关于光伏电站电气设计的研究和应用

2017-04-14特变电工新疆新能源股份有限公司

电子世界 2017年1期

特变电工新疆新能源股份有限公司李涛

关于光伏电站电气设计的研究和应用

特变电工新疆新能源股份有限公司李涛

我国的经济不断发展，对自然资源的需求也越来越多，自然资源紧张是全世界面临的共同问题，我国也不例外。光伏发电是当前开发新型能源的一种重要形式，利用光伏发电可以有效解决能源短缺的问题，因此国家应该予以重视。本文将具体探讨光伏电站电气设计的研究和应用，希望给相关人士提供一些参考。

光伏电站；电气设计；研究和应用

引言

社会的繁荣发展离不开能源的支持，然而目前的石油、煤炭等传统能源面临着严峻的供需问题，阻碍了社会的可持续发展。面对能源短缺的问题，各国都加大了科技研发的力度，试图开发新型能源。光伏发电具有高效、环保、可再生等特点，我国的光伏发电技术经过多年的发展，已经取得了阶段性的成效，因此应当把光伏发电作为开发研究的重点。

1.太阳电池组件和逆变器的设计

1.1 太阳电池组件的选型

太阳电池组件的类型一共有三种，分别是晶体硅太阳电池、薄膜太阳电池和非晶硅太阳电池，这三种电池各具优缺点。第一是晶体硅太阳电池，优点是成熟稳定、安全可靠，而且应用的范围较为广泛。晶体硅电池包括单晶硅和多晶硅电池，价格合理，效率较高。而晶体硅的缺点是，在光照和大气环境下，电池会出现能量衰竭的情况。第二是薄膜太阳电池，优点是高效低廉，性能稳定，缺点是原料稀缺，对大规模生产产生制约[1]。第三是非晶硅太阳电池，优点是在弱光下，性能仍然较好，缺点是电池转换的效率较低。综合上述三种电池类型，我国选择较多的是晶体硅太阳电池组件。

1.2 逆变器的选型

逆变器技术结构一共有三种类型，分别是集中式逆变器、组串式逆变器和组件式逆变器。第一是集中式逆变器，其优点是效率较高，成本较低，大型的集中逆变器可以联网，减少输电损耗，提高发电效率。第二是组串式逆变器，其优点是增加了发电量，减少阳光阴影带来的损失。第三是组件式逆变器，优点是应用范围比较大，缺点是铭牌容量较小。综合上述三种逆变器类型，我国市场上应用最多的集中型逆变器。

2.光伏阵列布置方案设计

2.1 逆变器布置方案

在布置逆变器的过程中，可以采用如下几种布置方案：第一种方案是采用1MW逆变器单元，与两个500kWp太阳电池方阵相连，形成一个1MWp的光伏子方阵。两个500kWp的太阳电池方阵经过汇流箱，与2×500kW的逆变器相连，可以实现对光伏阵列的布置。

第二种方案是采用500kW的逆变器，与一个500kWp的太阳电池组件相连，输出35kV的交流电。500kW的太阳电池方阵经过汇流箱，和500kW的逆变器相连接，最终可以构成0.5MWp光伏的光伏子方阵。

将两种方案进行对比，可以发现二者具有不同的优缺点：第一种方案便于安装和管理，发生故障的几率较小，经济效益较好，但是线损比较高。第二种方案便于布置，线损比较低，但是故障发生的几率较大，经济效益较低。因此，在光伏电站电气设计的应用中，一般采用第一种方案。

2.2 光伏阵列分层结构

首先，光伏阵列的分层结构包括光伏发电单元系统。将一定容量的太阳电池方阵，和一台匹配太阳电池方阵容量的逆变器连接，二者所构成的发电系统，可以称为光伏发电的单元系统。

其次，光伏阵列的分层结构包括光伏发电分系统。将一台箱式的升压变压器和另一台逆变器相连接，二者所构成的发电系统被称为光伏发电的分系统。

再次，光伏阵列的分层结构包括光伏电站。将许多台箱式变压器相互连接，在接入电网之后所形成的发电系统被称为光伏电站。在光伏电站中，一般采用500kW的逆变器和315V/35kV的箱式升压变压器，以满足光伏电站的发电需要。

2.3 光伏阵列电气系统

首先，光伏阵列电气系统包括直流发电系统。光伏阵列直流发电系统中，有太阳电池组件、汇流箱、逆变器和配电柜等等，在发电的过程中，太阳电池组件经过光伏作用，把太阳能转化成为电能。在转换电能时，一般采用多晶硅太阳电池组件构成的太阳电池阵列。

