光伏發(fā)電站系統(tǒng)優(yōu)化設計建設探討

中電建新能源集團股份有限公司河北分公司 溫子明 梁 卓

近年來，我國注重且踐行“節(jié)能減排、綠色低碳”環(huán)保理念，并將其與社會各行業(yè)的建設相融合，以此為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施提供基礎保障。在電力行業(yè)中，新型能源的創(chuàng)新發(fā)展對社會具有顯著促進作用，能夠進一步提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性與安全性，同時為人們提供更高質量的電力能源。但是從實際角度分析，電力系統(tǒng)的優(yōu)化設計還存在一定的問題，需要結合工程實際情況對發(fā)電站系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，將科學理念融入其中，這樣才能夠保障發(fā)電站系統(tǒng)的社會效益與經(jīng)濟效益?；诖耍疚膶夥l(fā)電站系統(tǒng)的優(yōu)化設計建設進行了分析。

1 光伏發(fā)電站系統(tǒng)概述

1.1 光伏發(fā)電站系統(tǒng)分類

光伏發(fā)電系統(tǒng)包括獨立發(fā)電系統(tǒng)、混合型發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)等多種類型，具體如下。一是獨立發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指利用太陽能電池板吸收光能，最終將其轉變成為直流形式的電力能源。同時，能夠進行直流供電與交流供電兩種供電。二是混合型發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)與獨立發(fā)電系統(tǒng)之間的區(qū)別在于具有備用發(fā)電機組，能夠保證系統(tǒng)全部的發(fā)電需求。三是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)在逆變器影響下和電網(wǎng)系統(tǒng)之間進行有效連接，并確保兩者之間保持同頻、同相狀態(tài)，這樣才能夠保證電力能源進入電網(wǎng)系統(tǒng)中[1]。

1.2 光伏發(fā)電站系統(tǒng)工作原理

光伏發(fā)電站系統(tǒng)主要是指，基于半導體界面的光生伏特效應，將光能轉變成為電力能源的技術，其內(nèi)部核心元件是太陽能光伏動力電池，其在并聯(lián)后進行加密維護即可得到太陽電池組系統(tǒng)，與功率控制器等系統(tǒng)進行配套使用極為光伏發(fā)電站系統(tǒng)設備[2]。光伏發(fā)電站系統(tǒng)在實際應用時，受到地理因素的影響效果比較小，同時具有低污染、低噪聲、安全穩(wěn)定、能源消耗少等優(yōu)點，在架設專用系統(tǒng)線路后就能夠投入運行，并且具有較短的工程建設周期。

2 光伏發(fā)電站系統(tǒng)優(yōu)化設計工程實例

本文以三北地區(qū)某電力工程為例進行分析，對光伏發(fā)電站系統(tǒng)展開優(yōu)化設計分析，其中包括系統(tǒng)設計、光資源分析以及投資效益等部分，同時結合地區(qū)項目實際建設情況，對重點與關鍵環(huán)節(jié)進行詳細講解說明。

2.1 系統(tǒng)設計

光伏發(fā)電站系統(tǒng)中使用的光伏組件具有多種類型，結合本工程地理位置，最終選擇規(guī)格為255Wp的多晶硅光伏組件，運行方式為固定式，光伏仿真最佳固定傾角設計為40°；以并聯(lián)形式連接光伏組件，連接數(shù)量設計為202-204路；光伏組件之間的距離為1.5m；逆變器裝置選擇使用500kW/臺的逆變器。

2.2 資源分析

本工程所處地區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，全年降雨量相對較少，日照時間比較長。在經(jīng)過綜合分析后能夠得到該項目年太陽能總輻射量約為6169MJ/m2，根據(jù)太陽能資源豐富程度評估指標相關規(guī)定，太陽能年總輻射量達到5040～6300MJ/m2時，屬于資源很豐富的等級，因此對本工程的資源評價為“資源很豐富”。

