分布式光伏发电系统电气设计

分布式光伏发电系统电气设计

许姣姣1孙继凯2

（1.中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司河北省066004；2.北京恒华伟业科技股份有限公司北京100000）

摘要：分布式光伏发电是新兴的一种能源开发手段，对解决不可再生资源浪费、缓解我国能源短缺问题、提升我国社会经济收益、推动绿色节能创新建设具有重要现实意义。本文以分布式发电系统的概述为切入点，对分布式光伏发电系统的电气设计进行了探索，重点对组件连接电气设计、光伏直流电缆选型、并网逆变器选型、直流汇流箱设计以及防雷系统设计进行了阐述.以期为关注这一话题的人提供参考。

关键词：分布式；光伏发电；光伏组件

1分布式光伏发电系统基本概述

分布式光伏发电系统是指通过对光伏组件的合理应用，将具有清洁可再生特点的太阳能能源转换为可供使用电能的一类分布式电源系统。分布式光伏发电系统多建设在用户场地附近，运行方式表现为用户侧自发、自用，多余电量上网，且具有在配电系统中调节平衡的特点。作为一类具有广阔发展潜力的发电方式以及能源应用模式，分布式光伏发电系统强调遵循“就近发电就近并网、就近转换、就近使用”的基本原则，一方面能够有效促进规模同等光伏电站发电量的提升，另一方面还有效解决了电能在远距离传输过程中存在的电能损耗问题。

目前成功应用于实践中的分布式光伏发电系统具有以下几个方面的典型特点：第一是输出功率相对较小，因此其对经济性的影响低，换言之小型分布式光伏发电系统的投资收益与大型系统是基本相当的；第二是污染小，具有突出的环境保护效益。分布式光伏发电系统在发电运行的过程中无明显噪音，对周围水及空气所产生的污染小；第三是可有效缓解局部用地紧张状态；第四是可以实现发电与用电的并存。

2分布式光伏发电系统电气设计要点

第一，在针对光伏组件的选型方面，光伏组件主要有以下几种类型：非晶硅电池组件、单晶硅电池组件、多晶硅电池组件等。其中非晶硅电池组件成本价格低，外部环境对组件运行影响不大，存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不够稳定，常有转换效率衰降的现象，所以尚未大量用于作大型太阳能电源；晶硅类电池组件由于制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点，被广泛应用于大型并网光伏电站项目。

晶硅类电池又分为单晶硅电池组件和多晶硅电池组件。两种组件最大的差别是单晶硅组件的光电转化效率略高于多晶硅组件，也就是相同功率的电池组件，单晶硅组件的面积小于多晶硅组件的面积。两种电池组件的电性能、寿命等重要指标相差不大，执行的标准也相同，在工程实际应用过程中，无论单晶硅还是多晶硅电池都可以选用。但单晶硅组件的价格比多晶硅组件的价格高10%左右。

综合对当前光伏电池组件技术水平，工艺成熟度，以及转换效率等因素的考虑，应当优选选用大功率晶硅电池组件，以确保光伏发电系统的可靠运行。

第二，在有关分布式光伏发电系统逆变器设备的选型方面，工作人员需参考整个分布式光伏发电系统的装机容量，选择输出功率与其基本一致的逆变器设备。除此以外，在逆变器的选型中还需要综合考虑最大直流电压、MPPT数量、MPPT电压区间、额定输出电压参数、直流输入接线端口数量、以及功率因素等相关技术参数对分布式光伏发电系统电气运行的影响。例如，在对直流输入接线端口数量的选型上需参考组串并联具体路数，在对组件组串数量的选择上，则应当考虑最大支流电压以及MPPT电压区间的影响，而在对MPPT数量的选型上还应当考虑系统内部光伏组件的具体朝向情况。

第四，在有关直流汇流箱的电气设计中，汇流箱的基本功能使将光伏组件所输出多路直流电源进行汇流处理，然后连接至逆变器中。作为直流汇流箱中最关键的电器元件之一，主断路器额定工作电压应当大于或等于回路工作电压最高值，同时额定电流应当大于或等于回路工作电流最高值。一般情况下，直流回路的断路器采用直流断路器。如果在直流回路中使用交流断路器，可以考虑采用二极或三级串联的办法。

