分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種新型的、前景良好的發(fā)電系統(tǒng)，對緩解用電緊張、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。本文對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開了研究，介紹了光伏方陣的布置以及低壓側(cè)系統(tǒng)的配置，以期能為相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。標(biāo)簽：分布式；光伏發(fā)電系統(tǒng)；設(shè)計(jì)引言隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人們用電需求的日益增加，各種新能源發(fā)電得到了迅猛的發(fā)展，分布式光伏發(fā)電也以其供電可靠、環(huán)境效益好、清潔高效等優(yōu)點(diǎn)，開始蓬勃發(fā)展。分布式光伏發(fā)電是指采用光伏組件，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電系統(tǒng)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。因此，對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開研究具有十分重要的意義。1.光伏方陣布置1.1障礙避讓計(jì)算分布式光伏電站與地面電站最顯著的區(qū)別是光伏組件周邊會存在各種可能會對發(fā)電造成影響的障礙物，典型的障礙包括女兒墻、室外空調(diào)機(jī)組、通風(fēng)管道設(shè)備、氣樓、電梯機(jī)房、廣告牌等，與本棟建筑存在高差的周邊建、構(gòu)筑物也應(yīng)納入陰影影響計(jì)算的范圍。GB50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，障礙物的陰影應(yīng)全年9：00～15：00（當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí)）時(shí)段內(nèi)不對光伏組件造成遮擋。以北半球高度為h的障礙物為例，根據(jù)日照關(guān)系理論，可計(jì)算其在春分、夏至、冬至日9：00影長L（15：00與9：00陰影線東西對稱），然后對邊界線端點(diǎn)連線確定全年陰影影響范圍。式中，α為太陽高度角；β為太陽方位角；φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；ω為太陽時(shí)角；δ為太陽赤緯角。在式（1）的基礎(chǔ)上，可推算緯度為φ地區(qū)陰影長度分量、倍率系數(shù)。東西、南北方向陰影長度分量：東西、南北方向陰影倍率系數(shù)：在建筑屋頂布置的光伏組件同時(shí)還應(yīng)考慮施工以及后期檢修的安全通道，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，光伏組件距離未設(shè)防護(hù)的建筑臨邊宜大于1.5m；應(yīng)避讓輕鋼建筑屋面天溝、屋脊蓋板、采光帶附近彩鋼板結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域，避讓距離宜大于0.5m；應(yīng)留置匯流箱、視頻監(jiān)控等屋面設(shè)備安裝空間及必要的陰影避讓范圍；光伏組件不應(yīng)跨越建筑變形縫布置。1.2光伏方陣布置間距平鋪安裝光伏組件的發(fā)電系統(tǒng)，一般只需要考慮避讓光伏組件周圍障礙，并根據(jù)組串設(shè)計(jì)留置合理的檢修通道即可；以固定傾角安裝的光伏組件，則應(yīng)根據(jù)屋面坡度、建筑方位，對光伏方陣間距計(jì)算公式進(jìn)一步優(yōu)化，分3種典型屋面形式（見圖1）分別考察分析。若建筑存在方位偏角σ，只需將式（6）中β替換為β±σ分別計(jì)算，取二者較大值即為方陣間距D。通常情況下，屋面與光伏方陣的方位關(guān)系如圖1b、圖1c所示，建筑存在方位偏角σ，屋面存在坡度i，光伏方陣在屋面沿建筑方位布置。針對圖1b的情況，處于屋面南坡的光伏方陣間距D1因?yàn)槲菝嫫露冉堑拇嬖谙啾绕矫骈g距值D要小，屋面北坡的光伏方陣間距D2則情況相反，以北坡的光伏方陣為例，光伏方陣布置間距示意圖如圖2所示。此時(shí)，屋面在南北方向的坡度為icosσ、東西方向的坡度為isinσ。冬至日上午9：00，前排光伏方陣的最高點(diǎn)與其在屋面的陰影線最遠(yuǎn)點(diǎn)間的垂直高差為：h=lsinθ+（DSN+lcosθ）icosσ–DEWisinσ（7）圖2坡屋面方陣間距計(jì)算示意圖其中，DSN、DEW分別為南北方向、東西方向的陰影長度分量，根據(jù)式（4）得：將式（7）、式（8）代入式（1）可計(jì)算前排光伏方陣上午9：00陰影長度為：結(jié)合光伏方陣的方位角可計(jì)算上午9：00的方陣間距要求為：同理可求下午15：00的方陣間距要求為：將式（10）、式（11）的較大值確定為光伏方陣間距，即：可以驗(yàn)證，式（12）中屋面坡度取負(fù)值時(shí)，即為南坡屋面光伏方陣間距D1。