劉士起

中節(jié)能太陽能關(guān)嶺科技有限公司，貴州安順，561300

0 引言

目前，電能已不可或缺，用電量每年都呈上升趨勢(shì)，需要推動(dòng)綠色發(fā)展，實(shí)現(xiàn)可再生能源的有效利用。光伏電站能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)換為電能。光伏電站是能源轉(zhuǎn)換的重要媒介，我國需要重視光伏電站電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，進(jìn)一步保障相應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性以及高效性。

1 光伏電站概述

光伏電站主要是指通過太陽能用晶硅板、逆變器等特殊材料組成相應(yīng)的發(fā)電體系，并連接電網(wǎng)將電力輸送給電網(wǎng)的一種光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏電站在我國具有較大的支持力度，屬于綠色電力開發(fā)能源項(xiàng)目，一般可以根據(jù)蓄電池來分為帶蓄電池獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)以及不帶蓄電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。太陽能發(fā)電可以分為光熱發(fā)電、光伏發(fā)電。目前，一般以太陽能光伏發(fā)電為主。而太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括蓄電池、光伏電池、交直流逆變器、控制器等元件。蓄電池主要用于電力儲(chǔ)存；光伏電池主要用于轉(zhuǎn)換光電；交直流逆變器主要用于轉(zhuǎn)換交直電流，并盡可能地將所有電能輸送至電網(wǎng)；控制器能夠?qū)ο到y(tǒng)全過程進(jìn)行控制。在我國，太陽能資源處于豐富狀態(tài)，可以充分運(yùn)用太陽能來完成光伏發(fā)電。根據(jù)太陽能輻射量來對(duì)我國地區(qū)進(jìn)行分類，一般可以分為五類：一類為最豐富地區(qū)，二類為較豐富地區(qū)，三類為中等類型地區(qū)，四類為較差地區(qū)，五類為最少地區(qū)。具體分析如表1所示。

表1 中國太陽能資源分布表

2 光伏電站發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國在太陽能資源方面一直處于豐富狀態(tài)，十分適合利用太陽能來完成發(fā)電。再加上我國有很大的國土面積以及建筑物受光面積，一類地區(qū)是主要太陽能資源開發(fā)地區(qū)，其太陽能資源潛力不可估量。在新興行業(yè)中，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)已處于核心地位。在此基礎(chǔ)上，全世界光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)不斷擴(kuò)張，成本也在呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。我國在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)方面，能夠與國際競爭。我國有多家企業(yè)參與光伏發(fā)電，同時(shí)光伏強(qiáng)省更是重要產(chǎn)業(yè)基地，比如江蘇、河北。企業(yè)改變以往“年度”的發(fā)展戰(zhàn)略，直接將其更換為“月度”發(fā)展策略，以此來滿足市場(chǎng)所需。

3 關(guān)于大型光伏電站電氣技術(shù)探討

3.1 逆變系統(tǒng)

逆變器主要是將直流轉(zhuǎn)換為交流的一種新興轉(zhuǎn)換器，在太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中是重要組成部分。它主要將太陽能電池、蓄電池電源轉(zhuǎn)換為負(fù)載。根據(jù)運(yùn)行方式可以劃分為獨(dú)立運(yùn)行、并網(wǎng)等逆變器。前者往往在太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)中單獨(dú)運(yùn)行，并單獨(dú)供電于負(fù)載；后者通過太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)并利用并網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。另外，根據(jù)輸出波形可以將其劃分為方波、正弦波等逆變器。前者成本低且電路簡單，但具有較大的諧波分量，往往適用于幾百瓦以下的相應(yīng)系統(tǒng)；后者具有較高的經(jīng)濟(jì)成本，適用于不同負(fù)載[1-2]。

3.2 升壓系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)光伏電站時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際來分級(jí)處理。有關(guān)人員會(huì)在設(shè)計(jì)相應(yīng)電站時(shí)，將其分為多級(jí)升壓以及一級(jí)升壓兩種系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)用中，一級(jí)升壓設(shè)計(jì)技術(shù)往往應(yīng)用于分布式光伏系統(tǒng)；而在大型光伏電站中，通常將多級(jí)升壓設(shè)計(jì)技術(shù)充分運(yùn)用其中。

