光伏电站科学设计的关键问题-solarbe文库

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0 引言光伏并网发电是通过光伏逆变器将直流电变换为交流电馈入电网的一种太阳能利用方式，已得到广泛认可和大规模应用 [ 1 ] 。根据馈入电网类型的不同，光伏发电站主要分为大规模集中型光伏发电站和分布式光伏发电站。根据光伏电站安装环境位置的不同，光伏发电站一般分为荒漠电站、屋顶电站及山丘电站。图 1 为典型的集中型光伏发电站示意图。由于光伏政策的引导，以及投资方对光伏电站投资回报收益和生命周期性能的要求不断提高，光伏电站已从前些年的粗放设计上升到科学精细化设计阶段。笔者基于在光伏行业多年的研发、设计和应用经验，对电站地理选址、光伏组件选择与光伏阵列排布、逆变器选型、电网指令法规等关键问题进行分析和研究，为电站的科学合理设计提供理论依据。本文分析了影响光伏电站发电量、安全性、可靠性和电网友好性等关键问题的本质，就相应问题给出科学的设计方法和解决方案，为广大业主和 EPC 提供科学的电站设计与逆变器选型指南，提出了 “ 因地制宜、科学设计 ” 的光伏电站设计理念。1 光伏电站选址光伏电站的选址是光伏电站前期规划的重要步骤，不适宜的地理位置和环境会导致电站寿命和收益无法达到预期目标。特殊的地理环境还要求光伏电站具有特定的防护能力。1.1 地理特征地理特征决定了发电站建设类型和施工方式，影响电站的成本投入、投资回报以及后续的运维方式等的评估与设计结果。地理特征主要包括 ① 经度、纬度、海拔等地理位置； ②城市、荒漠、山地山丘、建筑物、滩涂、沿海等地貌特征。根据电站所在地理位置的经纬度和海拔数据可以大致评估该电站全年的辐照状况、预期发电量和收益情况。根据电站所在地的地貌特征可以初步判断电站可建设规模和馈入电网的类型，确定电站的现场施工方式和后续的运维方式等。例如电站选址在地形平坦的荒漠，其建设和运维模式比较成熟，可复制性较收稿日期 2014-12-09 。作者简介倪华（ 1982- ），男，工程师，研究方向为光伏发电及其应用技术。 E-mail nihsungrowpower.com光伏电站科学设计的关键问题倪华，赵为，俞雁飞（阳光电源股份有限公司，安徽合肥 230088）摘要光伏电站的科学设计对降低电站初始投资和最大化提升收益至关重要。文章通过对电站地理特征、光伏组件特性、光伏阵列特性、逆变器选型、电网指令法规等多个对象的认识研究，阐述了影响光伏电站发电量、安全性、可靠性和电网友好性等关键问题的本质，并且就相应问题给出了科学的设计方法和选型指南，提出 “ 因地制宜、科学设计 ” 的光伏电站设计理念，为科学合理设计光伏电站提供参考。关键词光伏电站；光伏阵列；逆变器；因地制宜；科学设计中图分类号 TM615 文献标志码 A 文章编号 1671-5292 （ 2015） 07-1005-08图 1 典型的集中型光伏发电站Fig.1 Typical concentrated PV plant中高压电网光伏阵列双分裂变压器直流汇流箱 1 MW 逆变房本地监控中心调度中心1 MW 子单元1 MW 子单元1 MW 子单元可再生能源Renewable Energy Resources第 33 卷第 7 期2015 年 7 月Vol.33 No.7Jul. 2015· 1005·DOI10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.07.008强，施工难度相对较低；电站选址在地形不平坦的山丘，由于电池阵列的排布朝向不一致容易存在遮挡失配现象，在阵列的排布和逆变器选型上要进行特别的考虑；电站选址在沿海湿热地区，要关注电池板是否具备抗电势诱导衰减（ PID ）能力、逆变器或电站系统方案本身是否可以进行 PID 的抑制防护等。1.2 外部环境电站外部环境因素包括 ① 全年的晴天天数、辐照情况、最低最高气温、平均气温、平均雷击次数、风力、地震等级、水土、冻土深度等气候气象条件； ② 空气湿度、盐雾、灰尘风沙、空气污染物、周边遮挡物等周围环境。气候气象条件数据用于估算年发电量、电池板单组串数量等计算。温度信息关系着光伏阵列的开路电压设计。水土、地震、风力等信息是电池板支架的选型施工、光伏阵列铺设固定方式设计的依据。雷击信息是电站防雷设计的重要参考。