摘要：当前，能源枯竭和环境污染的日益严重使可再生能源和各种绿色能源得到越来越多的重视，已经成为人类实现可持续性发展的必由之路。近年来，随着电力电子技术和太阳能电池技术的日臻完善，太阳能光伏发电技术水平得到了快速的发展与提高，是最具发展前景的发电技术，也是太阳能和新能源开发利用的重要形式之一。基于此，本文主要对基于太阳能发电的光伏阵列电气系统设计进行分析探讨。
关键词：基于太阳能发电；光伏阵列；电气系统设计
1、前言
随着太阳能发电技术的发展，越来越多的问题逐渐暴露了出来，主要问题之一是太阳能发电技术的发展不均衡。当前我们对于太阳能发电产业的材料工艺以及发电系统的宏观设计投入了较多的精力，但是对于光伏阵列的设计较弱，逆变器的设计、以及系统的电气化设计投入精力也较少。这种不均衡的发展已经严重制约了太阳能发电系统的进一步发展。
2、系统的组成
光伏发电系统属于一种新型的发电系统，它是以太阳能电池的光生伏打效应作为原理，其可以通过太阳辐射能直接转换直接形成电能。光伏发电系统主要包括以下几个组成部分：太阳能电池板与控制器、以及逆变器，以下对各组件进行详细介绍：
（1）电池板。作为光伏发电系统最为核心的组成部分，太阳能电池板可以直接把太阳能转换为电能，从而供负载使用。（2）控制器。其可以提供最好的充电电流以及充电电压，从而使充电更加的稳定、快速以及高效，与此同时它还可以进一步使充电过程中产生的损失得到降低，保护电池。例如，如果由于天气原因导致太阳电池矩阵产生直流电电流以及电压不稳定，则通过控制器，就可以产生相对稳定的直流电。（3）逆变器。其可以使太阳能电池阵列所提供的低压直流电进一步逆变，使成为 220 伏电压的交流电，以满足交流负载的需要。
3、光伏阵列设计
光伏阵列是整个太阳能发电系统中的能源转换模块。一个高效的光伏阵列设计可以提高系统能源转换率，从而使系统获得更多的能源供给。
3.1 光伏组件选型
太阳电池板是转换能源的核心部件，我国的太阳电池板产业发展成熟，处于国际领先地位，较为成熟的产品有晶体硅太阳电池板、碲化镉太阳电池板和薄膜型太阳电池板几种。其中晶体硅太阳电池板发展最为成熟、状态最为稳定、运行最为可靠，是太阳电池板的最佳组件材料方案。通过选择比较，本系统中的太阳电池板放弃了单晶硅，而选择了多晶硅。因为单晶硅太阳电池板多为圆形，平面利用率低于多晶硅太阳电池板。
3.2 支架模型选择
在光伏阵列的设计中，支架模型的选择至关重要。一个构造良好的支架可以使太阳电池板获得更多的有效光照时长。现在主要的支架模型有单轴跟踪支架、双轴跟踪支架和固定式支架。其中单轴跟踪支架可以分为倾斜型的单轴跟踪支架和水平型的单轴跟踪支架。
针对不同的地形结构，各种支架各有其特点。在地形平坦、面积开阔的地形结构中，水平单轴跟踪支架模型可以通过东西方向的旋转，获得最长的有效光照时间。倾斜型支架结构与水平型支架结构的工作原理类似，虽然倾斜的设计使之获得更有效的光照，但是成本要远高于水平型跟踪支架。双轴跟踪支架可以对光线进行有效的追踪，其转换效率最佳，但不足之处是成本过高。固定型支架占地面积小，适合在山区等复杂地形使用，转换率优良，成本低，性价比高。本文针对固定型支架倾斜角度进行了详细的实验分析设计，得到了如图 1 所示的曲线图。
图 1 倾斜角度与光强的关系
该曲线图是通过 PVSYST模拟软件进行计算得出的，该模拟过程为斜面上的日平均辐射量。由图 1 可知，在支架取向为 0°时，即朝向正南方向时，同时支架倾斜角度为 24°的时候可以获得最大的太阳辐射强度。因此本方案针对固定型支架结构采用组件偏角 0°和支架倾斜偏角 24°。
3.3 太阳电池板 - 逆变器布置方案
为了提高太阳能发电系统的发电效率，尽可能的在保证系统稳定性和安全性的基础上降低系统成本，本文提出了如图 2 所示的光伏阵列布置方案，该方案是以单个光伏子阵列为构建基础构建的。
图 2 光伏阵列布置方案
如图 2 所示，本结构将两台 500 kW 的逆变器连接到一个逆变器上，得到一个 1 MW 的逆变器。该逆变器与两个方阵进行连接，构成一个 1 Mp 的子光伏方阵。该结构具有集中安装、易于管理和维护的特点。该系统的不足是在直流侧的线缆较长，容易发生损耗，但是在交流侧的线缆简单。在该系统中逆变器使用的数量少，开关使用的数量少，因此系统故障率相对较低。经过综合的分析，该布置架构具有较高的经济适用性，性价比高。
4、系统的电气一次设计
电气系统的一次设计是指对电气系统主电路进行设计，即承载电流的设计。电气一次设计是电气系统成型的关键，其优劣性对电气系统的后期设计具有重要的影响。电气一次 35kV 开关站电气主接线主要包括三部分内容，下面做详细介绍。
4.1 电气主接线设计
在该系统中 35 kV 的开关站主要包括两级电压：35 kV，0.5 kV。0.5 kV 为低压变电站用电电压，35 kV 则为太阳电池板产生电能经过逆变器形成的高压电压。
4.2 35 kV 系统
35 kV 系统主要包括 35 kV 侧接线和 35 kV 箱式变电站。其中在 35 kV 侧接线设计中接入系统的电压等级为 35 kV，并且采用单母线连接的侧接线方式。在 35 kV 的母线上总共安装了 6 面开关机柜：1 面总出线开关机柜、1 面无功补偿开关机柜、1 面用接地变开关机柜、2 面集电线路开关机柜和 1 面PT 机柜。35 kV 箱式变电站则采用的是双分裂箱式变电站，其输入的电压等级同样为 35 kV。在本系统中采用 20 个光伏发电单元组成。
4.3 35 kV 侧无功补偿设计
为了保障光伏发电系统在并网时地区电压稳定，同时实现无功的就地补偿策略，在 35 kV 母线上安装一套可调节的无功补偿装置。该装置的最终补偿方式、补偿量等内容由接入系统来确定。本系统采用的无功补偿装置可以改善电能质量、减少压降并且能提高功能因数。在 35 kV 母线的一相线上串联两个12 kV 的电容器以及相应的放电线圈，放电线圈的二次缠绕采用两个相同参数的线圈并且连接成差压电路。当系统出现故障时，由于两组电压不等，会产生跳闸信号关闭主电路，实现对线路和电气设备的保护。
5、总结
本系统以普通太阳能发电系统为例，对其进行了光伏阵列的优化设计和电气系统一次设计。通过采用 24°角的固定型支架实现了光照强度采集的最大化，提高了系统的电能转化率。通过对系统中的电气一次化设计，提出了一种基于 35kV 开关站的优化设计，提高了系统的稳定性。经过大量的实验模拟证明，本系统具有一定的市场推广价值。
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论文作者:李惠翔
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/8
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