其次，光伏阵列电气系统包括交流输出系统。光伏阵列交流输出系统中，有电缆、开关柜等等，逆变器采用了最大功率跟踪的技术，可以实现直流电转换成交流电的效率最大化，使输出的电能符合电网的需求[2]。在转换电能的过程中，控制器和外部的传感器连接，动态监测外部的日常环境和光伏阵列的运行情况，保证光伏阵列的正常运行。光伏阵列和发电分系统之间没有直接的电气联系，这样一来，当光伏发电的分系统出现问题，光伏阵列并不会出现运行停止的状况，方便检修人员对光伏发电分系统进行维护的检查。在光伏组件的选择上，可以减少光伏组件的块数，进而减少光伏电缆的数量，将工程投入成本限制在一定的范围之内，提高分系统的发电效率。

3.电气系统设计

3.1 集电线路一次系统设计

3.1.1 确定集电线路的初步方案

首先，应该确定集电线路的初步方案。在光伏阵列的选件上，可以选用容量为1000kVA的变压器，将逆变器的输出电压升到35kV，然后将电流汇流到开关站的母线。200MWp光伏阵列的每个分阵，都可以采用首尾串接的方式并入电线路。在箱变高压测，应该设置高压负荷开关，避免一个方阵的分合对其他方阵的正常运行产生不利影响。

3.1.2 对35kV的开关站进行电器计算

其次，应该对35kV的开关站进行电器计算。开关站一般布置在地势较为平缓的地段，如光线较少遮挡的山顶，这样可以减少土方量，便于线路的接入。在选择电气主接线时，应该分为低压站用电压和高压站用电压两级电压，经过两回集电线路汇集电能之后，将电能发送到35kV的开关站，然后再通过35kV的单回架空出线接入变电站。

在35kV系统中，主要采用单母线主接线方式，母线是由一次性建成的，在母线上面设有六面柜，分别是架空出线柜、电缆进线柜、无功补偿馈线柜、变压器出线柜和母线PT柜，这六个柜分别步骤在母线的六面。

在计算35kV侧电容电流计算时，已经集电线路电缆总长度，按照集电线路侧电网单相接地的电容电流计算公式，可以得到Ic=0.1×UexL，带入数字计算，可以求出Ic的值。

在选择35kV的测消弧线圈和接地站用变容量时，需要计算消弧线圈的容量，和接地兼站用变压器的容量。按照设计的手册，在计算容量之后应该采用站用接地变成套装置，布置在接地变及消弧线圈的间隔内。

3.2 电气一次设备选型

3.2.1 35kV配电装置选择

在进行35kV配电装置选择的过程中，应当考虑开关站的海拔高度，和场地的污秽等级。在评估地理位置的要素时，要选用固定式的开关柜，固定式的开关柜和移动式的开关柜具有各自的优点。以固定式的开关柜为例，它的造价较低，修正方便，而且维护空间较大，但是更换频率较低。以移动式的开关柜为例，它的体积较小，重量很轻，而且外表美观，但是容易发生失灵等问题，增加维护人员的工作量[3]。

3.2.2 其他设备技术参数

开关柜的技术参数包括以下几个指标：额定电压、频率、电流、短路开断电流、短路关合电流、动稳定电流、热稳定电流和外壳防护等级。断路器的技术参数要综合考量如下指标：耐受电压、短路开断电流、短时耐受电流、峰值耐受电流等等。隔离开关要考量的技术参数包括：短时工频耐受电压、雷电冲击耐受电压、短时耐受电流、接地开关额定短路关合电流、峰值耐受电流等等。

3.3 电气二次系统设计

3.3.1 NCS

首先，在电气二次系统设计时，应当设置一个监控系统NCS，对光伏系统发电的运行状况进行动态监测和在线分析，对光伏电站的发电能力进行科学评估。NCS包括站控层和间隔层，在站控层失去效用时，间隔曾仍然能进行独立工作。光伏电站的NCS监控范围包括太阳电池方阵、逆变器和开关站配电装置等系统，具体功能有监视、控制、报警和保护等。

3.3.2 安全自动装置和UPS系统

其次，在电气二次系统设计时，应该采用安全自动装置和UPS系统。安全自动装置要对35kV架空送出线路、电缆集电线路进行保护，UPS系统指的是交流不停电系统，可以为蓄电池浮充电等不停电负荷提供不间断的供电。