光伏电站系统设计 光伏电池板组件串联数量计算 光伏阵列运行方式 逆变器选型 集电线路 光伏储能

在工程设计阶段，光伏项目的方阵组串布置对发电量影响很大，方阵前后排间距、东西组串间距要精细化。光伏直流侧主发电设备选型时，没有绝对固定的模式，重点根据项目地理位置、海拔高度、地形特点、光照条件等，以组件、逆变器、支架、容配比系统四要素的不同搭配结合系统四要素变量进行多种组合，按照度电成本最优的思路，确定最优系统配置方案。支架结构形式和支架基础，应确保安全可靠，重点考虑施工和安装方便。光伏系统的关键技术路线为: 组件、逆变器、支架、容配比的综合配置，对比比较如下：

(1)组件。单晶单面发电组件：单面发电，发电量略低，价格便宜，用于地面反射率低，如草地场景。单晶双面发电组件：用于地面反射率高如戈壁场景，价格略高，发电量略高。

(2)逆变器。组串式逆变器：台数多、重量轻、发电量高、价格略高。集中式逆变器：台数少、重量大、发电量较低、价格便宜。

(3)支架。固定式支架：全地形适用、价格便宜、发电量低。固定可调式支架：平地/缓丘适用、价格适中、发电量适中。平单轴跟踪支架：平地适用、价格高、发电量高。

(4)容配比。利用组件出力特性、系统出力折减和逆变器允许直流侧超装的特性，增大直流侧装机容量，节约逆变器、交直流电缆和变压设备投资。超配带来了峰值功率削峰的问题，但发电总量的变大对应总投资的此消彼长后，能演化出一个反抛物线函数曲线，确定最优容配比。具体选型原则，如下：

光伏组件选型

推荐选用高效单晶硅组件。在价格接近的前提下，应优先选用峰值功率较大的电池组件。在地形等条件允许的情况下，优先采用1500V系统，择优选择单面或双面组件。光伏电池板阵电压设计需要考虑以下三个因素：组串开路电压不超过并网逆变器最高输入直流电压；组件的电压随温度变化的温度系数；逆变器的MPPT电压范围。半导体电压随温度的变化而变化，这种变化的系数，称为电压温度系数，太阳能电池片发电原理是根据P-N结及空穴电子对原理（光生伏打效应）实现的，属于半导体，因此电池片/组件的电压也会随着温度的变化而变化。一般情况下数值大约为-0.35％/℃（具体根据组件出厂参数），意思是温度每降低（升高）1摄氏度，电压升高（降低）基准电压的0.35%。一般组件标准工作条件是温度25℃，此时的电压定为基准电压；那么低于25℃，电压就升高，反之降低。电压发生变化，相应的组件串电压就会发生变化，尤其是在冬夏温差大的地方。因此，在光伏电站设计过程中，必须根据当地最低/最高温度，计算出电压变化范围，参考逆变器最大功率跟踪电压范围，选择合适的组件数。结合三因素，举例光伏电池板组件串联数量多少可满足逆变器高效工作，计算如下：

举例说明

光伏项目所在某地气象数据表明，地表最低气温-13.8℃，最高气温37.2℃。选用的组件，在标准工作条件下，开路电压37.5V，峰值电压31.4V，开路电压温度系数-0.35％/℃。选用的逆变器最大功率跟踪电压（MPPT）范围450V-820V，最高可承受电压900V。

那么在方案设计时，要考虑的是：电池组件的温度变化范围应为-20℃～＋65℃（+表示上升，-表示降低）。则：

当－20℃时，电池组件的开路电压变化幅度为：[（－20℃）－25℃]×（-0.35％/℃）×37.5V=+5.9V；最佳功率点电压变化幅度为：[（－20℃）－25℃]×（-0.35％/℃）×31.4V＝+4.945V。

当＋65℃时，电池组件的开路电压变化幅度为：(65℃－25℃)×（-0.35％/℃）×37.5V＝-5.25V；佳功率点电压变化幅度为：(65℃－25℃)×（-0.35％/℃）×31.4V＝-4.396V。

