光伏电站科学设计的关键问题

0 引言光 伏 并 网 发 电 是 通 过 光 伏 逆 变 器 将 直 流电 变 换 为 交 流 电 馈 入 电 网 的 一 种 太 阳 能 利 用方 式 ， 已 得 到 广 泛 认 可 和 大 规 模 应 用 [ 1 ] 。 根 据馈 入 电 网 类 型 的 不 同 ， 光 伏 发 电 站 主 要 分 为大 规 模 集 中 型 光 伏 发 电 站 和 分 布 式 光 伏 发 电站 。 根 据 光 伏 电 站 安 装 环 境 位 置 的 不 同 ， 光 伏发 电 站 一 般 分 为 荒 漠 电 站 、 屋 顶 电 站 及 山 丘电 站 。 图 1 为 典 型 的 集 中 型 光 伏 发 电 站 示 意图 。由 于 光 伏 政 策 的 引 导 ， 以 及 投 资 方 对 光 伏电 站 投 资 回 报 收 益 和 生 命 周 期 性 能 的 要 求 不断 提 高 ， 光 伏 电 站 已 从 前 些 年 的 粗 放 设 计 上 升到 科 学 精 细 化 设 计 阶 段 。 笔 者 基 于 在 光 伏 行 业多 年 的 研 发 、 设 计 和 应 用 经 验 ， 对 电 站 地 理 选址 、 光 伏 组 件 选 择 与 光 伏 阵 列 排 布 、 逆 变 器 选型 、 电 网 指 令 法 规 等 关 键 问 题 进 行 分 析 和 研究 ， 为 电 站 的 科 学 合 理 设 计 提 供 理 论 依 据 。 本文 分 析 了 影 响 光 伏 电 站 发 电 量 、 安 全 性 、 可 靠性 和 电 网 友 好 性 等 关 键 问 题 的 本 质 ， 就 相 应 问题 给 出 科 学 的 设 计 方 法 和 解 决 方 案 ， 为 广 大 业主 和 EPC 提 供 科 学 的 电 站 设 计 与 逆 变 器 选 型指 南 ， 提 出 了 “ 因 地 制 宜 、 科 学 设 计 ” 的 光 伏 电站 设 计 理 念 。1 光 伏 电 站 选 址光 伏 电 站 的 选 址 是 光 伏 电 站 前 期 规 划 的重 要 步 骤 ， 不 适 宜 的 地 理 位 置 和 环 境 会 导 致 电站 寿 命 和 收 益 无 法 达 到 预 期 目 标 。 特 殊 的 地 理环 境 还 要 求 光 伏 电 站 具 有 特 定 的 防 护 能 力 。1.1 地 理 特 征地 理 特 征 决 定 了 发 电 站 建 设 类 型 和 施 工方 式 ， 影 响 电 站 的 成 本 投 入 、 投 资 回 报 以 及 后续 的 运 维 方 式 等 的 评 估 与 设 计 结 果 。 地 理 特 征主 要 包 括 ： ① 经 度 、 纬 度 、 海 拔 等 地 理 位 置 ； ②城 市 、 荒 漠 、 山 地 山 丘 、 建 筑 物 、 滩 涂 、 沿 海 等地 貌 特 征 。根 据 电 站 所 在 地 理 位 置 的 经 纬 度 和 海 拔数 据 可 以 大 致 评 估 该 电 站 全 年 的 辐 照 状 况 、 预期 发 电 量 和 收 益 情 况 。 根 据 电 站 所 在 地 的 地 貌特 征 可 以 初 步 判 断 电 站 可 建 设 规 模 和 馈 入 电网 的 类 型 ， 确 定 电 站 的 现 场 施 工 方 式 和 后 续 的运 维 方 式 等 。 例 如 ： 电 站 选 址 在 地 形 平 坦 的 荒漠 ， 其 建 设 和 运 维 模 式 比 较 成 熟 ， 可 复 制 性 较收稿日期 ： 2014-12-09 。作者简介 ： 倪 华 （ 1982- ）， 男 ， 工程师 ， 研究方向为光伏发电及其应用技术 。 E-mail ： nih@sungrowpower.com光 伏 电 站 科 学 设 计 的 关 键 问 题倪 华 ， 赵 为 ， 俞雁飞（ 阳光电源股份有限公司 ， 安徽 合肥 230088）摘 要 ： 光伏电站的科学设计对降低电站初始投资和最大化提升收益至关重要 。 文章通过对电站地理特征 、 光伏组件特性 、 光伏阵列特性 、 逆变器选型 、 电网指令法规等多个对象的认识研究 ， 阐述了影响光伏电站发电量 、安全性 、 可靠性和电网友好性等关键问题的本质 ， 并且就相应问题给出了科学的设计方法和选型指南 ， 提出 “ 因地制宜 、 科学设计 ” 的光伏电站设计理念 ， 为科学合理设计光伏电站提供参考 。