光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)分析

摘要：本文通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理入手，提出了光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)方案，以期提高光伏發(fā)系統(tǒng)的整體運(yùn)作質(zhì)量，推動(dòng)社會的穩(wěn)定發(fā)展。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng);電氣設(shè)計(jì);光伏電池

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

一般來說，光伏發(fā)電系統(tǒng)通常有光伏陣列、儲能設(shè)備、逆變器、充放電控制器等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖1所示。

當(dāng)陽光照射到光伏陣列中時(shí)，便可以將其轉(zhuǎn)換為電能，由光伏陣列輸出電流，但輸出穩(wěn)定性可能會受到影響，需要利用DC-DC轉(zhuǎn)換器將電流轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定電流，才能直接傳輸?shù)叫铍姵刂小Ｐ铍姵刎?fù)責(zé)存儲電能，并對負(fù)載供電。若系統(tǒng)為并網(wǎng)售電，那么無需設(shè)計(jì)蓄電池，只需要連通并網(wǎng)逆變器將直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娏髟陔娋W(wǎng)中出售即可，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)需要應(yīng)用蓄電池存儲電能，但并網(wǎng)型則多數(shù)情況下無需蓄電池。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)作原理便是光生伏打，利用太陽管對特殊物質(zhì)的照射使內(nèi)部粒子充分吸收光子，通過光子移動(dòng)產(chǎn)生電勢能，從而實(shí)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱菽艿恼麄€(gè)過程。在光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)作期間，最主要的發(fā)電結(jié)構(gòu)便是太陽能電池板，因此太陽能電池板的性能參數(shù)對于能量轉(zhuǎn)化的整體質(zhì)量具有關(guān)鍵性的影響。完備的光伏發(fā)電系統(tǒng)通常包含了太陽能電池板和控制器、交流配電箱等結(jié)構(gòu)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)是在閉路中產(chǎn)生的電路，而并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)便是標(biāo)準(zhǔn)接口和供用電網(wǎng)的連接系統(tǒng)，整體上來看如同一個(gè)小型發(fā)電廠。獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)便是將接收到的太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，同時(shí)多余出來的能量便會轉(zhuǎn)存到蓄電池，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是運(yùn)用光伏數(shù)組將接收的太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷麟?，?jīng)過逆變器輸送到電網(wǎng)[1]。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)備選擇

2.1.1 逆變器

光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器是通過晶閘管來控制系統(tǒng)的導(dǎo)通實(shí)踐，利用有關(guān)措施實(shí)現(xiàn)直流電向交流電的轉(zhuǎn)變。根據(jù)電源屬性能夠?qū)⒛孀兤鲃澐譃殡妷夯螂娏黝愋蛢煞N，而根據(jù)激磁方式又能劃分為自動(dòng)型逆變器、他動(dòng)型逆變器，根據(jù)波形還可以劃分為方波、正弦波兩種，電壓型逆變器電路如圖2所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器能夠作為交流電和直流電的轉(zhuǎn)換能量通道，而且還與二極管、逆變橋并聯(lián)，逆變器線路回路在過電流保護(hù)設(shè)備和電壓保護(hù)器中進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用直流符合來控制開關(guān)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還需要具有完善的自動(dòng)開關(guān)系統(tǒng)，在白天時(shí)能夠及時(shí)打開收集太陽能資源，在晚上時(shí)便自行關(guān)閉，由于電容量較大，因此要合理選擇逆變器進(jìn)行控制[2]。

2.1.2 太陽能光伏電池

太陽能光伏電池通常是利用一定的方法將太陽能輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽@需要應(yīng)用到一定的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。光伏電池是通過特殊技術(shù)來處理非金屬硅片，從而保證其應(yīng)用效能，在太陽光的作用下，電子游離中會產(chǎn)生電位差，利用電位差來實(shí)現(xiàn)操作應(yīng)用。目前常用的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)格長寬都為156mm，根據(jù)不同的材料應(yīng)用又能分為多晶硅和單晶硅等不同類型。

