分布式光伏发电系统设计研究

分布式光伏发电系统设计研究分布式光伏发电系统是一种新型的、前景良好的发电系统，对缓解用电紧张、保护生态环境具有十分重要的意义。本文对分布式光伏发电系统的设计展开了研究，介绍了光伏方阵的布置以及低压侧系统的配置，以期能为相关系统设计提供参考。标签：分布式；光伏发电系统；设计引言随着社会经济的快速发展以及人们用电需求的日益增加，各种新能源发电得到了迅猛的发展，分布式光伏发电也以其供电可靠、环境效益好、清洁高效等优点，开始蓬勃发展。分布式光伏发电是指采用光伏组件，将太阳能转化为电能的发电系统，具有良好的经济效益和环境效益。因此，对分布式光伏发电系统设计展开研究具有十分重要的意义。1.光伏方阵布置1.1障碍避让计算分布式光伏电站与地面电站最显著的区别是光伏组件周边会存在各种可能会对发电造成影响的障碍物，典型的障碍包括女儿墙、室外空调机组、通风管道设备、气楼、电梯机房、广告牌等，与本栋建筑存在高差的周边建、构筑物也应纳入阴影影响计算的范围。GB50797-2012《光伏发电站设计规范》要求，障碍物的阴影应全年9：00～15：00（当地真太阳时）时段内不对光伏组件造成遮挡。以北半球高度为h的障碍物为例，根据日照关系理论，可计算其在春分、夏至、冬至日9：00影长L（15：00与9：00阴影线东西对称），然后对边界线端点连线确定全年阴影影响范围。式中，α为太阳高度角；β为太阳方位角；φ为当地纬度；ω为太阳时角；δ为太阳赤纬角。在式（1）的基础上，可推算纬度为φ地区阴影长度分量、倍率系数。东西、南北方向阴影长度分量：东西、南北方向阴影倍率系数：在建筑屋顶布置的光伏组件同时还应考虑施工以及后期检修的安全通道，根据项目实施经验，光伏组件距离未设防护的建筑临边宜大于1.5m；应避让轻钢建筑屋面天沟、屋脊盖板、采光带附近彩钢板结构薄弱区域，避让距离宜大于0.5m；应留置汇流箱、视频监控等屋面设备安裝空间及必要的阴影避让范围；光伏组件不应跨越建筑变形缝布置。1.2光伏方阵布置间距平铺安装光伏组件的发电系统，一般只需要考虑避让光伏组件周围障碍，并根据组串设计留置合理的检修通道即可；以固定倾角安装的光伏组件，则应根据屋面坡度、建筑方位，对光伏方阵间距计算公式进一步优化，分3种典型屋面形式（见图1）分别考察分析。若建筑存在方位偏角σ，只需将式（6）中β替换为β±σ分别计算，取二者较大值即为方阵间距D。通常情况下，屋面与光伏方阵的方位关系如图1b、图1c所示，建筑存在方位偏角σ，屋面存在坡度i，光伏方阵在屋面沿建筑方位布置。针对图1b的情况，处于屋面南坡的光伏方阵间距D1因为屋面坡度角的存在相比平面间距值D要小，屋面北坡的光伏方阵间距D2则情况相反，以北坡的光伏方阵为例，光伏方阵布置间距示意图如图2所示。此时，屋面在南北方向的坡度为icosσ、东西方向的坡度为isinσ。冬至日上午9：00，前排光伏方阵的最高点与其在屋面的阴影线最远点间的垂直高差为：h=lsinθ+（DSN+lcosθ）icosσ–DEWisinσ（7）图2坡屋面方阵间距计算示意图其中，DSN、DEW分别为南北方向、东西方向的阴影长度分量，根据式（4）得：将式（7）、式（8）代入式（1）可计算前排光伏方阵上午9：00阴影长度为：结合光伏方阵的方位角可计算上午9：00的方阵间距要求为：同理可求下午15：00的方阵间距要求为：将式（10）、式（11）的较大值确定为光伏方阵间距，即：可以验证，式（12）中屋面坡度取负值时，即为南坡屋面光伏方阵间距D1。