因此，綜合南坡、北坡光伏方陣間距計(jì)算式為：式中，i為屋面坡度（南坡取負(fù)值，北坡取正值）；σ為建筑方位角（南偏東取負(fù)值，南偏西取正值）；太陽方位角β全部取正值。針對圖1c的情況，屋面在東西方向的坡度為icosσ、南北方向的坡度為isinσ。同樣的分析方法可計(jì)算方陣間距，并將其合并為：式中，i為屋面坡度（東坡取負(fù)值，西坡取正值）；σ為建筑方位角（南偏東取負(fù)值，南偏西取正值）；太陽方位角β全部取正值。以緯度φ取值30°為例，假設(shè)存在上述圖1所示的3種建筑形式，建筑方位角σ為南偏西15°，屋面坡度i為5%，光伏方陣面長度l為1650mm，光伏方陣安裝傾角θ為25°，分別計(jì)算方陣間距值，結(jié)果見表1。注：方陣間距為水平投影值。由表1可知，建筑屋頂安裝的光伏方陣間距受建筑方位、屋面坡度影響非常大。因此，實(shí)際工程中必須引起足夠重視。某屋頂光伏發(fā)電工程案例顯示，不考慮建筑屋面排水坡度對陣列間距及安裝傾角的影響，南坡光伏陣列與北坡光伏陣列發(fā)電差異可達(dá)15%。1.3光伏組件排列方式的選擇安裝于建筑頂面的光伏發(fā)電系統(tǒng)由于其安裝高度較大，因此，所承受的風(fēng)載荷與一般的地面電站有差異，為優(yōu)化光伏組件支架結(jié)構(gòu)，光伏陣列不宜做得太高，通常采用單排豎向布置或雙排橫向布置形式。按GB50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范要求的陰影遮擋避讓要求，在9：00前及15：00后，光伏方陣前排、后排存在遮擋不可避免。研究表明，橫向布置比豎向布置的光伏組件可獲得更多的有效發(fā)電時(shí)間。經(jīng)串聯(lián)接線的光伏組件與單塊光伏組件具有相似的特性。因此，以追求發(fā)電量為目標(biāo)的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先采用橫排布置組件的方案。2.系統(tǒng)低壓側(cè)系統(tǒng)配置光伏組件是由電池片經(jīng)串聯(lián)接線并封裝輸出直流電的基本發(fā)電設(shè)備，光伏組件經(jīng)串聯(lián)接線形成高壓直流組件串，若干組件串并聯(lián)輸入直流匯流箱或直接接入組串逆變器。2.1光伏組件串聯(lián)接線圖3、圖4示意安裝了兩個組件串的光伏方陣，圖3所示的組件串聯(lián)接線方案為一字形、圖4所示為U形。根據(jù)直流匯流箱/組串逆變器的布置位置，方案二示意的U形開口方向可以調(diào)整，顯然，不論直流匯流箱/組串逆變器布置于組件串的哪一側(cè)，該方案出線電纜長度均比方案一節(jié)省。光伏方陣發(fā)生前后排遮擋時(shí)，方案二中的組件串受遮擋影響相同，兩個組串的輸出功率均較低，但是輸出特性一致；方案一中兩組件串所受的遮擋影響范圍不同，導(dǎo)致其輸出功率及電壓均存在差異，應(yīng)在直流匯流箱內(nèi)配置防反二極管，防止不同組件串之間出現(xiàn)環(huán)流、倒灌現(xiàn)象。若使用組串式逆變器，應(yīng)注意將不同電氣特性的組件串接入不同路的MPPT單元。直流匯流箱內(nèi)配置防反二極管時(shí)，由于二極管在工作時(shí)產(chǎn)生熱量，匯流箱安裝場所應(yīng)設(shè)置必要的遮陽措施，并注意通風(fēng)降溫。2.2光伏組件及逆變器選型如前所描述，分布式光伏發(fā)電站由于安裝環(huán)境復(fù)雜，存在兼職陰影、方陣遮擋、組串接線方式等眾多影響系統(tǒng)輸出特性的因素。建議選用一字型組串接線方案，配合組串逆變器，將具有相同電氣性能的組件串介入逆變器的相同路MPPT單元，從而最大化提升系統(tǒng)發(fā)電效率。光伏組件安裝于兼職屋頂，在多雨潮濕地區(qū)，尤其夏季高溫環(huán)境下，光伏組件極易產(chǎn)生PID效應(yīng)，造成不正常的功率衰減。因此，應(yīng)用于分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的光伏組件應(yīng)嚴(yán)格技術(shù)要求，具備抗PID措施并通過相關(guān)測試認(rèn)證。同時(shí)，逆變器端建議配置相應(yīng)的抗PID功能，雙重保護(hù)機(jī)制降低PID效應(yīng)對系統(tǒng)發(fā)電效率的影響。3.結(jié)語綜上所述，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠有效提高同等規(guī)模電站的發(fā)電量，緩解用電緊張以及環(huán)境污染問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。在分布