2.1.3 太陽能光伏組件

太陽能光伏組件通常由各種光伏電池而構(gòu)成，屬于一種結(jié)合體，在光伏電池片串聯(lián)的同時(shí)也會產(chǎn)生規(guī)格不一的電池板，其參數(shù)如表1所示。

2.1.4 箱變

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，只能有監(jiān)控裝置有著相變模擬量采集、通訊等功能，而且還可以和傳統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的通信管理設(shè)備、光纖交換機(jī)功能進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸與通信，并且能夠做到設(shè)備通訊信息的集中式傳輸，利用光線接入到自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電站的遠(yuǎn)程管理，這也是系統(tǒng)智能化管理與無人管理的必要條件。相變裝置需要在低壓開關(guān)柜中安裝，不僅具有通信管理功能，而且還具有測控及保護(hù)功能，相變設(shè)備的合理應(yīng)用能夠降低光纖交換機(jī)與通訊管理機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)量，提高集成性，并且優(yōu)化系統(tǒng)配置，控制成本等。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控

監(jiān)控系統(tǒng)選擇分層分布式結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)監(jiān)測組件和通訊管理設(shè)備，中央設(shè)計(jì)集中管理設(shè)備?，F(xiàn)場光伏組件陣列中的所有光伏組件的運(yùn)作穩(wěn)定性安全性都能夠得到全程監(jiān)測，也就是說每一個(gè)光伏組件的電流電壓和溫度等運(yùn)作基本信息都能夠設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)測元件，通過數(shù)字通訊系統(tǒng)和監(jiān)控中心連通，在系統(tǒng)運(yùn)作情況異常時(shí)能夠及時(shí)監(jiān)測出異常情況的位置與基本情況。現(xiàn)場光伏匯流箱中都需要設(shè)計(jì)光伏組串監(jiān)控設(shè)備，各路光伏組串回路中設(shè)計(jì)電壓和電流、直流電弧監(jiān)測元件，同時(shí)針對防雷保護(hù)裝置的運(yùn)行質(zhì)量以及斷路器通斷性能也要進(jìn)行監(jiān)控。針對逆變器直流總輸入電流、開關(guān)狀態(tài)、濾波器、過電壓保護(hù)器、電壓等情況進(jìn)行監(jiān)控。針對輸入總功率與運(yùn)作電能情況能夠進(jìn)行打印。針對逆變器的交流側(cè)電流、電壓、設(shè)備運(yùn)作溫度等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制冷卻風(fēng)機(jī)的開關(guān)停啟以及輸出功率等，并設(shè)計(jì)直觀的監(jiān)控儀表。

2.3 集電線路一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 明確集電線路的設(shè)計(jì)方案

需要設(shè)計(jì)好集電線路的初步設(shè)計(jì)方案，在光伏陣列的結(jié)構(gòu)選型中多選擇1000kVA容量的變壓器，之后將電流回流至開關(guān)站母線中。200MWp光伏陣列中的所有分針都能夠利用首位串聯(lián)的形式連通電線路。在箱變高壓側(cè)也可以設(shè)計(jì)高壓負(fù)荷開關(guān)，規(guī)避方陣分合影響到其他方陣的運(yùn)作狀態(tài)。

2.3.2開關(guān)站的電器計(jì)算

光伏發(fā)電系統(tǒng)需要對開關(guān)站進(jìn)行電器計(jì)算，開關(guān)站的選址一般為平緩地帶，并且陽光遮擋較少的位置較為適宜.能夠盡量降低土方量，提高線路接入的便利性。在電氣主接線的選擇上，需要?jiǎng)澐值蛪赫居秒妷汉透邏赫居秒妷簝煞N電壓，通過兩會集電線路匯集電能，將電能輸送到開關(guān)站，之后利用單回架空出線的方式與變電站連通。對于35kV系統(tǒng)來說，一般選擇單母線主接線形式，母線通常一次建成，在母線上也需要設(shè)計(jì)六面柜。

