电气设计 | 一个光伏电站是怎么设计的？全设计流程及方法分享

一、发电的原理介绍

1、光伏并网发电系统原理

光伏并网发电系统是由光伏组件、电池方阵、汇流箱，逆变器，交流配电柜（并网柜）、变压器等设备组成。其部分设备的作用是：

光伏组件

在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。

组件方阵

单块的光伏组件不能够形成足够的电压用来发电，必须有一定数量的光伏组件进行串联，形成足够的电压。这个电压一般在200~1000V。

光伏直流汇流箱

在太阳能光伏发电系统中，为了减少太阳能光伏电池阵列与逆变器之间的连线使用到汇流箱。用户可以将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来，组成一个个光伏组串，然后再将若干个光伏组串并联接入光伏汇流箱，为了提高系统的可靠性和实用性，在光伏防雷汇流箱里配置了光伏专用直流防雷模块、直流熔断器和断路器等，还可以加装监控功能模块方便用户及时准确的掌握光伏组件的工作情况，保证太阳能光伏发电系统发挥最大功效。

逆变器

是将直流电转换成交流电的设备。由于光伏组件方阵是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器是用于并网运行的太阳能电池发电系统。

交流配电柜（并网柜）

作为光伏电站的总出口存在于光伏系统中，是连接光伏电站和电网的配电装置，其主要作用是作为光伏发电系统与电网的分界点。对于低压并网的光伏电站，光伏并网柜中还可以加装计量、保护等功能器件。

监控系统

光伏发电系统，在维护过程中可以配置监控系统，有助于提高运行的可靠性，及早进行维护工作，提高发电的效率。

变压器

变压器一般都是升压变压器，它将光伏逆变器所逆变出来的交流电，通过升压达到并网电网的电压等级。变压器应该具有隔离功能。一般变压器位于并网交流柜的前段（从电流流向上看，在光伏系统中，电流是从逆变器流向电网）。

2、光伏组件如何产生电

太阳能是一种辐射能,它必须借助于能量转换器件才能变换为电能.这种把辐射能变换成电能的能量转换器件,就是太阳能电池。当太阳光照射到由P、N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收.形成内建静电场。如果从内建静电场的两侧引出电极并接上适当负载,就会形成电流,这就是太阳能电池的基本原理。单片太阳能电池就是一薄片半导体P-N结.标准光照条件下,额定输出电压为0.48V。为了获得较高的输出电压和较大容量,往往把多片太阳能电池连接在一起,目前,太阳能电池的光电转换率一般在23%左右，个别发达国家的实验室太阳能电池光电转换率已经可以达到30%左右。

3、直流如何变成交流

在光伏发电系统中，是通过光伏逆变器将光伏组件产生的直流电转化为交流电的。光伏逆变器通过自身采集电网的信息，直流侧信息，通过自身的控制策略，将光伏发电系统的直流侧电源转化为交流并网侧所需求的直流电流，这过程就叫逆变。在这个逆变的过程中，不需要人为的参与，逆变器能够自主实现在符合发电条件的时候实现自动并网发电。

4、如何实现并网

分布式光伏发电系统的并网是通过并网柜实现与电网的连接的。并网柜一般会有电流保护功能，电量计量功能，能够同时监控电能质量，能够传输相应的数据给上级供电公司。能够实现检有压合闸，失压跳闸功能等功能。内部主要的器件有，断路器，计量表，电流传感器，熔丝等。

三、光伏电站的设计

1、电站设计的前期准备

在设计光伏电站之前要做一下收集资料的准备工作和进行必要的现场勘查工作。

（一）收集资料

（1）项目位置。具体位于什么地点，当地的经纬度是多少。进一步的了解项目处于什么区域，如市区，郊区，交通方面如何。

（2）气象条件。项目所在地的气象条件不仅要了解项目所在位置的光照条件，空气质量条件，还要了解项目是否靠近水域，与水域相处的方位，了解水汽对日照的影响，这些都或多或少的影响到光伏阵列的朝向布置设计。

（3）电气条件。收集项目预期接入点的电气设计图纸，了解项目周围的电网情况，是否允许接入光伏电站，了解项目所在地的用电情况，选用不同的并网方式，自发自用，余电上网，还是全额上网。了解变压器的容量，当地电网对并入光伏能源的限额。变压器的等级，配电所的位置，设备布局，功率因数，短路保护等。