周围环境信息数据对光伏电站设备的防护等级、光伏阵列的排布方式的确定具有重要作用。1.3 电网及负荷情况大型输电网电能质量好、容量大，电站附近的负荷较小。集中型电站一般馈入 110 kV或 330 kV 的大型输电网，通过高压输电线外送。分布式电站一般通过 10 kV 或 35 kV 的中压变压器上配电网或者就近于 380 V 低压并网点并网，其电网容量较小，在低压侧或中压侧可能存在随机负荷，电网电压和频率容易波动，电网电压会存在大量的谐波。分布式电站中逆变器的选型尤为重要，建议选择行业技术领先的品牌逆变器，以保障电网适应性、可靠性、安全友好性等性能。1.4 不同类型光伏电站的选址集中式光伏电站的容量较大（通常在 5MW 以上），发电量稳定，适宜建造在辐照较强、天气稳定、幅员宽广的荒漠和山丘，接入相对稳定的中高压电网。分布式光伏电站就近为本地负载供电，一般接入本地中低压电网，适宜建造在城市、工业园、建筑群等地方。另外，电站地区的一些特殊地理环境要求光伏电站具备相应的防护和应对策略（表 1）。2 光伏组件选择和阵列排布2.1 光伏组件类型选择当前在光伏电站中大规模商业化应用的组件有多晶硅、单晶硅以及薄膜组件， 3 种的区别主要体现在效率和价格上。对于薄膜组件要特别考虑其极化腐蚀效应，一般采用负极接地方案。组件的选型要从电站的初始投资、占地面积、安装位置和预计发电量等方面来考虑。大型地面电站多选择性价比较高，单块功率大于 250 W 的大功率多晶硅组件；屋顶电站的面积有限，为在有限面积上尽可能多发电，一般选择效率较高的单晶硅组件；光伏建筑一体化电站选择薄膜组件较多。2.2 光伏组件的衰减（ 1 ）光致衰减造成组件衰减的原因有两种。一种衰减是初始的光致衰减，主要是由于 P 型（掺硼）晶体硅片中的硼氧复合体降低了少子寿命而衰减，以及含硼和氧的硅片经过光照后出现的衰减 [2] 。另一类衰减表现为缓慢衰减，包括电池片衰减和封装材料因紫外线照射造成的衰减。通常光伏组件第一年衰减为 2 ～ 3 ，以后每年衰减不超过 0.8 ， 25 年衰减不超过 20 。针对光伏组件无法避免的衰减问题，可以考虑在电站初始建设时超配一定比例的电池板，同时相应配置具有较大过载能力的逆变器，以抵消衰减影响。表 1 特殊地理环境对光伏电站的要求Table 1 Requirements for PV plants in specialgeographical environments地理及环境条件对光伏电站性能要求年降水天数较多，空气湿度大，沿海盐雾雷击多发地带电站设施与设备多级防雷设计。地震多发地带高海拔地带安全防护等级要求较高。风力大，冻土层极端高低温，温差大高温高湿环境具备抑制 PID 的能力。地形复杂，遮挡严重多路 MPPT，多峰 MPPT 。材料与设备防腐蚀等级、 IP 防护等级要求高。电站建筑与设备具备较强的抗地震波能力。电站设施结构强度、抗机械疲劳能力强。材料与设备耐高低温能力、循环寿命要求高、低温时光伏组串输出高压防护能力。可再生能源 2015， 33（ 7）· 1006·（ 2）电势诱导衰减效应电势诱导衰减（ PID）是电池组件长期处于一定的偏置电位，并在高温高湿环境下诱发的性能衰减现象 [3] 。发生 PID 的电池组件开路电压和最大功率都比其初始特性有非常大的下降；电池功率衰减会造成系统失配，从而使电站的发电量产生巨大的损失。电站设计初期就要考虑建设地区环境的温湿度、电池板组件对PID 的抗性、逆变器或电站系统是否具有抑制PID 的功能。目前，通过中压变压器并网的集中型逆变器采用负极接地来抑制 PID 的方案已得到成功的应用。（ 3）光伏组件热斑在某些遮挡条件下，光伏串联组串中被遮蔽的光伏组件处于反向偏置状态，成为光伏阵列的负载，消耗能量而发热，即热斑现象。热斑会导致电池组件进一步地衰减，可能导致组件失效或起火 [4] 。为了避免热斑的产生，在光伏组件接线盒中集成旁路二极管，将反向偏置的电池片旁路。选用光伏组件时，要特别关注第三方权威机构出具的电池组件的热斑耐久性测试数据和报告。2.3 光伏阵列遮挡、串并联失配特性（ 1）组件遮挡与光伏阵列排布光伏组件局部被阴影遮挡时，其输出特性会发生改变。单个组件被遮挡程度不同，其光伏特性曲线差别很大，这是导致阵列产生失配的重要原因。在光伏电站设计初期就要充分考虑光伏阵列是否存在遮挡的问题。