3.3 接地系統(tǒng)

在光伏電站中，接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)是主要媒介，能夠?qū)⒐夥娬九c電網(wǎng)系統(tǒng)連接，但其具有較強(qiáng)的專業(yè)性，需要有關(guān)部門審批，以此來保障相應(yīng)系統(tǒng)的安全有效性。比如匯流箱能夠有序連接光伏組件，主要保障匯流功能的時(shí)效性。方陣連接盒有多種功能，比如過壓保護(hù)、雷擊保護(hù)等。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，需要將溫升、顯示功能、安全、通信等重點(diǎn)內(nèi)容充分考慮其中，盡可能地降低相關(guān)因素的負(fù)面影響[3]。

4 大型光伏電站電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

4.1 科學(xué)設(shè)計(jì)電氣主接線并網(wǎng)

在大型光伏電站電氣設(shè)計(jì)中，根據(jù)工程的建設(shè)規(guī)模、性質(zhì)、作用及周邊變電站的情況，提出光伏電站工程接入系統(tǒng)比選方案。主流設(shè)計(jì)一般是光伏發(fā)電單元通過箱式變壓器就地升壓至35kV，通過35kV集電線路輸送至升壓站主變壓器升壓至110kV或220kV并入電網(wǎng)[4]。

4.2 合理設(shè)計(jì)太陽能電池組件、逆變器

4.2.1 太陽能電池組件

在太陽能電池組件中，以單晶硅、多晶硅、非晶硅為主要類型，其不同類型都存在長處與短處。在電氣設(shè)計(jì)中，需要將太陽能電池組件合理運(yùn)用其中。首先，在單晶硅電池組中，其轉(zhuǎn)換率基本在19.9%，具有成熟的生產(chǎn)技術(shù)以及較慢的衰減速度等明顯優(yōu)點(diǎn)，但其不足之處主要是具有較高的生產(chǎn)成本。其次，在多晶硅電池組件中，具有低度電成本、低耗電、生產(chǎn)材料簡便等明顯優(yōu)勢(shì)，轉(zhuǎn)化率在17%左右，但與前者相比，多晶硅具有高衰減速度、低使用期、低轉(zhuǎn)化率等缺點(diǎn)。最后，非晶硅電池組件具有明顯的優(yōu)勢(shì)，比如薄、輕質(zhì)量、易彎曲等。在制作過程中，與上述兩種材料存在明顯差異。制作非晶硅的流程比較簡單。但非晶硅具有低轉(zhuǎn)換率的明顯缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)化率基本處于10%[4]。總而言之，在太陽能電池組件中，大型光伏電站一般以單晶硅為主，再加上單晶硅生產(chǎn)工藝已經(jīng)趨于成熟，能夠以低成本的方式推動(dòng)大型光伏電站的可持續(xù)發(fā)展。

4.2.2 逆變器

在大型光伏電站電氣設(shè)計(jì)中，逆變器處于核心地位，有關(guān)人員需要提高對(duì)逆變器的重視程度。在設(shè)計(jì)過程中，充分發(fā)揮該設(shè)備的相應(yīng)作用。在光伏逆變器中，一般分為戶用型、組串式、集中式三種類型。首先，戶用型逆變器主要適用于單獨(dú)低壓入網(wǎng)型，能夠?qū)?fù)雜電網(wǎng)智能應(yīng)用，以此來提高相應(yīng)電站的發(fā)電率。其次，組串式逆變器隨著時(shí)代的發(fā)展，逐漸提高容量，將光伏系統(tǒng)升級(jí)至1500V，該逆變器已發(fā)展至320kW，在升級(jí)發(fā)展中，已成為主流。最后，集中式逆變器已逐漸向箱變逆變一體化大功率配置發(fā)展，該逆變器獨(dú)立工作時(shí)能夠處于2.5～6MW區(qū)間，甚至?xí)蚋蟮墓β拾l(fā)展?，F(xiàn)階段，在大型光伏電站電氣設(shè)計(jì)中，該逆變器屬于常用類型。有關(guān)人員需要及時(shí)優(yōu)化配置設(shè)備資源，以此來保障大型光伏電站的使用效能，促使度電成本能夠有效降低，同時(shí)保障后續(xù)維護(hù)經(jīng)濟(jì)成本的有效降低[5]。

