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摘要：從理論角度介紹了并網光伏發電系統的設計過程，包括光伏組件的裝機容量設計、并網逆變器的配置、電氣設計、系統接入電網設計和安裝支架的設計，并通過設計實例闡述了并網光伏發電系統的設計方法及經濟效益和社會效益。

關鍵詞：并網光伏發電系統；光伏組件；并網逆變器

并網光伏發電系統是指太陽能發電設備發出的電能通過并網設備直接發送到市電電網的發電系統。該系統作為分布式發電的一種主要供電單元，需要與市電電網保持相同的運行參數，使電網能安全、可靠地運行。并網光伏發電系統相比獨立光伏發電系統的電氣組成來說結構簡單，它只需要有發電單元（光伏組件組成的方陣）、并網設備（并網逆變器）、升壓設備及其他輔助設備即可。光伏電池組件利用光電效應將太陽能轉變成直流電能，經逆變器逆變后，根據光伏電站接入電網技術規定、光伏電站容量確定光伏電站接入電網的電壓等級，由變壓器升壓后接入公共電網。其技術難點主要在于：a)并網逆變器需要工作于最大功率點附近；b)跟蹤電網參數并與之保持一致。目前，國家對并網光伏發電系統的管理模式分為兩種：a)分布式光伏電站。它的建設位置可以是工商業及民用屋頂、農業大棚、荒山荒坡、灘涂、湖泊水面等距離用電單元較近的地方，生產出的電量可以是全額上網銷售，也可以采取“自發自用、余電上網”的運行模式。b)集中式地面光伏電站。這種電站一般建在綿延的山地、戈壁沙灘等非農業耕地，裝機容量比分布式光伏電站的容量大，生產的電能經過逆變升壓后就近并入輸電電網。由于國家對所產電能的管理方法不同，這兩種類型的電站所產生的電能的經濟效益也有較大的區別。

1并網光伏發電系統的設計

圖1是并網光伏電站的結構示意圖，系統各部分的設計需要嚴格按照業主的要求及相關技術規定完成。

1.1光伏發電系統的容量設計

光伏電池組件利用光電效應將太陽能轉變成直流電，經逆變器逆變后，根據光伏電站容量與Q/GDW1617—2015《光伏發電站接入電網技術規定》來確定光伏電站接入電網的電壓等級，可以直接接入或者由變壓器升壓后接入公共電網。對于按照分布式發電管理的光伏電站，它的裝機容量可以根據電站的場地面積來確定，也可以根據業主的用電需求來確定，還可以根據業主擬投入資金量來確定。這幾種方式可以靈活運用，但是第二種方式，可以通過精確的設計實現投資收益的最大化，尤其對于工商業屋頂電站來說，收益較戶用電站投資收益高60%以上，投資回收期大大縮短。因此，大型工業廠房、商業建筑、體育場館、學校醫院等公共建筑屋頂光伏電站的開發在中國具有較廣闊的市場。農村及鄉鎮自有房屋可根據屋頂面積及結構形式安裝小規模屋頂電站，國家通過出臺光伏扶貧政策、銀行貸款和引進社會資金等方式推廣屋頂光伏電站的投資和建設。電站裝機容量可以用電腦軟件或者手機APP進行設計和仿真。大型地面電站的裝機容量，需要結合地形地貌和地質結構做詳細設計，尤其在荒山荒坡和丘陵地帶，由于地勢起伏，每一位置的朝向不同，設計和排布組件的工作非常復雜。并網光伏發電系統的設計與獨立光伏發電系統的不同之處是前者不需要設置儲能設備，不需要針對負載來進行裝機容量設計，只需要根據安裝場地地理位置、地形地貌、可用面積等進行組件排布。如果是工商業屋頂電站，為了實現電站投資收益的最大化，需要對用電負載進行綜合考慮，使發電量與用電量達到高度同步及匹配。案例分析：新疆哈密地區進行光伏電站建設初步設計，2000畝（1.33km2）非農業用地，地勢較平坦，選用A品牌組件額定功率250Wp，外形尺寸1650mm×960mm，組件排布方式如圖2所示，每組20個組件串聯后進入匯流箱。系統以1MWp容量作為一個光伏發電單元，每個單元包含200串組件。經PVsyst軟件設計，支架選用固定最佳傾角40°安裝。初步估算，電站可裝機規模為50MWp，包含50個1MWp容量的光伏發電單元。

1.2并網光伏電站的逆變器選用

光伏組件裝機容量確定后，需要依據容量選擇并網逆變器。并網逆變器是光伏并網發電系統的核心機構，它的作用是將光伏陣列生產的直流電能轉變成AC220V或者AC380V的電能，同時跟蹤電網電能的電壓、頻率、相位等參數。日照變化的不穩定，會導致直流電流及直流電壓的瞬時變化，逆變器通過跟蹤最大功率技術，實現輸出電能的穩定。另外，為了保證安全工作，逆變器還應具備一定的保護功能以及防孤島效應的監測與控制功能。逆變器首先用傳感器對交流電網的參數進行監測，然后將采樣結果傳送給微處理器的A/D轉換器，處理器將處理結果與采樣的電流信號進行對比，將得到的偏差經過PID調節后送到PWM脈寬發生器，保證匯入電網電流的功率因數近似等于1。為了實現對光伏系統最大功率點的跟蹤，同樣需要用傳感器對光伏系統輸出的電壓和電流數據進行測量，將測量結果相乘即可得到光伏系統的輸出功率，然后通過PWM調節輸出占空比來達到跟蹤最大功率的目的，在得到穩定的直流電后，再經過電力電子器件逆變轉換和高次諧波過濾，經過電流源的跟蹤控制后匯入交流電網。地勢平坦的地面電站、屋頂電站等組件安裝方向與日照均勻的電站一致，由于組件輸出參數基本一致，應該選用集中式并網逆變器。而山地、丘陵地區的電站由于依地勢而建，組件的朝向略有差別，每串組件的輸出參數有所差別，應選用組串式并網逆變器，每一串光伏陣列對應一個逆變器，組串之間的差異互不影響，能最大程度地增加發電量。逆變器的功率按照組件容量選擇即可。由于新疆哈密地區項目地地勢平坦，選用集中式逆變器，每1MWp光伏發電單元接2臺500kW逆變器，整個光伏電站共需要100臺500kW逆變器。