若由于地理环境出现无法避免的组件被遮挡问题，可通过优化电池板排布以及选择合适的逆变器来减少发电量损失。光伏阵列较差排布与最优排布相比，对电站前期建设的线缆、逆变器的投入和发电量的影响相差30 以上。（ 2）局部不规则遮挡的失配现象在山丘、山地或者楼宇屋顶等特殊地形，光伏阵列可能会出现局部不规则遮挡，导致较严重的失配现象发生（图 2）。通过仿真及实际测试发现，在不规则遮挡下，光伏阵列的输出曲线表现为多峰值和峰值功率减小。此时有针对性的对组件进行排布优化，减少遮挡面积，合理选用逆变器，可以降低发电量的损失，提升收益。例如，在不同区域配置多台逆变器、选择具有 MPPT 的逆变器。（ 3 ）光伏阵列的串并联离散失配现象采用典型的规模化、流水线式的生产方式，光伏组件产品的一致性可以得到有效保障和控制，但是不可能做到 100 的一致性，组件之间会存在一些微小的差异。不同组件之间的固有输出特性差异会导致串并联后的组串和阵列出现离散失配。与因大规模的局部集中遮挡失配相比，离散失配的影响程度较低，难以通过增加组串级别的多路MPPT 手段来有效削弱。在图 3 所示的大规模无遮挡的荒漠电站中，通过对集中型逆变器和多 MPPT 组串型逆变器的仿真分析和实际测试比较发现，两种情况下的发电量误差小于 0. 01 。2.4 光伏组件衰减及阵列失配现象的应对策略对于光伏电站可能出现的光伏组件衰减及阵列失配现象，在电站设计建设初期要充分考虑，并采取合适的应对措施，使光伏电站能达到预期的收益。光伏电站的应对策略列于表 2 。图 2 局部不规则遮挡失配现象Fig.2 Mismatching phenomenon caused by localirregular shade图 3 大规模集中荒漠电站的离散失配现象Fig.3 Discrete mismatching phenomenon of large-scaleconcentrated desert PV plant· 1007·倪华，等光伏电站科学设计的关键问题3 光伏逆变器选择根据光伏逆变器的功率等级、内部电路结构和应用场合的不同，分为集中型逆变器、组串型逆变器和微型逆变器。应根据光伏电站的自身特点，选择合适的逆变器。3.1 集中型逆变器集中型逆变器的单机功率大、最大功率点跟踪（ MPPT）数量少、单位功率成本低。目前，国内集中型逆变器的主流机型以 500 kW ，630 kW 为主，欧洲及北美等地区的主流机型的单机功率高于 800 kW ，其功率等级和集成度还在不断提高。最近德国 SMA 公司推出了单机功率为 2. 5 MW 的逆变器。目前，集中型逆变器是中大型光伏电站的首选，在全球5 MW 以上的光伏电站中，其选用率超过98 。3.2 组串型逆变器组串型逆变器的单机功率为 3 ～ 60 kW ，其主流机型的单机功率为 30～ 40 kW ，一般是6 ～ 15 kW 配置一路 MPPT。该类逆变器的单位功率成本较高，主要用于中小型电站，在全球容量 1 MW 以下的电站中选用率超过 50 。不规则商业屋顶电站及户用系统均倾向使用组串型逆变器。3.3 微型逆变器微型逆变器的单机功率低于 1 kW ，单MPPT，在应用中多为 0.25 ～ 1 kW 配置一路MPPT。微型逆变器可以对单块或几块电池板进行独立 MPPT 控制，其单位功率成本很高。目前，北美地区的 10 kW 以下的家庭光伏电站应用较多。3.4 3 种典型逆变器的应用以上 3 种逆变器的典型应用如图 4 所示。光伏组件通过串联形成组串，多个组串之间并联形成阵列。集中型逆变器将一个阵列的所有组串直流侧接入 1 台或数台逆变器， MPPT 数量相对较少。组串型逆变器将一路或几路组串接入到 1 台逆变器，一个阵列中有多路 MPPT。微型逆变器对每块电池板进行 MPPT 跟踪。组串型逆变器方案的多路 MPPT 可以解决组串之间并联失配问题；微型逆变器既可以解决组串之间的并联失配，也可以解决组件之间的串联失配。因此，从直流侧看， 3 种逆变器的本质区别在于对组件失配问题的处理效果不同。逆变器的选型，须要在光伏系统生命周期内寻找总发电量和总成本的平衡点，同时要考虑故障穿越能力、电能质量、电网适应性等电网接入要求，以及抗 PID 、静态无功支撑等一些特殊功能的要求。