（4）建筑条件。收集建筑物的设计图纸，了解建筑物的结构，静态负荷情况，根据负载设计不同的布局及光伏支架。收集建筑物的屋面遮阳障碍物的布局尺寸等信息。最好能有一部分周围建筑物的建设预期情况。了解建筑物的屋面施工情况，防水结构。一般的适宜做光伏电站的屋面，有平面现浇屋面，彩钢瓦屋面，斜坡型屋面，马鞍板屋面，钢结构屋面。这些屋面尽量要选择朝向朝南的屋面。差一点的依次为，偏西、偏东。

（二）现场勘查

（1）完成了前期的资料收集之后，我们可以大概布置一下，光伏阵列的排布，进行初步的容量估算，注意在布置的时候根据当地的位置和气象条件选取合适的安装倾角。有了草图之后就可再次到现场进行必要的核对，尤其是设计周期和施工日期比较长的项目，施工前一定要注意核对现场情况，防止在不知情的情况下，出现屋面空间被占用的情况。一旦发现与设计不符的情况要及时作出变更。

（2）考察现场施工条件，注意物料堆放的位置，施工通道等

（3）土建资料的现场复核，主要核实现场规划尺寸，是否与实际图纸相符，现场考察遮阴物体，后期有无施工建筑物。

（4）选择线缆敷设方式，尽量使用一些共用的通道，同时作出合理的分隔。

（5）进一步考察配电所，周围电网情况。为后期设备布置做好准备。

2、各专业在设计中的工作内容

（一）光伏专业

依据收集的当地气象资料，业主要求，经济指标，施工地点建筑物周围环境等要求对光伏阵列进行设计。组件选取在光伏电站建设中，组件成本占整个电站投资的很大一部分，在选取组件尺寸和效率的时候，一定要结合电站的自身条件，尽量选取单位面积效率高的组件，同时要保证组件质量，保证25年的发电效率，一般选择的时候尽量选择大品牌。

在业主自己提供组件的时候，及时确定组件的尺寸，接线方式，厚度等参数，了解组件的IV曲线。组件尽量选用同一品牌的，同一型号的组件，配备一定比例的备件。这个比例可以根据厂家给出的技术参数为参考。

（1）光伏阵列倾角和间隔的确定

一般根据不同地区的太阳能辐射情况选取最佳倾角。但是在具体的实施过程中我们要充分考量优化设计。屋顶光伏电站方阵倾角怎么取，要视电站建设的目的而定，如果是以满足自身用电并追求投资回报快，可选择最佳倾角式安装。如果希望在有限的屋顶面积内尽可能多发电，项目收益的绝对值高，则可适当调低倾角，但并不是越低越好。方阵的倾角确定好了之后，间距也就确定了。在布置的时候要充分理解业主的意见。看业主是否有方阵通道，布置美化等要求。还要考虑建筑物周围的环境，空气质量情况。以适当调整间距，改变装机量。通道美化要求和简单，只要按照业主要求做就好了。有的时候，业主既要求装机量又要保证发电量，这个时候就需要我们仔细考察现场的状况。通过适当牺牲一部分间距，改变朝向，充分的利用阳光的有效照射时间。尽量减少由于保证装机量而牺牲的发电量。例如，屋顶电站建设地点，有较大的水面，或者经常有雾气出现，根据经验，我们可以适当将光伏方阵的朝向略微偏向西方。为增装机量，可以适当调整组件倾角，减少间距。（2）组串设计光伏组串组件数目的确定应参考规范的公式，充分考虑设备要求，同时考虑环境因素的影响。布置场地对总体容量的限制也要考虑在内。光伏系统组串设计公式：