2.3 投資效益

結合現(xiàn)有工程規(guī)定、費用標準等內(nèi)容，對工程投資效益進行綜合分析，能夠確定本工程具有良好的盈利能力。

3 光伏發(fā)電站系統(tǒng)的優(yōu)化設計建設分析

3.1 太陽能資源分析優(yōu)化

一是對光伏發(fā)電站系統(tǒng)具體運行環(huán)境情況進行分析，對影響因素以及資源損失系數(shù)進行計算。二是對工程地區(qū)中資源條件數(shù)據(jù)的真實性、可靠性進行全面驗證分析，以此對地區(qū)太陽能輻射的實際變化情況具有清晰地了解認知，同時利用概率統(tǒng)計方法對工程代表年數(shù)據(jù)進行精準選擇。三是對太陽位置參數(shù)計算結果的精準度進行優(yōu)化，盡可能降低參數(shù)計算結果的偏差影響；以發(fā)電站陣列面的實際情況對輻射量進行計算，同時對計算模型進行科學選擇，以此為發(fā)電量、項目收益以及間距分析等提供數(shù)據(jù)支持[3]。

3.2 光伏組件設計優(yōu)化

本工程的地域性特征，對于光伏發(fā)電站系統(tǒng)的發(fā)電運行具有顯著影響效果，因此需要結合地區(qū)現(xiàn)有氣相觀測數(shù)據(jù)，以及實際測光信息對各組件進行優(yōu)化設計，在優(yōu)化時注意以下事項。

一是控制太陽電池組件串聯(lián)后的最高輸出電壓小于太陽電池組件自身最大電壓，電壓變化范圍應控制在逆變器系統(tǒng)工作范圍內(nèi)。二是太陽能電池組件串聯(lián)的數(shù)量設計應結合環(huán)境溫度、太陽能輻射、逆變器規(guī)格等因素綜合考慮。同時，分析外界因素以及直流通路損耗情況對于光伏陣列的具體影響。三是為進一步降低系統(tǒng)直流損耗，需要確保太陽電池組件串聯(lián)后的輸出電壓在符合標準的條件下，盡可能選擇最大值。四是針對同一逆變器下連接的子陣，優(yōu)先選擇組件功率相同，其他性能相似，且距離相對較近的匯流箱，距離相對較遠的則連接到另一逆變器中，以此降低直流壓降和組件一致性的問題對于MPPT 的負面影響，進一步提高系統(tǒng)實際運行效果[4]。

3.3 光伏陣列設計優(yōu)化

針對集中式的并網(wǎng)光伏發(fā)電站系統(tǒng)，如果設計為固定式安裝，需要將全年發(fā)電量最大時的傾角作為太陽電池組件的傾角；如果設計為斜單軸自動跟蹤式安裝，還需要對傾角過高的影響問題進行充分考慮。在設計時需要結合工程實際情況進行多方案綜合對比分析，對技術和經(jīng)濟指標等進行綜合分析后選擇最佳方案。光伏陣列是由多個單元組合形成的，因此在對陣列角度優(yōu)化設計時，需要對實際條件以及太陽位置進行綜合計算分析，盡可能提高太陽發(fā)電時間，以此為基礎對間距進行計算分析，最終能夠得到最佳安裝角度[5]。

3.3.1 組件行間距和發(fā)電量關系分析

在對光伏發(fā)電站間距進行優(yōu)化設計時，依據(jù)“冬至日9:00～15:00期間不被陰影遮擋”的原則進行。從本工程實際情況分析，其光伏組件的陰影遮擋現(xiàn)象比較明顯，以11月至次年1月為例分析，對每月10日、20日、30日的輻射強度進行分析，具體情況見表1。

表1 11月至次年1月水平面總輻射強度

通過數(shù)據(jù)分析能夠發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的間距設計能夠滿足設計需求，如果進一步增加組件設計，對應的光伏陣列面積也會增加，成本與工程建設量也會隨之增加。為進行較為精準的定量分析，依據(jù)本工程可研階段設計的方案對太陽電池陣列進行設計，組件大小為165cm×99cm，傾角假設為該地區(qū)最優(yōu)傾角40°。

本工程所在地區(qū)光伏發(fā)電站用地指標為60ha/20MWp，同時對綜合管理區(qū)域、站內(nèi)道路區(qū)域以及逆變器室內(nèi)區(qū)域情況綜合考慮，在用地指標規(guī)范允許條件下，對冬至日的真太陽時在8:45至15:15時間段可增加0.5h 無遮擋的運行時間，與原本設計發(fā)電量相比增長率達到0.58%。

3.3.2 傾角和發(fā)電量關系分析

依據(jù)工程項目場地2021年10月至2022年9月實時監(jiān)測的太陽總輻射、散射輻射以及直射輻射的數(shù)據(jù)，不同傾角下的總輻射量進行科學計算。