表 2 光伏组件衰减及阵列失配现象与应对策略Table 2 Strategies on PV modules decay and PV array smismatching衰减类型应对策略组件光致衰减组件（阵列） PID 效应组件热斑阵列局部不规则遮挡失配阵列串并联离散失配阵列无法避免的规则遮挡采用抗 PID 效应的电池板、电站具备抗 PID 能力。超配一定数量的电池板组件，抵消电站生命周期内的衰减。选择组件时，关注第三方权威机构测试的抗热斑数据。增加光伏电站中 MPPT 装置的数量。采用组件级别的 MPPT 装置进行适当优化。优化阵列排布，减少多峰现象。（ a）集中型逆变器（ b ）组串型逆变器（ c）微型逆变器图 4 3 种逆变器典型应用图Fig.4 Typical application schemes of three kinds of inverterDC/AC逆变器DC/AC逆变器DC/AC逆变器DC/AC逆变器微逆微逆微逆微逆微逆微逆微逆微逆微逆微逆微逆微逆可再生能源 2015， 33（ 7）· 1008·4 电网指令法规4.1 中高压并网电站指令我国对于接入中高压电网的光伏电站，主要按照 “ GB-T19964-2012 光伏电站接入电力系统技术规定 ” 来执行调度与约束，对光伏逆变器的测试按照 “ NBT 32004-2013 光伏发电并网逆变器技术规范 ” 执行。德国的联邦能源和水资源协会（ BDEW ）颁布的 “ GeneratingPlants Connected to the medium -voltageNetwork” 对中高压并网电站有详细而严格的要求，其中 FGW TR3 ， FGW TR4 ， FGW TR8 分别是对接入中高压的光伏逆变器的电气性能、逆变器的仿真建模、接入中高压电网的发电系统的电气性能的认证要求。针对仿真建模的认证评估，国网电科院编写了 “ 光伏发电系统建模导则 ” 和 “ 光伏发电系统模型及参数测试规程 ” 的报批稿。国内光伏电站接入电力系统技术规定的一些关键要求如下。（ 1）低电压穿越如图 5 所示，要求电站在电网电压跌落至20 状态下能穿越运行至少 625 ms，在电网电压跌落至零状态下能穿越运行至少 150 ms；在穿越过程中，动态无功电流的响应（无功功率由零到额定值）不超过 30 ms。由少量大功率光伏逆变器构成的 MW 级单元电站，对无功的响应能力和速度远优于由许多台组串型逆变器构成的 MW 级发电单元，所以建议在大功率光伏电站中选择通过 LVRT 测试认证的集中型大功率逆变器。（ 2）高电压穿越要求电站电网电压上升到额定电压的1.2 倍时，逆变器至少要保持 10 s 不脱网运行；电站电网电压上升到额定电压的 1.3 倍时，逆变器至少要保持 500 ms 不脱网运行（图 6 ）。高电压对逆变器的硬件要求较高。相对而言，大功率逆变器中元器件的容量和裕量要高于组串型逆变器。（ 3）有功功率和无功功率控制要求逆变器具备快速、大容量、高精度的有功无功的控制和调度调节响应能力。（ 4）电能质量要求电能质量的判断和衡量，围绕三相电压和三相电流不平衡度、闪变、电流谐波、间谐波等指标进行。除了上述几个关键要求外，对光伏电站过欠压、过欠频的脱网测试和防孤岛测试的动作阀值、精度和时间等方面，国内的相关标准都有严格的要求。4.2 分布式电站并网指令为了规范接入配电网的分布式发电系统的技术要求，我国在 2012 年出台了 “ GB -T29319-2012 光伏发电系统接入配电网技术规定 ” 。另外，中国南方电网有限公司起草了 “ 分布式光伏发电系统接入电网技术规范 ” 。为了更加有序、安全可靠、大规模地推广发展分布式发电，光伏行业正在考虑编写更高要求的国家标准和技术规范。德国在分布式发电领域规模化应用的成熟经验值得我们借鉴。德国 80 以上的光伏电站为分布式发电，主要执行标准有 IEC62109 ， VDE0126 ， “ VDE -AR -N4105 -2011 -08 Power Generation SystemsConnected to the Low -Voltage DistributionNetwork ” 。