关键词 ： 光伏电站 ； 光伏阵列 ； 逆变器 ； 因地制宜 ； 科学设计中图分类号 ： TM615 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1671-5292 （ 2015） 07-1005-08图 1 典 型 的 集 中 型 光 伏 发 电 站Fig.1 Typical concentrated PV plant中高压电网光伏阵列双分裂变压器直流汇流箱 1 MW 逆变房本地监控中心调度中心1 MW 子单元1 MW 子单元1 MW 子单元…可再生能源Renewable Energy Resources第 33 卷 第 7 期2015 年 7 月Vol.33 No.7Jul. 2015· 1005·DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.07.008强 ， 施 工 难 度 相 对 较 低 ； 电 站 选 址 在 地 形 不 平坦 的 山 丘 ， 由 于 电 池 阵 列 的 排 布 朝 向 不 一 致 容易 存 在 遮 挡 失 配 现 象 ， 在 阵 列 的 排 布 和 逆 变 器选 型 上 要 进 行 特 别 的 考 虑 ； 电 站 选 址 在 沿 海 湿热 地 区 ， 要 关 注 电 池 板 是 否 具 备 抗 电 势 诱 导 衰减 （ PID ） 能 力 、 逆 变 器 或 电 站 系 统 方 案 本 身 是否 可 以 进 行 PID 的 抑 制 防 护 等 。1.2 外 部 环 境电 站 外 部 环 境 因 素 包 括 ： ① 全 年 的 晴 天 天数 、 辐 照 情 况 、 最 低 最 高 气 温 、 平 均 气 温 、 平 均雷 击 次 数 、 风 力 、 地 震 等 级 、 水 土 、 冻 土 深 度 等气 候 气 象 条 件 ； ② 空 气 湿 度 、 盐 雾 、 灰 尘 风 沙 、空 气 污 染 物 、 周 边 遮 挡 物 等 周 围 环 境 。气 候 气 象 条 件 数 据 用 于 估 算 年 发 电 量 、 电池 板 单 组 串 数 量 等 计 算 。 温 度 信 息 关 系 着 光 伏阵 列 的 开 路 电 压 设 计 。 水 土 、 地 震 、 风 力 等 信 息是 电 池 板 支 架 的 选 型 施 工 、 光 伏 阵 列 铺 设 固 定方 式 设 计 的 依 据 。 雷 击 信 息 是 电 站 防 雷 设 计 的重 要 参 考 。 周 围 环 境 信 息 数 据 对 光 伏 电 站 设 备的 防 护 等 级 、 光 伏 阵 列 的 排 布 方 式 的 确 定 具 有重 要 作 用 。1.3 电 网 及 负 荷 情 况大 型 输 电 网 电 能 质 量 好 、 容 量 大 ， 电 站 附近 的 负 荷 较 小 。 集 中 型 电 站 一 般 馈 入 110 kV或 330 kV 的 大 型 输 电 网 ， 通 过 高 压 输 电 线 外送 。 分 布 式 电 站 一 般 通 过 10 kV 或 35 kV 的 中压 变 压 器 上 配 电 网 或 者 就 近 于 380 V 低 压 并网 点 并 网 ， 其 电 网 容 量 较 小 ， 在 低 压 侧 或 中 压侧 可 能 存 在 随 机 负 荷 ， 电 网 电 压 和 频 率 容 易 波动 ， 电 网 电 压 会 存 在 大 量 的 谐 波 。 分 布 式 电 站中 逆 变 器 的 选 型 尤 为 重 要 ， 建 议 选 择 行 业 技 术领 先 的 品 牌 逆 变 器 ， 以 保 障 电 网 适 应 性 、 可 靠性 、 安 全 友 好 性 等 性 能 。1.4 不 同 类 型 光 伏 电 站 的 选 址集 中 式 光 伏 电 站 的 容 量 较 大 （ 通 常 在 5MW 以 上 ）， 发 电 量 稳 定 ， 适 宜 建 造 在 辐 照 较强 、 天 气 稳 定 、 幅 员 宽 广 的 荒 漠 和 山 丘 ， 接 入 相对 稳 定 的 中 高 压 电 网 。 