯垛生，宋金莲.太阳能发电原理与应用.

[2]崔容强，赵春江，吴达成.并网型太阳能光伏发电系统.

[3]吴治坚.新能源和可再生能源的利用.