论述光伏电站光伏区电气系统设计研究

论述光伏电站光伏区电气系统设计研究

刘闯

泰州核润新能源有限公司 江苏泰州 225300

摘要：随着科学技术的发展和对环保的重视，国家对新能源的发展越发重视。光伏发电作为清洁、环保的能源，不仅在近些年获得了大幅度发展，也受到了国家政策上的高度重视和支持。光伏电站光伏区电气系统的设计工艺水平，直接决定了工程运营期电气系统的效率和发电区域的整体视觉效果，好的设计既能确保电气系统各个组件的使用年限，又能按照工程预期，实现整个发电系统的效率最大化。

关键词：光伏电站；光伏区；电气系统设计；研究

引言：近年来，在科技发展推动下，我国各地区光伏电站的发展与建设均取得了不小的成就，而为保证光伏电站供电功能的正常运行，电气系统的设计工作尤为重要，需要相关电力企业在关键环节多加注意，并尽可能优化设计重点，以最大程度为光伏电站运行稳定性奠定良好基础。

一、光伏直流发电系统原理

由于矿产能源的使用，造成了严重的温室效应。随着世界各国不断制定并实施碳排放总量控制计划，找到一种可靠的可再生资源，减少石油、煤炭等矿产能源的利用，以减少碳排放，成为世界各国面临的问题。太阳能是一种随处可见的可再生绿色能源，利用半导体光伏效应，可将太阳能转化为电能，光伏发电已经成为当前应用最广泛的新能源技术之一。直流输电问题始终困扰着光伏发电系统的应用，成为光伏发电系统的应用亟待解决的重点问题。光伏发电技术本质上就是利用某些特殊半导体材料的光伏效应，将光能转化为电能的一种技术，核心元件是太阳能电池。太阳能电池经串联封装，组成太阳能电池组件，是光伏电站的核心部件。光伏发电技术的优势主要体现在3个方面：①基本不受地域限制，只要有阳光就可发电；②电能清洁可持续，无需消耗石油、煤炭等能源，同时发电过程中不会产生污染；③电站建设完成，电路架设完毕即可就地供电。

二、光伏组件选型

目前广泛使用单晶硅、多晶硅电池组件，且国内的光伏组件也主要是以晶硅电池为主。晶硅电池组件有很多优点，包括晶体硅光伏组件技术成熟；产品性能稳定；使用寿命长；电池转换效率高；组件故障率低；运行、安装简单方便等。单晶硅和多晶硅的性能、价格都比较接近，但从控制工程造价的角度考虑，选择性价比高的多晶硅组件有一定的优势。同时多晶硅比单晶硅更节省能源，因此采用多晶硅组件更环保。本项目暂按310Wp多晶硅电池组件进行设计。电池组件详细技术参数见下表。本项目采用高效310Wp多晶硅光伏组件64152块，总装机容量为19887.12kWp。

三、光伏电站光伏区电气系统设计研究

1、主要设备选择。光伏电站电气系统主要包括高压配电装置、通信装置、就地升压变、无功补偿装置、继电保护装置、站用电装置、主变压器、逆变器、低压配电装置、汇流箱、集电线路。本研究具体分析光伏组件、逆变器和汇流箱。光伏组件。由于硅材料成本低，其已成为光伏产业的重要基础原材料。太阳能光伏硅材料通常分为以下三种：多晶硅、单晶硅、非晶硅薄膜。被光伏产业广泛应用的是多晶硅和单晶硅，非晶硅薄膜几乎处于停滞状态。但今后一段时间，这三类硅材料都将是光伏产业主要的原材料来源，逆变器。作为一种新兴的转换器，是太阳能光伏并网发电系统的核心设备。逆变器的效率直接关系到系统的发电量。光伏逆变器按运行方式可分为光伏并网逆变器和独立运行的光伏逆变器两大类。光伏逆变器按系统连接方式可分为微型逆变器、组串型逆变器以及集中型逆变器三大类。光伏逆变器按用途可分为微网储能逆变器、离网逆变器以及并网逆变器三大类。汇流箱。作为一种接线装置，它不仅能够保证光伏组件有序连接，还能够保证汇流功能的接线。方阵连接盒包括过压保护功能、雷击保护功能、多路太阳能方阵并联功能以及太阳能电池过载保护功能。在设计选型时，要重点考虑温升、显示功能、安全、通信、浪涌、光伏组串过流保护、箱体结构、防雷、外壳防护等级因素。