以上计算可知在上述气象条件下，组件最低峰值电压27V，最高开路电压43.4V。因此考虑温度变化后的每串太阳电池组件数的选择范围为：

Nvmt=450V÷(31.4V-4.396V)=16.6块

Nvoct=820V÷(31.4V+4.945V)=22.56块

Nmax=900V÷(37.5V+5.9V)=20.73块

当组件最低峰值电压输出时，有17块组件串联满足MPPT下限电压输入条件；组件最大峰值电压输出时，有22块串联满足MPPT上限电压输入。最高可承受电压900V条件下输出时，有21块组件就达到逆变器最高电压输入限制。结论就是：根据上述计算结果，系统最优宜选择20块组件串联方式，可满足逆变器安全、可靠、高效工作。

光伏阵列运行方式

集中式并网光伏电站组件主要有最佳倾角（全年发电量最大时的倾角）固定式、倾角可调式、水平单轴跟踪式、斜单轴跟踪式以及双轴跟踪式等。在35°以上纬度区域，宜采用最佳倾角固定式或倾角可调式支架；在35”以下纬度区域，综合考虑场地地形条件等因素可采用水平单轴、固定式等不同支架形式进行搭配。支架倾角角度设计一般采用PVSYST4等相关设计软件来进行辅助设计，下表是采用计算机进行计算对我国部分主要城市对于负载负荷均匀或近似均衡的最佳辐射倾角，以供选用参考：

主要城市对于负载负荷均匀均衡的阵列运行支架组件最佳辐射倾角

光伏阵列安装及运行应考虑：光伏方阵南北方向和东西方向间距，宜使每天当地真太阳时 9:00~15:00时段内东西向、南北向互不遮挡。跟踪式方阵应采用反向跟踪技术。光伏组件的最低点距地面的距离不宜低于500mm，并大于当地的最大积雪深度和洪涝水位设防标准。支架安装结构图，参考如下：

光伏方阵布置应便于光伏组件表面清洗，宜设置相应的清洗通道和维护、运输通道。当站址所在地的大气环境较差、组件表面污染较严重时，光伏方阵宜设置清洗系统或配置清洗设备。光伏发电站的光伏方阵区宜设置围栏，可采用钢丝护栏网，高度应不低于1.8m，围栏距离最近光伏组件不小于1.6m，且宜设置1.6m宽130mm厚的碎石防火隔离带。

光伏支架设计使用年限应为25年。光伏电站的光伏支架结构安全等级应为三级，建筑光伏的光伏支架结构安全等级应与建筑主体一致。在既有建(构)筑物上设计光伏支架结构时，应鉴定既有建(构)筑物结构的承载能力。

接地防雷有关要求：光伏阵列中一般不单独设置避雷针，通过电池组件和支架与场区接地网连接进行直击雷保护。光伏阵列根据电站布置形成一个接地网，接地网与光伏电池组件支架底座焊接，支架基础钢筋做接地体并辅以垂直接地极，子方阵接地体焊接成网状，各子方阵接地体相互连接。接地网宜采用镀锌扁钢连接，镀锌扁钢截面应满足土壤腐蚀要求，埋设深度不宜小于0.8m。为防止直流线路上侵入波雷电压，一般要求在直流汇流箱、逆变器及变电站内逐级均应装设避雷器。

支架基础选型

支架基础应进行承载力计算和稳定性验算，并根据支架结构形式和所承受荷载的特征、土质性状及地下水条件、施工工艺的可行性、施工场地条件及施工季节、尽量减少土方挖填和减少对自然地貌和植被的破坏原则性、场地地层分布及各层土的物理力学指标、地基土和水对钢筋混凝土结构和钢结构的腐蚀性、地基土的冻土深度与冻胀级别、工程的经济指标与环保性能和施工工期等因素综合确定支架基础的型式。下表，可供参考使用：

支架基础型式选择参考表

说明：上表中基础桩指的是微型短桩，其他基础应按现行行业标准《建筑基技术规范》JGJ 94 的相关规定进行选择。对于锚杆基础，尚应要求岩石的完整程度为较完整~完整，且适用于岩石埋深线或直接出露的场区。寒冷、严寒地区冬季施工不宜采用现浇施工工艺。