分 布 式 光 伏 电 站 就 近 为本 地 负 载 供 电 ， 一 般 接 入 本 地 中 低 压 电 网 ， 适宜 建 造 在 城 市 、 工 业 园 、 建 筑 群 等 地 方 。 另 外 ，电 站 地 区 的 一 些 特 殊 地 理 环 境 要 求 光 伏 电 站具 备 相 应 的 防 护 和 应 对 策 略 （ 表 1）。2 光 伏 组 件 选 择 和 阵 列 排 布2.1 光 伏 组 件 类 型 选 择当 前 在 光 伏 电 站 中 大 规 模 商 业 化 应 用 的组 件 有 多 晶 硅 、 单 晶 硅 以 及 薄 膜 组 件 ， 3 种 的区 别 主 要 体 现 在 效 率 和 价 格 上 。 对 于 薄 膜 组 件要 特 别 考 虑 其 极 化 腐 蚀 效 应 ， 一 般 采 用 负 极 接地 方 案 。 组 件 的 选 型 要 从 电 站 的 初 始 投 资 、 占地 面 积 、 安 装 位 置 和 预 计 发 电 量 等 方 面 来 考虑 。 大 型 地 面 电 站 多 选 择 性 价 比 较 高 ， 单 块 功率 大 于 250 W 的 大 功 率 多 晶 硅 组 件 ； 屋 顶 电站 的 面 积 有 限 ， 为 在 有 限 面 积 上 尽 可 能 多 发电 ， 一 般 选 择 效 率 较 高 的 单 晶 硅 组 件 ； 光 伏 建筑 一 体 化 电 站 选 择 薄 膜 组 件 较 多 。2.2 光 伏 组 件 的 衰 减（ 1 ） 光 致 衰 减造 成 组 件 衰 减 的 原 因 有 两 种 。 一 种 衰 减 是初 始 的 光 致 衰 减 ， 主 要 是 由 于 P 型 （ 掺 硼 ） 晶体 硅 片 中 的 硼 氧 复 合 体 降 低 了 少 子 寿 命 而 衰减 ， 以 及 含 硼 和 氧 的 硅 片 经 过 光 照 后 出 现 的 衰减 [2] 。 另 一 类 衰 减 表 现 为 缓 慢 衰 减 ， 包 括 电 池片 衰 减 和 封 装 材 料 因 紫 外 线 照 射 造 成 的 衰 减 。通 常 光 伏 组 件 第 一 年 衰 减 为 2% ～ 3% ， 以 后 每年 衰 减 不 超 过 0.8% ， 25 年 衰 减 不 超 过 20% 。针 对 光 伏 组 件 无 法 避 免 的 衰 减 问 题 ， 可 以 考 虑在 电 站 初 始 建 设 时 超 配 一 定 比 例 的 电 池 板 ， 同时 相 应 配 置 具 有 较 大 过 载 能 力 的 逆 变 器 ， 以 抵消 衰 减 影 响 。表 1 特 殊 地 理 环 境 对 光 伏 电 站 的 要 求Table 1 Requirements for PV plants in specialgeographical environments地 理 及 环 境 条 件 对 光 伏 电 站 性 能 要 求年 降 水 天 数 较 多 ， 空 气湿 度 大 ， 沿 海 盐 雾雷 击 多 发 地 带 电 站 设 施 与 设 备 多 级 防 雷 设 计 。地 震 多 发 地 带高 海 拔 地 带 安 全 防 护 等 级 要 求 较 高 。风 力 大 ， 冻 土 层极 端 高 低 温 ， 温 差 大高 温 高 湿 环 境 具 备 抑 制 PID 的 能 力 。地 形 复 杂 ， 遮 挡 严 重 多 路 MPPT， 多 峰 MPPT 。材 料 与 设 备 防 腐 蚀 等 级 、 IP 防 护等 级 要 求 高 。电 站 建 筑 与 设 备 具 备 较 强 的 抗 地震 波 能 力 。电 站 设 施 结 构 强 度 、 抗 机 械 疲 劳能 力 强 。材 料 与 设 备 耐 高 低 温 能 力 、 循 环寿 命 要 求 高 、 低 温 时 光 伏 组 串 输出 高 压 防 护 能 力 。可再生能源 2015， 33（ 7）· 1006·（ 2） 电 势 诱 导 衰 减 效 应电 势 诱 导 衰 减 （ PID） 是 电 池 组 件 长 期 处 于一 定 的 偏 置 电 位 ， 并 在 高 温 高 湿 环 境 下 诱 发 的性 能 衰 减 现 象 [3] 。 发 生 PID 的 电 池 组 件 开 路 电压 和 最 大 功 率 都 比 其 初 始 特 性 有 非 常 大 的 下降 ； 电 池 功 率 衰 减 会 造 成 系 统 失 配 ， 从 而 使 电站 的 发 电 量 产 生 巨 大 的 损 失 。 