第五，在针对光伏直流电缆的选型方面，需根据分布式光伏发电系统所处的特殊环境条件设计光伏设备专用无卤PV1-F电缆，支持组件间汇流连接以及跳线功能。特别需要注意的一点是：在分布式光伏发电系统运行环境温度≥60℃的情况下，需对载流量进行合理修正。

第六，防雷系统设计。防雷系统设计是针对分布式光伏发电系统环境监测的重要电气设计内容。由于分布式光伏发电系统常处于暴露环境中，因此，受自然环境因素的影响较大。雷电不仅是自然界中破坏力强、威胁性大灾害，也是对分布式光伏发电系统威胁性较强的一种影响因素。对此，在电气设计与方案实施过程中，应注重防雷系统的设计。目前，最常采用的保护措施主要是与屋顶建筑、周边防雷系统相复合的防雷系统设计，在电气设计过程中，可预先对光伏发电系统各环节组件以及组件支架的金属材料进行电连，在电位连接后在进行防雷接地系统连接，用以降低雷电对分布式光伏发电系统的损失。

3分布式光伏发电的影响因素与应对手段

3.1并网技术穿透率

在分布式光伏发电系统中，其分布式光伏发电的穿透率是衡量分布式光伏在电网系统中技术水平的一项重要的指标。依据相关的研究报告显示，分布式光伏发电系统的穿透率应严格控制在容量的15%以内。但在国内，随着大量的分布式光伏发电系统出现在国内的公共电网体系之中，其真正的穿透率对于电网本身的影响作用也越来越大。对于此类情况，必须要严格控制穿透率的扩大化，保证分布光伏发电与电网的兼容性，并考虑好对电网内的设施的保护。

3.2逆功率的注意

这一概念指的是在低压电网并网分布式光伏系统当负荷很低时试图通过配电变压器向中压电网反送电，该情况下因配电变压器和线路的阻抗，配电网的电压也会明显增高。为防止该情况的出现，一般采取的手段措施有在配电变压器的次级安装逆功率检测与控制装置，一旦出现逆功率将会使分布式光伏发电系统自动断开，安装动态的调整功率的逆变器，并增加储能或增加机动负荷，在必要情况下将多余的电力进行吸收。

3.3限制输送能力

光伏的并网问题是一直限制光伏发电的最大的影响因素。目前我国的太阳能资源较为丰富，但受到资源区与负荷中心相距较远的因素影响，无论是以集中式开发为主的西部地区还是分散式开发为主的东部地区，都面临着并网难的问题。输送能力的限制影响着我国分布式光伏并网发展。可以说，我国的太阳能资源可以在一半地区以上使用超过1400小时，效率比较良好。但受到地区上的限制，太阳能资源丰富的地区多在西部与中部，与我国的电路负荷中心存在较大的距离差距，使之成为制约光伏发电发展的瓶颈。其光伏发电的消纳问题也有待思考，关键点在于打通西部地区向东部地区输送电力的通道。

4结束语

光伏发电是目前广泛应用的节能减排技术手段之一，可应用清洁可再生的太阳能支持电能需求，在治理环境污染问题，降低GDP能耗等方面均具有非常确切的价值。其中，对电气系统及关键设备的电气设计水平将直接影响整个分布式光伏发电系统的运行效能。以上研究中简要分析了分布式光伏发电系统的定义与特点，进而从逆变器选型、组串连接、直流汇流箱及光伏直流电缆选型这几个方面入手，对电气系统的设计要点进行探讨与分析，望能够引起相关人员的重视及关注，以促进分布式光伏发电系统电气性能的提升、完善。

参考文献

[1]沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[J].北京：化学工业出版社，2005（08）.

[2]刘兴杰，郭栋，王凯龙等.基于电气外特性的光伏发电系统模型等效方法[J].电工技术学报，2014，29（10）：231-238，265.