4.3 防雷接地設(shè)計(jì)

在大型光伏電站電氣設(shè)計(jì)中，需要科學(xué)設(shè)計(jì)防雷接地系統(tǒng)，以此來保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)防雷系統(tǒng)時(shí)，需要以“共同防御、綜合管理、多重防御”為依據(jù)，防止雷電損害相應(yīng)設(shè)備。接地網(wǎng)主要由水平、封閉的方形接地網(wǎng)構(gòu)成，同時(shí)也需要垂直接地極參與其中。在制作水平接地網(wǎng)時(shí)，一般以熱浸鋅扁鋼為主要材料，并根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來明確相應(yīng)尺寸。同時(shí)在垂直接地極中，熱浸鋅鋼管、熱浸鋅角鋼是主要材料，可以通過焊接方式來完成連接，尤其是水平接地網(wǎng)以及垂直接地極，能夠保證相應(yīng)參數(shù)的高質(zhì)量以及可靠性。如果在接地極中，其接地電阻在掩埋時(shí)沒有達(dá)到2.5m[6]，可以將接地模塊適當(dāng)增加，以此來符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。在光伏組件中，需要按照相應(yīng)順序完成，首先邊框串聯(lián)，其次連接支架，將支架連接于兩端，經(jīng)支架接地網(wǎng)，并保障支架與接地網(wǎng)的連接可靠性。同時(shí)需要在檢測(cè)區(qū)域?qū)⒖蓴嚅_接地電阻檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置其中，有關(guān)人員可以將專用接地線纜、抽頭、地網(wǎng)充分運(yùn)用其中，并連接逆變器、匯流箱等相應(yīng)設(shè)備，進(jìn)一步保障相應(yīng)設(shè)備的連接可靠性。有關(guān)人員在埋設(shè)接地材料時(shí)，需要明確當(dāng)?shù)赝寥缹?shí)際情況，并選擇合適的材料，同時(shí)科學(xué)分析防腐劑，以此來保障防腐劑的最佳應(yīng)用效果。在大型光伏電站電氣設(shè)計(jì)中，防腐劑可以選用熱浸鋅材料，一般用于水平接地網(wǎng)以及垂直接地極，主要是由于熱浸過的鋅材料能夠生成具有抗氧化性能的鋅合金，以此來達(dá)到防腐的目的。根據(jù)相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，腐蝕速度約0.1mm/年，同時(shí)也會(huì)增加一半的截面。在安裝主要接地網(wǎng)時(shí)，必須在凍土下完成。這主要是由于土壤電阻率會(huì)因?yàn)槭欠窠Y(jié)冰而發(fā)生變化，所以，需要保障地面電阻的穩(wěn)定性。在建設(shè)完接地網(wǎng)后，需要測(cè)量土壤的兩種狀態(tài)，比如結(jié)冰、未結(jié)冰。若沒有達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，可以通過深度鉆探將接地電極或化學(xué)抑制劑放置其中，以此來符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[6]。