图 5 国内低电压穿越标准曲线Fig.5 Standard LVRT curve applied in China时间 /s-1 0.015 0.625 1 2 3 4光伏电站并网点电压/p.u1.21.00.80.60.40.20曲线 1要求光伏发电站不脱网连续运行光伏电站可以从电网切出图 6 国内高电压穿越标准曲线Fig.6 Standard HVRT curve applied in China时间 /s-1 0.05 （ T1） 10（ T2） 1.4光伏电站并网点电压/p.u1.41.31.21.11.00.5电网故障引起电压升高要求光伏发电站不脱网连续运行光伏电站可以从电网切出U1U2· 1009·倪华，等光伏电站科学设计的关键问题（ 2）运行维护表 5 为集中型和组串型主流机型方案在某 100 MW 电站的运行维护数据对比。表 5中，逆变器故障率均为 2 ，电价为 0.9 元 /kWh 。集中型方案为 500 kW 200 台，单台设备平均维修成本比例为 25 ，单台设备损失满负载发电时间约为 6 h 。组串型方案为 30 kW 3 400 台，单台设备平均维修成本比例为50 ，单台设备损失满负载发电时间约为1 h 。由于组串型设备是整机维护，集中型设备是器件维护，因此集中型设备维护成本优势非常明显。同时，在占地面积相当大的 100 MW级大规模电站中，对完全分散布置的组串逆变器进行维护更换作业，工作人员路途上用的时5 不同类型电站的设计5.1 荒漠电站荒漠地区幅员宽广，地势平坦，气候稳定。在荒漠电站中，集中式电站和组串型电站的发电量基本持平。集中式电站在最高效率和过载能力等方面有优势，发电量略高于组串式。另外，在初始投资、运维投资以及电网友好性等方面，集中式电站优势显著。因此，荒漠地区适宜建设基于集中型逆变器的大规模集中式光伏电站。（ 1）初始投资分析分析初始投资主要考虑光伏电站的建设成本以及预期的发电量。通过表 3 和表 4 的对比可知，集中型逆变器方案的单位投资比组串型逆变器方案的单位投资约节省 26 万元 /MW 。另外，考虑超配过载能力，集中型方案在大型荒漠电站中发电量优于组串型逆变器方案。集中型（以集装箱方案为例）组串式（以 30 kW 单机为例）规格投资成本 /万元规格投资成本 / 万元直流汇流箱 PVS-16M 4.85.6 - -交流汇流箱 - - 6 进 1 出 3.04.8逆变室及配套 10 呎集装箱 68 （含基础） - -通讯柜集成于集装箱平台中 - 室外壁挂式 0.20.5升压变双分裂 2022 双绕组（含低压侧二次汇流） 1820电缆交直流线缆 1018 交直流线缆 2030逆变器集中型 30 组串型 55总投资 70.883.6 96.2110.3表 3 1 MW 光伏电站不含光伏组件初投资的建设成本Table 3 Initial investment construction costs of a 1MW PV plant doesn t enclose PV modules设备名称表 4 集中型逆变器和组串型逆变器发电量分析对比表Table 4 Analyzing and comparison of electric-power output between concentrated inverters and string inverters对比维度集中型组串型差异 / 发电量影响计算与分析逆变转换效率 / 98.50 98.30 0.20 组串式 DC/DCDC/AC 双级架构，效率低。产品不可用导致发电量损失配套设备功耗 / 0.06 0 -0.06高温及高海拔导致的发电量损失 /遮挡失配损失 A A -0.50组件衰减失配 A A -0.01直流电缆电压差导致的失配损失 /电缆损耗 / 1.86 2.14 0.28 组串式主要为交流损耗，集中式主要为直流损耗。总计 / 0.38A A ＋ -0.01 综合故障率、单机功率和维护时间影响，组串式损失略小。直流汇流箱与交流汇流箱功耗相当，逆变室风扇功耗折算至一天约 3 kWh 。组串式工作于室外，夏季好时段及高海拔应用需降额。换算至全年发电量差异达 0.5 左右。0 0.50 0.50不存在朝向不一致和遮挡引起的失配问题。云层导致的阴影遮挡损失组串式比集中式低 0.5 左右。组件衰减不一致及灰尘遮挡均按正态分布在方阵中，组串式多路MPPT 无明显改善。0.05 0 -0.02 集中式直流电缆电压差导致的失配损失约为 150 W 。可再生能源 2015， 33（ 7）· 1010·间远高于进行设备更换时间，这也是组串型机型很少应用于大型电站的原因之一。（ 3）电网友好性高压输电网在调度响应、故障穿越、限发、超发、平滑、谐波限制、功率变化率、紧急启停等