2、光伏子方阵设计。逆变器采用1MW集中型逆变器为主，根据逆变器的参数，在极端温度下，满足逆变器运行要求的情况下，选用310Wp多晶硅组件，串联级数10～16，根据温度、湿度变化情况进行修正，确定选择310Wp多晶硅太阳能组件，级数为18块/串。整个工程光伏阵列由20个光伏子阵构成，为防止直流侧超配，每个子方阵组件安装数量不同，总容量为19887.12kWp。在采用310Wp电池板的情况下，固定安装的光伏子阵的单体模块由2排组成，36块组件的单体模块可以组成2并组串，每MW光伏子阵包含的组串数不同，总的组串数为3564串。

3、电气主接线并网型。光伏电站的集电线路方案一般采用每个发电单元分别接入10kV配电装置的方案。该方案简单清晰、安全可靠、运行灵活、便于维护管理。站用电并网型光伏电站一般设置两台站用变压器，一台工作变压器由市电电源引接，另一台备用变压器由发电厂内的高压配电装置引接。站用变压器一般主要为控制周边负荷供电，不为就地逆变站的负荷供电。由于目前国内光伏发电的电价比当地农电或市电价格高，在实际运行中，通常将引接在施工电源的变压器作为工作变压器使用，以降低运行成本。

5、组件运行维护工作要点，做好定期化的监察。电气组件是电气设备的重要构成部分，也是设备运行维护工作的主要内容。因此，需要加大组件运行维护力度、掌握各项工作要点，并构建起长效的定期监察机制。为实现这一目的，应采取以下措施：首先，运维人员的定量化地检查，通过监控系统、故障针对系统、智能无人机等手段对光伏组件的运行状态定期做好分析，并辅以人员的现场针对性巡查，及时处理积尘、遮挡、MC4接头接触不良、组件间连接电缆等故障；其次，根据电气设备运行工况，合理设置定期检查工作的开展间隔时间，做好精细化的管理。例如，在电气设备保持稳定运行状态，各类电气故障问题出现率较低时，可选择以半年为间隔周期，定期对全部组件、设备、接地装置进行检查维护。在设备临近使用寿命、运行稳定性较差时，可选择缩短间隔周期。每年按照布置区域对光伏组件检修系统的检测。

5、防雷接地设计。在光伏电站电气一次设计中，由于光伏电站工程所处地区年均雷暴日比较少，所以受到雷击破坏的概率比较低。在这种情况下，基本上不需要安装避雷针等避雷设施。但是光伏电站工程中，鉴于电池支架面积大、为钢特性，在具体使用过程中，非常容易受到感应雷的破坏。所以，在具体的设计过程中，必须要对电池支架进行可靠的焊接，以确保在遇到雷雨天气时，该支架能够通过接地网实现快速协防，不会对整个电网产生影响，从而切实保障整个电网系统的安全运行。

6、光伏安装容量选择。对光伏安装容量进行选择具有很重要的作用，一方面，可以确保光伏系统所产生的电能被充分利用，另一方面，又会保护电网系统不会被损坏。选择安装容量时，应该具体系统具体分析，在进行独立系统安装容量的选择上，我们首要考量的是系统中的负荷情况，系统中所产生的电能恰好被使用是最佳状态。我们通常将一天作为基础，统计负载一天的用电情况，并且依据系统的产电特点以及系统中难以避免的电能损失，来计算系统产电数量，以此来选择系统的安装容量。对于并网系统来说，每个国家都有各自的安装容量规定和限制。

结束语：电力工程的发展不仅对我国社会经济的稳定起着重要的作用，而且对我们的生产生活也息息相关。只有提升光伏发电系统运行的效率和质量，才能促进电力工程的更新换代，为人们带来更加便利的生活用能。为了充分利用光伏发电这种清洁环保的可再生资源，需要国家不断加大对光伏太阳能产业的投入与支持，继续研发新技术，促进产生更多研究成果。与此同时，设计人员需要对系统检测安装等多方面进行优化设计管理，防止运行中出现故障。

参考文献：

[1] 杨敏. 光伏电站光伏区电气系统设计研究[J]. 节能与环保,2022(6):52-54. DOI:10.3969/j.issn.1009-539X.2022.06.018.

[2] 郝悦. 大型并网光伏电站工程设计与系统分析[D]. 陕西:西安理工大学,2018.

[3] 李冉. 山地光伏电站关键设计技术研究[D]. 山东:山东大学,2020.