4.4 合理設(shè)計(jì)光伏陣列

在大型光伏電站電氣設(shè)計(jì)中，需要合理設(shè)計(jì)光伏陣列。光電單元主要指通過多組獨(dú)立光伏發(fā)電單元，并連接太陽能格柵容量與太陽能電池單元、逆變器的一種發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電站主要通過連接多種變壓器完成，往往在逆變器中將225kW應(yīng)用其中，升壓變壓器以800V/35kV箱為主。在光伏電站電氣系統(tǒng)中，以直流系統(tǒng)為主。在該系統(tǒng)中，構(gòu)成設(shè)備為太陽能電池板、匯流箱、逆變器等。太陽能電池板主要實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)換期間，可以通過多晶體硅來完成，并使用可變電源系統(tǒng)、電纜、開關(guān)柜等相應(yīng)設(shè)備。在逆變器中，一般選擇最大功率跟蹤技術(shù)，通過直交電流的轉(zhuǎn)換來符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。在轉(zhuǎn)化電能中，控制器與外部傳感器連接，并實(shí)時(shí)控制外部環(huán)境以及光電陣列，以此來保障光電陣列的正常使用。由于沒有直接將電器連接于光伏與發(fā)電系統(tǒng)之間，所以光伏場(chǎng)電網(wǎng)將會(huì)持續(xù)處于工作狀態(tài)，便于有關(guān)人員檢查相應(yīng)系統(tǒng)。在對(duì)光耦進(jìn)行選擇時(shí)，需要將光耦數(shù)量減少，并將光電電纜數(shù)量降低，這有利于控制相應(yīng)的建設(shè)成本，并保障子系統(tǒng)的發(fā)電率。

4.5 選擇合適的光伏安裝容量

在大型光伏電站電氣設(shè)計(jì)中，需要選擇合適的光伏安裝容量，這有利于充分應(yīng)用光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的能量。另外，需要對(duì)電網(wǎng)體系進(jìn)行有效維護(hù)，避免損壞設(shè)備。有關(guān)人員需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的光伏安裝容器，并對(duì)其進(jìn)行綜合分析，全面考察相應(yīng)系統(tǒng)中的負(fù)載狀況，進(jìn)一步保障對(duì)能量的合理利用。所以，需要統(tǒng)計(jì)相應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷一天的用電量，并將電能產(chǎn)生特點(diǎn)進(jìn)行有效結(jié)合，科學(xué)計(jì)算電能損失，以此來保障系統(tǒng)產(chǎn)電數(shù)量的精準(zhǔn)性、有效性，有利于明確網(wǎng)絡(luò)的安裝容量。不同國家在并網(wǎng)系統(tǒng)方面對(duì)安裝容量有不同要求。

4.6 完備監(jiān)控系統(tǒng)

在大型光伏電站電氣設(shè)計(jì)中，需要完善監(jiān)控系統(tǒng)，并將其科學(xué)合理應(yīng)用，以此來保障供電的穩(wěn)定性。在光伏區(qū)的設(shè)計(jì)過程中，通常需要將升壓站設(shè)計(jì)其中，但距離會(huì)較遠(yuǎn)，為保障信息的高效傳輸，就需要充分運(yùn)用監(jiān)控系統(tǒng)，并將干擾光纖充分運(yùn)用其中，以此來保障相應(yīng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)功能。同時(shí)，在進(jìn)行監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝時(shí)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電站的有效性。在安裝監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，可以在重要部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，比如光伏區(qū)箱變、主控室、戶外配電裝置等。

4.7 科學(xué)設(shè)計(jì)直流線路

在大型光伏電站電氣設(shè)計(jì)中，需要科學(xué)設(shè)計(jì)直流線路，以此來保障安全穩(wěn)定運(yùn)行。在設(shè)計(jì)直流線路時(shí)，首先，需要明確耐壓等級(jí)，一般超過光伏方陣的輸出最大電壓1.25倍，能夠保障相應(yīng)線路的安全使用。其次，需要明確該線路的定額載流量與短路保護(hù)器定值的比值，一般超過1.0。最后，在該線路中，需要保障低于2%的整體損耗率，并明確該線路定額功率的電壓損耗處于3%以內(nèi)。

5 結(jié)語

在電氣技術(shù)中，系統(tǒng)主要包括逆變器、升壓系統(tǒng)、接地系統(tǒng)、光伏組件等設(shè)備。在設(shè)計(jì)大型光伏電站電氣系統(tǒng)時(shí)，需要科學(xué)設(shè)計(jì)電氣主接線并網(wǎng)，并合理設(shè)計(jì)太陽能電池組件、逆變器。另外，有關(guān)人員需要科學(xué)設(shè)計(jì)防雷系統(tǒng)以及接地網(wǎng)，對(duì)光伏陣列也需要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況合理設(shè)計(jì)，并選擇合適的光伏安裝容量，將監(jiān)控系統(tǒng)充分應(yīng)用其中，以此來保障直流線路的安全使用。