摘要：根据与公用电网的连接状态，太阳能光伏发电系统可分为并网型和离网型两类。在过去较长一段时间内，受发电成本的限制，我国光伏发电主要应用于偏远的无电地区和特殊行业，多为离网型发电系统。近年来，随着我国对新能源开发的重视以及光伏发电产业支持补贴政策的出台，以分布式光伏电站和集中式地面光伏电站为主的并网型光伏发电系统发展迅速，太阳能已由“补充能源”角色转化为“替代能源”角色。基于此，本文主要对分布式光伏发电系统的设计与性能进行分析探讨。
关键词：分布式；光伏发电系统；设计；性能
1、前言
太阳能光伏发电可分为两种，即并网型和离网型。由于光伏发电成本较高，所以早些年国内光伏发电的应用还不广泛，只有一些无电地区及特殊行业利用离网型光伏发电系统发电。近些年，随着能源消耗量不断上升，我国越来越重视新能源的利用，政府针对光伏发电行业出台了一系列利好政策并给予补贴。这推动了光伏发电的迅速发展。
2、系统设计
以300Wp分布式光伏发电项目为例，介绍了其电气系统设计和防雷设计。利用该电站的运行数据，分析并计算了运行期间电气系统效率、光电转换效率、光伏逆变器效率以及PV方阵转换效率等电气性能参数，并根据现有太阳能资源条件计算了该电站系统经济性指标，为在中南地区投资建设光伏电站提供较好的参考。
2.1电气系统
该300Wp分布式光伏发电站电气系统主要由PV方阵、组串式逆变器、交流汇流箱、交流配电单元、环境监测仪及电站监测系统组成。电池阵列坐北朝南固定安装，方阵倾斜角为15°，方位角为南偏西40°。光伏发电站采用配电网低压侧（三相400V）不可逆并网方式，电站监测系统每10s记录一次各设备主要运行数据。
2.2防雷与接地
该电站所在区域年平均雷暴日达50多天，年平均雷击密度为3.88次/km2，属高雷区，直击雷风险较大，且大面积金属的太阳能电池阵列容易造成雷电感应，因此必须对光伏发电站进行建筑物、太阳能电池阵列、输电线路和电气设备等的防雷与接地设计，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统中器件的损坏，确保光伏发电站的安全可靠运行和人员财产安全。光伏发电站的防雷设计包括户外安装设备直击雷防护和电气设备感应雷防护。根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》规定，该建筑物按三类建筑规范进行直击雷防护。直击雷防护措施由接闪系统、引下线、接地系统组成。在建筑屋顶安装避雷针，利用原有建筑引下线和接地系统构建屋顶设备直击雷防护系统，同时在雷电分区边界安装电涌保护器。
系统采用设备接地方式，其所有电气设备与太阳能电池板金属机壳都应良好并可靠接地，接地电阻符合国家现行标准GB50169-2016《电气装置安装工程 接地装置施工及验收规范》的要求，在PV方阵区域构建不大于20m×20m的接地网格。
3、分析光伏发电站的性能
工作人员可利用电站监测系统完成监测数据、收集数据及储存数据工作。在此基础上，利用收集到的数据便可计算产量、损耗、电气系统效率及转换率等性能参数，从而分析发电系统性能。
3.1PV方阵性能
太阳能电池组件给定的在STC（标准测试条件）条件下测试的转换效率为16.48%。在本项目中，2016年8月17日PV方阵效率测量值在4%～16%范围内，当天太阳能光照瞬时辐射值与PV方阵输出功率的关系曲线如图1所示。
由于PV方阵不是正朝南安装，存在南偏西40°左右的方位角，实际表现为：上午，太阳光照入射到PV方阵的方位角等于理论计算太阳方位角与安装方位角之和；下午，太阳光照入射到PV方阵的方位角等于理论计算太阳方位角与安装方位角之差。根据电站所在地区的经纬度和方位角，利用式（1）计算可知该日太阳光垂直入射到PV方阵的时刻在14点35分左右，此时太阳光瞬时辐射值为786W/m2，PV方阵输出功率为87.7kW，光电转换效率为13%。
图 12016 年 8 月 17 日太阳光瞬时辐射值与 PV 方阵输出功率关系曲线
sinφ=cosδsinH/cosβ（1）
式中：φ——方位角；δ——赤纬角；H——时角；β——太阳高度角。
PV方阵输出功率与光照强度基本呈线性增长趋势；但由于PV方阵安装方位角为南偏西40°并存在环境温度等因素影响，导致上午和下午两条线未重合，即在相同日照强度及环境温度下，下午输出功率大于上午输出功率。如果PV方阵安装方位角为0°，则两条线将基本重合。
3.2逆变器性能
光伏并网逆变器是光伏发电站中重要的电气设备，它将PV方阵发出来的直流电能转换成满足电网要求的交流电能，并实现并网控制，其转换效率的高低关系到整个电站的发电效率和投资收益。本电站采用带工频隔离变压器的三相逆变器，输出三相AC400V/50Hz交流电源，能够根据日照强度实现自动开机或关机，具有完善的保护功能。在2016年10月份某天，系统运行过程中最高转换效率达到98.5%，输入功率在20~90kW或光照强度在200W/m2以上时其转换效率一般在92%~96%。
3.3系统经济性
该光伏发电站位于北纬27.8°，东经113°，其水平面年可利用太阳能资源峰值日照小时数为1204h。根据美国NASA（国家航空和宇宙航行局数据中心）提供的该地历史气象数据，考虑系统损耗和电池组件功率衰减等因素对发电的影响，利用式（2）计算电站年发电量Ey。对该光伏发电站进行25年工作寿命内发电量预测：25年累计发电约为330万kW•h，折算到每峰瓦（Wp）装机容量的发电量为30kW•h。
E=yPA×HI，y×η1×η2×α×β×τ×λ（2）
式中：PA——光伏电站装机容量；HI，y——组件倾角面上的年峰值日照小时数；η1——光伏逆变器加权转换效率；η2——交、直流线路损耗系数；α——PV方阵功率失配系数；β——灰尘遮挡系数；τ——电池组件功率温度系数；λ——电池阵列功率衰减系数。
4、结语
煤、石油等能源具有不可再生性，为实现经济可持续发展，分布式光伏发电极具竞争力，其除了以可再生能源为输入外，还具有就近生产的特点，从而节约成本，降低传输损耗并提高发效率。因此，设计科学、合理的分布式光伏发电系统尤为重要。
参考文献：
［1］李建泉，蹇芳，吴小云，等.分布式光伏发电系统的设计与性能分析［J］.大功率变流技术，2014（4）：25-31.
［2］陈清，林冲，古涛，等.分布式光伏发电设计及安装［J］.太阳能，2015（11）：45-52.
论文作者:齐向宁
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/22
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