林瀚琪 孟庆平 崇锋
（青海黄河上游水电开发有限责任公司光伏产业技术分公司 青海西宁 810000）
摘要：随着近年来光伏产业的进一步发展，1500V系统电压凭借有效降低光伏电站运行线损和建设成本的优势，已经成为替代1000V系统电压的新技术。行业内众多厂家相继推出了1500V系统电压关键设备技术与标准，但现阶段推广应用1500V系统电压仍存在技术标准不健全，关键设备在1500V系统电压下的可靠性等诸多问题。1500V系统电压的大面积推广和实施还需要在实践中收集更多的数据和经验。
关键词：光伏1500V 技术标准研究 应用
1.引言
2015年巴黎气候大会在《联合国气候变化框架公约》下达成一项“具有法律约束力的并适用于各方的”全球低碳减排新协议，进一步推动光伏、风电等绿色环保新能源发展和普及。2015年我国通过《经济和社会发展“十三五”规划》，其中光伏发电市场将持续壮大，初步规划装机目标将达1.5亿千瓦。有内外政策性、需求的引导和支持，以及能源物联网发展，使得光伏发电进一步规模化、智能化，有利于减低光伏发电成本，促进技术创新和产业升级。全球光伏产业的发展目标都是要和传统的电力进行竞争，以提供更低成本、更高收益的清洁能源。当前主流的光伏发电系统是基于1000V直流段电压设计和建造的，但从系统的角度来看，若有更高的输入、输出电压等级，可以降低交直流侧线损及变压器低压侧绕组损耗，电站的系统效率预期可以提升1.5-2%。GTM的的分析报告《2016-2022年1500V光伏系统和部件：成本、供应商与预期》预计，在2016年全球对1500V光伏系统的需求将占9%左右，相当于约4.6GW。因此，1500V光伏发电系统必将是未来发展趋势。
2. 1500V系统电压技术概况
如何有效降低光伏系统的成本、提高发电效率一直是光伏产业发展的核心课题。众所周知的是，升高电压是降低线损的有效措施之一。“1500V”，这个新的电压等级在最近成为了受众人追捧的热词，全行业各个环节不约而同的谈到这个技术名词。1500V电压等级从字面上理解就是把光伏系统直流侧电压提升到1500V，系统中用到的线缆、汇流箱、逆变器等部件的耐压从1000V提高到1500V。目前，主流的电站设计以及光伏组件、逆变器、汇流箱、线缆等产品均基于直流端1000V的电压要求设计和制造。光伏电站要降本增效，升高电压是降低线损的有效措施之一。从系统的角度来看，更高的输入、输出电压等级，可以降低交直流侧线损及变压器低压侧绕组损耗，电站的系统效率预期可以提升1.5-2%。同时，设备（逆变器、变压器）的功率密度提升，体积减小，运输、维护等方面工作量也减少，有利于光伏系统成本的降低。
3. 1500V电压光伏发电系统分析
3.1 1000V与1500V电压光伏发电系统对比分析
3.1.1并网光伏系统拓扑结构介绍
并网光伏电站通常由光伏发电系统、逆变系统和升压并网接入系统等三部分组成。光伏发电系统主要包括光伏阵列和直流汇流箱；逆变系统主要包括直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜；升压并网接入升压并网接入系统主要包括升压变压器，接入电网等。如图1所示。
从图1可以看到，并网光伏电站是个系统结构，包含了光伏组件和诸多电气设备，因此光伏电站系统电压从1000V提升到1500V，需要组件及所有电气设备产品的升级以及整体光伏系统的优化。从光伏系统端来对比分析来看：1000V的常用的为22块一串，1500V系统的电池板一串常规用的应该为33块左右，根据组件温度特点，最大功率点电压会在26-37V左右，那一串组件的MPP电压范围会在850-1220V左右，折算成交流侧的电压最低为810/1.414=601V，考虑到10%的波动及清晨夜晚，遮挡等因素，一般会定义在450-550左右，过低的话电流会过大导致发热过大，以集中性逆变器而言，1000VDC时输出电压为300V左右，电流在1000A左右，而1500VDC时输出电压540V，输出电流也就1100A左右，输出电流差别并不大，所以器件选型电流等级相差不会太大，只是电压等级提高。以下均将输出侧电压定为540V进行讨论。
3.1.2 1000V与1500V电压光伏发电系统投资成本对比
在1500V系统电压下，每个组串可比1000V系统电压连接更多组件，接到逆变器的直流线缆使用量减少，汇流箱逆变器的数量也可相应减少，运输、安装、维护等方面工作量也大大降低，从而有效压降光伏电站的建设成本和运维成本。对比1000V系统电压与1500V系统电压单位造价如下：
（1）1000V系统电压下1MW设计方案
此光伏并网发电系统采用集中式并网的设计方案，系统的电池组件选用功率为250Wp的多晶硅太阳电池组件，其工作电压约为29.98V,开路电压约为37.41V，工作电流8.34A；选用阳光电源SG500MX逆变器2台；组串按照22块电池组件进行设计；1MW并网单元需配置184个电池串列，选用11台16路直流防雷汇流箱，1台8路直流防雷汇流箱。该方案共采用4048块电池组件，其功率为1012KWp。选用一台1000KVA双分裂变压器升压。
（2）1500V系统电压下1MW设计方案