2.4 電氣一次設(shè)備選型

2.4.1 35kV配電裝置的選擇

在選擇35kV配電裝置時(shí)，需要結(jié)合開關(guān)站海拔高度以及場地具體條件選擇，地理位置的評估要素選擇需要用到固定開關(guān)柜。固定開關(guān)柜與移動(dòng)開關(guān)柜各有優(yōu)勢，其中固定式開關(guān)柜的成本投入較少，后期修整也較為便利，維護(hù)空間較大，但更換頻率較低。移動(dòng)開關(guān)柜占地面積較小，重量也不高，但整體上來看容易出現(xiàn)系統(tǒng)失靈等現(xiàn)象，這對于后期運(yùn)維工作來說相對較為麻煩。

2.4.2 其他設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)

開關(guān)柜技術(shù)參數(shù)包含了電流、短路開斷電流、短路關(guān)合電流、額定電壓、外殼防護(hù)等級等。斷路器的技術(shù)參數(shù)要根據(jù)以下幾項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行全面考慮：耐時(shí)耐受電流、短路開斷電流、峰值耐受電流等。隔離開關(guān)需要重點(diǎn)分析的技術(shù)參數(shù)有：短時(shí)耐受電流、峰值耐受電流、短時(shí)工頻耐受電壓、雷擊耐受電壓等。

2.5 電氣二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.5.1 安全自動(dòng)裝置與UPS系統(tǒng)

在電氣二次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，需要選擇安全自動(dòng)裝置與UPS系統(tǒng)。前者需要對35kV架空送出線路和電纜集電線路進(jìn)行保護(hù)，而UPS系統(tǒng)辨識交流不停電系統(tǒng)，能夠保證蓄電池浮充電等不停電負(fù)荷予以穩(wěn)定的電能供給。

2.5.2 NCS

電氣二次系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)NCS監(jiān)控系統(tǒng)來對系統(tǒng)的發(fā)電運(yùn)作狀態(tài)實(shí)施動(dòng)態(tài)化監(jiān)測以及實(shí)時(shí)性分析，針對光伏發(fā)電站的發(fā)電效能進(jìn)行合理評估。NCS包含了站控層與間隔層，若站控層運(yùn)行失效時(shí)，間隔層依然可以穩(wěn)定運(yùn)作。光伏發(fā)電站的NCS監(jiān)控內(nèi)容包含了逆變器、開關(guān)站配電裝置、太陽能電池方陣等，可以起到保護(hù)、監(jiān)控、發(fā)動(dòng)警報(bào)等效果。

3 結(jié)束語

經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展使得對于能源資源的需求量不斷在提高，而不可再生能源由于其儲量和開發(fā)量有限，已經(jīng)逐漸面臨枯竭的危機(jī)，所以我們要將目光投向可再生能源，這也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展步入可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。太陽能便是一種理想的可再生能源，目前也在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域匯總獲得了廣泛的應(yīng)用。太陽能資源的合理應(yīng)用不僅能緩解能源短缺的問題，而且還減少了環(huán)境污染問題，對于人們的環(huán)境保護(hù)起到了積極的作用，目前已經(jīng)逐漸走向千家萬戶，應(yīng)用于人們的日常生活中，這對于能源結(jié)構(gòu)來說也是一種直觀的優(yōu)化措施。對此需要進(jìn)一步提高光伏發(fā)電系統(tǒng)及其電氣設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，提高光伏發(fā)系統(tǒng)的整體運(yùn)作質(zhì)量，推動(dòng)社會的穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]馬歡，解析光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)方案[J].低碳世界，2017 （31）：18-19.

[2]許冬梅，熊小俊，孫澤人，龐小霞.談光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)[J].智能建筑電氣技術(shù)，2016，10 （02）：43-49.

作者簡介

孫曉鵬（1973-），男，山東省德州市人。大學(xué)本科學(xué)歷，講師。研究方向?yàn)殡姎怆娮印?/p>