因此，综合南坡、北坡光伏方阵间距计算式为：式中，i为屋面坡度（南坡取负值，北坡取正值）；σ为建筑方位角（南偏东取负值，南偏西取正值）；太阳方位角β全部取正值。针对图1c的情况，屋面在东西方向的坡度为icosσ、南北方向的坡度为isinσ。同样的分析方法可计算方阵间距，并将其合并为：式中，i为屋面坡度（东坡取负值，西坡取正值）；σ为建筑方位角（南偏东取负值，南偏西取正值）；太阳方位角β全部取正值。以纬度φ取值30°为例，假设存在上述图1所示的3种建筑形式，建筑方位角σ为南偏西15°，屋面坡度i为5%，光伏方阵面长度l为1650mm，光伏方阵安装倾角θ为25°，分别计算方阵间距值，结果见表1。注：方阵间距为水平投影值。由表1可知，建筑屋顶安装的光伏方阵间距受建筑方位、屋面坡度影响非常大。因此，实际工程中必须引起足够重视。某屋顶光伏发电工程案例显示，不考虑建筑屋面排水坡度对阵列间距及安装倾角的影响，南坡光伏阵列与北坡光伏阵列发电差异可达15%。1.3光伏组件排列方式的选择安装于建筑顶面的光伏发电系统由于其安装高度较大，因此，所承受的风载荷与一般的地面电站有差异，为优化光伏组件支架结构，光伏阵列不宜做得太高，通常采用单排竖向布置或双排横向布置形式。按GB50797-2012《光伏发电站设计规范要求的阴影遮挡避让要求，在9：00前及15：00后，光伏方阵前排、后排存在遮挡不可避免。研究表明，横向布置比竖向布置的光伏组件可获得更多的有效发电时间。经串联接线的光伏组件与单块光伏组件具有相似的特性。因此，以追求发电量为目标的屋顶光伏发电系统应优先采用横排布置组件的方案。2.系统低压侧系统配置光伏组件是由电池片经串联接线并封装输出直流电的基本发电设备，光伏组件经串联接线形成高压直流组件串，若干组件串并联输入直流汇流箱或直接接入组串逆变器。2.1光伏组件串联接线图3、图4示意安装了两个组件串的光伏方阵，图3所示的组件串联接线方案为一字形、图4所示为U形。根据直流汇流箱/组串逆变器的布置位置，方案二示意的U形开口方向可以调整，显然，不论直流汇流箱/组串逆变器布置于组件串的哪一侧，该方案出线电缆长度均比方案一节省。光伏方阵发生前后排遮挡时，方案二中的组件串受遮挡影响相同，两个组串的输出功率均较低，但是输出特性一致；方案一中两组件串所受的遮挡影响范围不同，导致其输出功率及电压均存在差异，应在直流汇流箱内配置防反二极管，防止不同组件串之间出現环流、倒灌现象。若使用组串式逆变器，应注意将不同电气特性的组件串接入不同路的MPPT单元。直流汇流箱内配置防反二极管时，由于二极管在工作时产生热量，汇流箱安装场所应设置必要的遮阳措施，并注意通风降温。2.2光伏组件及逆变器选型如前所描述，分布式光伏发电站由于安装环境复杂，存在兼职阴影、方阵遮挡、组串接线方式等众多影响系统输出特性的因素。建议选用一字型组串接线方案，配合组串逆变器，将具有相同电气性能的组件串介入逆变器的相同路MPPT单元，从而最大化提升系统发电效率。光伏组件安装于兼职屋顶，在多雨潮湿地区，尤其夏季高温环境下，光伏组件极易产生PID效应，造成不正常的功率衰减。因此，应用于分布式光伏发电项目的光伏组件应严格技术要求，具备抗PID措施并通过相关测试认证。同时，逆变器端建议配置相应的抗PID功能，双重保护机制降低PID效应对系统发电效率的影响。3.结语综上所述，分布式光伏发电系统能够有效提高同等规模电站的发电量，缓解用电紧张以及环境污染问题，具有广阔的应用前景。在分布