基于分析能夠得出以下結果：傾斜面總輻射量處于最佳傾角附件時具有最小的變化量，變化率小于2%，但是此時對應的陣列面陰影遮擋率能夠得到2%；陣列間距不變時縮減傾角，能夠降低陣列陰影遮擋，以此提高對太陽能資源的利用效果，可適當延長發(fā)電站系統(tǒng)的有效運行時間；不同傾角對應的總輻射量損失也不同，40°傾角對應的損失率能夠達到1.9%，而33°傾角對應的損失率為1.08%，對應的輻射量提高了0.81%左右。

因此，本工程的陣列面傾角最終設計為33°，在提高發(fā)電站系統(tǒng)發(fā)電量的同時，能夠進一步降低工程基礎建設成本投入，對于發(fā)電站系統(tǒng)綜合收益的提升具有顯著的積極作用。

3.4 工程建設優(yōu)化

3.4.1 支架基礎建設優(yōu)化

支架基礎的優(yōu)化設計應確保其整體穩(wěn)定性、結構剛度，以及強度等參數(shù)均符合工程規(guī)范要求，確保后續(xù)應用的安全可靠，正常使用的最短年限在25年以上，同時對支架用鋼量、基礎混凝土的使用量等進行控制，實現(xiàn)工程成本的節(jié)約[6]。對支架以及基礎結構設計進行優(yōu)化時，需要結合工程實際氣候環(huán)境、施工條件以及生產(chǎn)加工能力等多方面的因素，優(yōu)先選擇防腐材質的鋼材，對支架和連接件的標準化、便捷化以及可靠性建設進行科學設計。

針對本工程的具體特點，在滿足工程基礎設計要求的條件下，從適用性和經(jīng)濟性兩個角度對支架基礎建設進行優(yōu)化。

由于太陽能電池組件自身的重量相對比較小，在支架建設時為節(jié)省材料應用，針對主要結構利用冷彎薄壁型鋼材，針對受力桿件位置設計為工字型鋼和矩形鋼，能夠保證結構受力要求，同時與其他材質相比具有良好的經(jīng)濟合理性；針對檁條選擇C型鋼。

利用螺栓連接方法對電池組件與支架進行連接，檁條與組件邊框使用4個螺栓連接，能夠保證整個結構在外力作用下具有均勻的受力效果，整體破壞現(xiàn)象發(fā)生概率比較低，具有安全可靠的特點。針對支架各桿件的連接設計為螺栓連接，對桿件安裝位置進行科學設計，盡可能使用同一規(guī)格的桿件，以此降低施工誤差。

3.4.2 逆變器室通風優(yōu)化

本工程所屬地區(qū)具有比較明顯的地域特殊性，夏季炎熱干燥，對于逆變器而言具有較大危害性，因此在優(yōu)化設計階段，對逆變器室的通風進行強化，確保逆變器能夠在高溫環(huán)境下正常安全運行。

針對工程中的逆變器室利用整體遮陽保溫隔熱的節(jié)能設計，確保逆變器室內(nèi)部的凈高度；對逆變器室的排風口以及進風口位置設計有防火、防塵等系統(tǒng)裝置，確保其符合相關規(guī)范；對逆變器室內(nèi)部運行設備的參數(shù)以及環(huán)境條件進行綜合分析，以此計算通風散熱量，對通風機的型號進行對比選擇，對通風口位置進行科學設計，確保整個通風系統(tǒng)的通暢性；光伏發(fā)電站系統(tǒng)實際占地面積較大，為進一步加強管理效果，針對逆變器系統(tǒng)設計有遠程監(jiān)控功能，將其與溫度控制器系統(tǒng)聯(lián)合應用，以此實現(xiàn)對逆變器室通風系統(tǒng)的高效化、智能化管理。

4 結論

綜上所述，光伏發(fā)電站系統(tǒng)在建設期間具有明顯的復雜性和系統(tǒng)性的特點，需要利用科學方法對其進行優(yōu)化設計。本次研究以某地區(qū)工程項目為例開展深入分析，探討了光伏發(fā)電站系統(tǒng)優(yōu)化設計的重點與要點，包括太陽能資源分析、光伏組件優(yōu)化分析、光伏陣列與傾角優(yōu)化設計、工程建設優(yōu)化等環(huán)節(jié)，以此實現(xiàn)了對整個設計環(huán)節(jié)的分析說明，希望為光伏發(fā)電站系統(tǒng)的設計與優(yōu)化提供一定參考幫助。