N—光伏组件串联个数(N取整数)Kv—光伏组件的开路电压温度系数K’v—光伏组件的工作电压温度系数t—光伏组件工作条件下的极限低温t’—光伏组件工作条件下的极限高温Voc—光伏组件的开路电压Vmppt—光伏组件的工作电压Vdcmax—逆变器允许的最大支流输入电压Vmpptmax—逆变器MPPT电压最大值Vmpptmin—逆变器MPPT电压最小值上述公式也是工程师们常用的设计方法，我自己也一直沿用这个方法。然而，在这个公式中，部分参数是无法获得的。1）工作电压温度系数K’v各组件厂家的规格参数中，都不会有这一项，一般采用开路电压温度系数Kv进行计算。2）工作条件下的极限低温t首先，光伏组件运行后的温度，会高于环境温度的;其次，光伏系统只有在白天才能运行，夜间其实是不运行的。因此，t理论上应该是昼间光伏组件的极限低温。然而，光伏组件的温度会比环境温度具体高多少?这个尚无定论；但在全国众多的气象站中，只有很少的几个气象站，可以收集到昼间极端高温、昼间极端低温数值，大部分气象站是无法获得的。因此，极限低温t一般取环境的极端低温。3）工作条件下的极限高温t’如前所述，光伏组件运行后的温度，会高于环境温度的，但具体高多少尚无定论。根据文献《太阳能光伏发电应用中的温度影响》(王建军)介绍，西宁地区可测出背板温度高达70℃。因此，在计算时，极端高温一般采用环境温度增加25℃、或者直接采用70℃的方案。由上面的内容，我们在设计的时候要充分考虑好，光伏方阵在散热通风降温等方面的影响。如果有条件可以通过实际测量项目周围环境相同已建光伏电站运行时背板温升的实际参数作为参考，是否有必要组串内光伏组件块数进行增减。（3）组件容量超配光伏组件容量和逆变器容量比，习惯称为容配比。光伏应用早期，系统一般按照1:1的容配比设计。在应用研究中发现，在各种光照条件、组件铺设倾斜角度等情况下，达到系统最优的容配比都大于1:1。也就是说，一定程度的提升光伏组件容量，有利于提升系统的整体经济效益，降低系统投资成本，提升投资收益。“过去，光伏系统的容量按直流功率定义，而现在则按并网交流功率，过去光伏-逆变器容量比为1：1，现在为1.2～1.3：1，甚至更高。最近,关于容配比,相关部门已经重新发布了相关规定,大幅提升了配置比例,或者不在做硬性的规定.只在交流并网侧提出安全要求.1）系统容配比主要影响因素合理的容配比设计，需要结合具体项目的情况，综合考虑，主要影响因素包括辐照度、系统损耗、组件安装角度等方面，具体分析如下。a、不同区域辐照度不同不同区域辐照度差异较大，即使在同一资源地区，不同地方的全年辐射量也有较大差异。若要达到相同的发电量，可以通过改变容配比来实现。b、系统损耗光伏系统中，能量从太阳辐射到光伏组件，经过直流电缆、汇流箱、直流配电到达逆变器，当中各个环节都有损耗。直流侧损耗通常在7-12%左右,逆变器损耗约1%，总损耗约为8-13%(此处所说的系统损耗不包括逆变器后面的变压器及线路损耗部分)。也就是说，在组件容量和逆变器容量相等的情况下，由于客观存在的各种损耗，逆变器实际输出最大容量只有逆变器额定容量的90%左右，即使在光照最好的时候，逆变器也没有满载工作。降低了逆变器和系统的利用率。c、组件安装角度不同角度安装的组件所接收到的辐照度不同，如分布式屋顶多采用平铺的方式，则相同容量的组件，输出能量比有一定倾角的低。

2）超配的方案由上分析可见，选择合适的系统容配必须要考虑诸多因素，一般超配的方案有两种不同的补偿程度：一是通过提高组件容量，补偿各种原因引起的损耗部分，使逆变器的实际输出最大功率达到逆变器的额度功率。这种方案只是补偿了光伏发电系统损耗的容量。二是，进一步提高补偿组件的容量，延长逆变器发电的满载工作时间。这种方案会延长逆变器的满载运行时间，同时要利用逆变器的限发功能，系统在中午光照较好时段存在一定时间的限功率运行。在组件超配方案设计中，需要考虑当地光照条件、系统损耗、铺设倾斜角度等因素的影响，同时，逆变器的性能和选型也十分重要。在光伏系统设计中，光伏组件是以组串为单位接入逆变器的。集中型逆变器由于单机容量大，过载能力强，比组串型逆变器更适于超配。因为有直流汇流箱对组串的汇流环节，可接入的组串数量基本不受限制，进行超配方案时非常灵活。在系统超配设计过程中，逆变器的选型十分关键，集中式逆变器由于单机容量与单个组串容量比值大，过载能力强，因此可方便的进行不同比例的配置，设计灵活，满足不同区域容量各异的要求。

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