逆变器选型

逆变器主要分为组串式和集中式。后期智能化运维是逆变器选型的关键。

集中式逆变器：

集中式逆变器是将汇总后的直流电转变为交流电，因此，逆变器的功率都相对较大，光伏电站中一般采用500KW以上的集中式逆变器。集中式逆变器方案系统采用直流汇流设计，可较好的利用逆变器过载能力，每个方阵一般配置2台逆变器，运行维护量较少，但同一阵列MPPT跟踪路数较少，逆变器故障时影响范围较大，发电量损失较多。集中式逆变器系统方案，一般是：光伏组件→直流电缆→直流汇流箱→直流电缆→集中式逆变器→交流电缆→升压变压器。

组串式逆变器： 

组串式逆变器是将组件产生的直流电直接转变为交流电，再进行汇总，因此，逆变器的功率都相对较小，光伏电站中一般采用100KW以下的组串式逆变器。组串式逆变器方案系统宜采用无交流汇流箱设计，单台逆变器故障影响范围较小，发电量损失较少。组串式逆变器系统方案，一般是：光伏组件→直流电缆→组串式逆变器→交流电缆→交流汇流箱→交流电缆→升压变压器。

其中汇流箱选型建议参数：宜采用1500V智能24路汇流箱，应具有不小于1.25倍光伏组件过电流保护；可选配防反二极管，防反二极管的反向电压应不低于Uoc-STC条件下光伏组件串的开路电压的2倍；配有光伏专用防雷器，正负极都具备防雷功能。防雷器额定电压为 1500Vdc，标称放电电流为20kA，最大放电电流40kA；箱内配有监测装置，可以实时监测并上传每路电池组串的直流电流、输出总电流、母线电压及总输出功率，直流断路器位置或负荷开关的位置状态及故障状态、直流防雷器状态及电池组串异常报警等；具有RS485通讯口，传送距离不小于200m，可以与逆变器数据采集装置通讯，测控装置电源取自电池组串，不外接电源；防护等级不低于IP54。

集电线路

集电线路分为高压集电线路、方阵内集电线路、通讯线路三部分。

高压集电线路，宜采用电缆或架空线或其组合方式，电缆应采用C级以上阻燃，宜采用铜电缆，绝缘型式宜选用交联聚乙烯绝缘。电缆导体允许最小截面应同时满足载流量和通过系统最大短路电流时热稳定截面积的要求。

方阵内集电线路，应尽量降低直流电缆损耗，宜采用铝合金或铜电缆。直流电缆选型时，各路电池组串至逆变器直流侧的压降应尽量接近，确保最远处电池组串至逆变器直流侧总压降不大于1.5%。通信电缆线路与集电线路原则上同径敷设，不新增电缆通道。线路电缆一般采用直埋敷设或电缆桥架敷设方式。

光伏储能

储能系统介质应采用技术成熟、安全可靠的介质，宜采用磷酸铁钾电池组成的电化学储能系统。储能系统采用集中式交流耦合并网。根据地方电网公司接入批复或电网公司要求配置的功率容量和能量容量。

电池系统选择上要考虑根据电池储能系统设计容量和电压等级、服务对象功能需求以及电池的充放电特性和技术成熟度选择。电池成组方式及组数应与 PCS 的拓结构相匹配，并考虑一定经济性。电池容量配置应考虑电池的寿命特性、转换效率、充放电特性及最佳充放电区间的条件下保留适当裕度。电池系统宜采用模块化设计，且经过第三方检测认证。电池系统的响应速度应符合服务对象需求。电池系统充放电循环使用寿命要求电池系统充放电6000 次后，剩余容量不得低于初始容量的70%。储能电站设置一套后台监控系统，实现对电池集装箱设备、电气集装箱设备等现场的视频监视，系统主要配置前置摄像机及相关附件。整站视频监视主机及视频信号需要设置一套后台，位于主控室。