1.3電氣設計

電氣設計分為一次部分設計和二次部分設計。一次部分設計應包括電力電量平衡、建設的必要性及其在配電網中的地位和作用、電壓等級與接入電網方案、潮流計算、短路電流計算、無功補償、電能質量、方案技術經濟分析和電氣參數要求等。二次部分設計應包括系統繼電保護、自動控制裝置、調度自動化、電能量計量裝置及電能量遠方終端和通信系統。技術指標應符合現行國家標準GB/T29319—2012《光伏發電系統接入配電網技術規定》的有關規定[1]。光伏電站監控設備是電站運行的統一管理平臺，它將光伏電站的逆變器、匯流箱、輻照儀、氣象儀、電表等設備通過數據線連接起來，對這些設備進行數據采集，并將數據上傳到網絡服務器或本地電腦，使用戶可以在電腦或者手機上實時查看相關數據，方便電站管理人員和用戶對光伏電站運行數據的查看和管理，無需到現場逐臺查看設備狀況，大量節約人力成本，更有利于進行數據匯總、曲線生成、數據分析等，便于遠程管理。

1.4系統接入電網設計

國家能源局對6MW以內光伏電站實施電力業務許可豁免政策，項目不納入電力業務許可管理范圍。電站業主向當地電力公司申請，由電力公司出具并網方案即可并網。6MW以上的都必須由省電力勘探設計院出具接入方案，由電力公司召集專家進行評審才能接入電網。光伏并網逆變器輸出電壓為交流380V，根據并網點的電壓確定升壓方案，選擇升壓變壓器。保護配置采用負荷開關加高遮斷容量后備式限流熔斷器組合的保護配置，既可提供額定負荷電流，又可斷開短路電流，并具備開合空載變壓器的性能，能有效保護變壓器。另外，接入方案中需要設置雙向電能計量表，計量數據作為售電及用電的計量依據。由于哈密50MWp光伏電站項目地處哈密風電基地二期項目景峽區域風電場風間帶內，該項目以多回35kV集電線路送至景峽五A風電場110kV升壓站，與景峽第一風電場A區、B區共用一個升壓站。

1.5并網光伏電站的支架設計

光伏電站的支架分為固定式支架和跟蹤式支架。固定式支架不能跟隨日照的相對位置而改變對日仰角，應該根據電站的緯度采取一定的傾斜角度安裝，以保證光伏組件全年獲取較大的輻照量。跟蹤式支架分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤。單軸跟蹤可以隨季節變換而改變對日仰角，雙軸跟蹤除了改變仰角之外，還可以隨日出日落而改變每一個時段的角度，以保證每一時刻都面向陽光，最大限度地獲取輻照量。據計算，采用最佳傾角單軸跟蹤可以提高年總發電量的26%，雙軸跟蹤可以提高全年發電量的32%[2]。支架的設計應滿足GB50797—2012《光伏發電站設計規范》的規定，在選用材料、結構方案和構造措施的過程中，以及在運輸、安裝和使用的過程中，滿足強度、穩定性和剛度要求，并符合抗震、抗風和防腐等要求。本項目中，支架選用固定式安裝支架，傾角以最大發電量傾角40°安裝，前后排間距7.2m。

250MWp地面電站發電量和效益分析

新疆哈密地區50MWp電站，建設用地約2100畝（1.4km2），工程投資約2.5×108元，平均每年可發電7.67631×107kW•h，電上網電價按0.4元/(kW•h)（發改價格〔2019〕761號《國家發展改革委關于完善光伏發電上網電價機制有關問題的通知》）計算，電站每年可得售電收益3.070524×107元。項目在產生經濟效益的同時還將產生社會效益，每年可節約26838.735t標準煤，減排CO257503.424t，減排SO22300.463t，減排灰渣21468.48t，減排氮化物458.337t，減排粉塵383.097t。項目具有非常明顯的社會效益和經濟效益，為可持續發展做出了巨大貢獻。

3結語

光伏并網電站的設計，涉及地理、氣候、電氣、機械、管理和政府財政等領域及部門。每一個細節的設計對電站的經濟效益、使用壽命、運行安全都是至關重要的，設計者應該熟練應用專業技術，嚴格按照標準規范進行設計。

參考文獻：

［1］國家電網公司，中國電力科學研究院，國網電力科學研究院，等.GB/T29319—2012光伏發電系統接入配電網技術規定［S］.北京：中國標準出版社，2013.

［2］韓國棟，胡蘭平，楊富程，等.不同安裝方式光伏發電系統輻射量計算分析［J］.云南電力技術，2017(3)：8-10.

作者：林異鳳 任家智 單位：山西能源學院