采用集中式并网的设计方案，系统的电池组件选用1500V耐压功率为250Wp的多晶硅太阳电池组件，其工作电压约为29.98V,开路电压约为37.41V，短路电流8.92A，工作电流8.35A；选用阳光电源SG1000HV逆变器1台,最大输入电压1500V,mppt电压范围780V—1200V；组串按照34块电池组件进行设计；1MW并网单元需配置118个电池串列，选用7台16路直流防雷汇流箱，1台12路直流防雷汇流箱。该方案共采用8024块电池组件，其功率为2006KWp。选用一台2000KVA双分裂变压升压器。
（3）造价对比
根据现有市场条件，1500V系统电压逆变器、汇流箱等设备单价会比1000V系统电压设备单价略高，两种系统电压下单位造价基本持平。但随着1500V系统电压的推广和大面积使用，逆变器、汇流箱等设备的单价会达到现在1000V系统电压设备的单价。。对于1500V系统的概算主要基于目前的询价情况，并没有综合考虑全部生产厂家的报价，故可能存在一定偏差。
从表1可以看出，在不考虑安装、土地及运维成本的情况下。1500V系统电压比1000V系统电压的电站建设单位成本低0.138元/瓦。其中电缆节省成本最多，在实际建设过程中，成本还可进一步下降。
3.1.3 1000V与1500V电压光伏发电系统发电效率对比
通过将输入端的电压提高至1500V，每串可比1000V系统电压增加50%的组件，可使接到逆变器的直流线缆减少，汇流箱逆变器的数量也可相应减少，同时，汇流箱、逆变器、变压器等电气设备功率密度提升，同等电流等级下，功率可提升将近一倍，同时，更高的输入输出电压等级，可使系统直流线缆损耗降低，变压器损耗降低，从而整体发电效率提升。
国家电网中国电力科学研究院对1000V和1500V电压光伏系统的直流线缆损失和交流线缆损失进行了仿真计算，仿真计算结果如下:1000V电压光伏系统的直流和交流线缆损失分别为0.7%和0.5%，总损失为1.2%，而1000V电压光伏系统的直流和交流线缆损失分别为0.3%和0.2%，总损失为0.5%。可见，通过提高系统电压，可有效降低光伏系统的线缆损失，从而提升系统的发电效率。
4. 1500V系统电压光伏发电存在的挑战
4.1系统安全性、可靠性的要求更高
1500V系统对安全性能要求更高，主要是绝缘，电气间隙以及电压升高后可能带来击穿放电等问题。电压等级上升后，对整个光伏系统的各个产品，元器件的要求都将有不小的提升。另外1500V系统电压会降低光伏组件的可靠性，增大光伏组件PID等风险。
4.2标准认证体系不健全
目前，1500V的标准认证体系不健全，需要有新的符合1500V电压等级的光伏标准出台。现有的IEC标准是针对1000V系统的设计和安全性进行规范的，部分1500V零部件的测试是在1000V标准的基础上把电压升到1500V进行试验。在很多地方，因为市场缺乏针对1500V系统的现有标准，通常会导致很难从地方政府那里获得电站施工许可。北京鉴衡认证中心于2015年发布了《1500V光伏电站关键设备认证实施规则》，但仍缺少针对整个系统的标准及规范，相信在不久的将来，在大家的努力下，1500V的标准和验证服务将会陆续完善。
4.3对材料开发、制造管理将有更高的要求
1500V系统电压对光伏组件的安全性和可靠性提出了更高的要求。如更高系统高电压带来更大的PID风险等，因此制作1500V光伏组件主要考虑背板局放、电连接器和电绝缘等影响组件可靠性和安全性的因素。
对于企业的生产制造来说，1500V所用的材料和1000V会有很大的不同，包括质量更佳、耐压、绝缘要求更为严格和苛刻的接线盒、背板、连接器等。中国绝大多数的组件厂、材料厂都是起步于1000V系统电压的组件制造，很多还是新进制造领域的企业，在行业转型的时候，生产管理中的任何一个疏忽，或者是为了降低成本而冒风险用低等级的原料，都可能对整个终端系统带来难以预料的后果。
5.结论
1500V光伏系统相比传统的1000V光伏系统，可以大幅减少汇流箱、逆变器等电气设备的数量，其初始投资成本更低，而且电气设备的减少意味着光伏系统的故障点减少，意味着光伏电站后期运维成本的下降。同时提高光系统电压后，可以有效降低光伏系统的直流线缆和交流线缆损失，从而提升光伏系统的发电效率，使光伏系统发电效率达到领跑者计划的要求。可见，随着我国上网标杆电价的不断下调，为了保障光伏系统的投资收益率，1500V电压系统必将成为未来光伏系统的发展趋势。
从现有技术和市场情况来看，目前1500V系统关键产品，如光伏组件、汇流箱、逆变器等设备都已完成技术储备，相应产品也都通过了相关的检测认证测试，均已有相应的产品，而且大都在示范电站取得应用。但大部分仍达不到量产水平，未形成一定市场，1500V系统大范围推广还需要时间。
参考文献
[1]Song J.1500v,光伏行业发展的理由、挑战和机遇. 2015-7-15
[2]only3wolf.1500V阵列降本增效调研报告.2015-10-09
论文作者:林瀚琪,孟庆平,崇锋
论文发表刊物:《电力设备》2016年第11期
论文发表时间:2016/8/22
标签：电压论文; 系统论文; 光伏论文; 组件论文; 逆变器论文; 电站论文; 更高论文; 《电力设备》2016年第11期论文;