电 站 设 计 初 期 就要 考 虑 建 设 地 区 环 境 的 温 湿 度 、 电 池 板 组 件 对PID 的 抗 性 、 逆 变 器 或 电 站 系 统 是 否 具 有 抑 制PID 的 功 能 。 目 前 ， 通 过 中 压 变 压 器 并 网 的 集中 型 逆 变 器 采 用 负 极 接 地 来 抑 制 PID 的 方 案已 得 到 成 功 的 应 用 。（ 3） 光 伏 组 件 热 斑在 某 些 遮 挡 条 件 下 ， 光 伏 串 联 组 串 中 被 遮蔽 的 光 伏 组 件 处 于 反 向 偏 置 状 态 ， 成 为 光 伏 阵列 的 负 载 ， 消 耗 能 量 而 发 热 ， 即 热 斑 现 象 。 热 斑会 导 致 电 池 组 件 进 一 步 地 衰 减 ， 可 能 导 致 组 件失 效 或 起 火 [4] 。 为 了 避 免 热 斑 的 产 生 ， 在 光 伏组 件 接 线 盒 中 集 成 旁 路 二 极 管 ， 将 反 向 偏 置 的电 池 片 旁 路 。 选 用 光 伏 组 件 时 ， 要 特 别 关 注 第三 方 权 威 机 构 出 具 的 电 池 组 件 的 热 斑 耐 久 性测 试 数 据 和 报 告 。2.3 光 伏 阵 列 遮 挡 、 串 并 联 失 配 特 性（ 1） 组 件 遮 挡 与 光 伏 阵 列 排 布光 伏 组 件 局 部 被 阴 影 遮 挡 时 ， 其 输 出 特 性会 发 生 改 变 。 单 个 组 件 被 遮 挡 程 度 不 同 ， 其 光伏 特 性 曲 线 差 别 很 大 ， 这 是 导 致 阵 列 产 生 失 配的 重 要 原 因 。 在 光 伏 电 站 设 计 初 期 就 要 充 分 考虑 光 伏 阵 列 是 否 存 在 遮 挡 的 问 题 。若 由 于 地 理 环 境 出 现 无 法 避 免 的 组 件 被遮 挡 问 题 ， 可 通 过 优 化 电 池 板 排 布 以 及 选 择合 适 的 逆 变 器 来 减 少 发 电 量 损 失 。 光 伏 阵 列较 差 排 布 与 最 优 排 布 相 比 ， 对 电 站 前 期 建 设的 线 缆 、 逆 变 器 的 投 入 和 发 电 量 的 影 响 相 差30% 以 上 。（ 2） 局 部 不 规 则 遮 挡 的 失 配 现 象在 山 丘 、 山 地 或 者 楼 宇 屋 顶 等 特 殊 地 形 ，光 伏 阵 列 可 能 会 出 现 局 部 不 规 则 遮 挡 ， 导 致 较严 重 的 失 配 现 象 发 生 （ 图 2）。 通 过 仿 真 及 实 际测 试 发 现 ， 在 不 规 则 遮 挡 下 ， 光 伏 阵 列 的 输 出曲 线 表 现 为 多 峰 值 和 峰 值 功 率 减 小 。 此 时 有 针对 性 的 对 组 件 进 行 排 布 优 化 ， 减 少 遮 挡 面 积 ，合 理 选 用 逆 变 器 ， 可 以 降 低 发 电 量 的 损 失 ， 提升 收 益 。 例 如 ， 在 不 同 区 域 配 置 多 台 逆 变 器 、 选择 具 有 MPPT 的 逆 变 器 。（ 3 ） 光 伏 阵 列 的 串 并 联 离 散 失 配 现 象采 用 典 型 的 规 模 化 、 流 水 线 式 的 生 产 方式 ， 光 伏 组 件 产 品 的 一 致 性 可 以 得 到 有 效 保障 和 控 制 ， 但 是 不 可 能 做 到 100 % 的 一 致 性 ，组 件 之 间 会 存 在 一 些 微 小 的 差 异 。 不 同 组 件之 间 的 固 有 输 出 特 性 差 异 会 导 致 串 并 联 后的 组 串 和 阵 列 出 现 离 散 失 配 。 与 因 大 规 模 的局 部 集 中 遮 挡 失 配 相 比 ， 离 散 失 配 的 影 响 程度 较 低 ， 难 以 通 过 增 加 组 串 级 别 的 多 路MPPT 手 段 来 有 效 削 弱 。 在 图 3 所 示 的 大 规模 无 遮 挡 的 荒 漠 电 站 中 ， 通 过 对 集 中 型 逆 变器 和 多 MPPT 组 串 型 逆 变 器 的 仿 真 分 析 和 实际 测 试 比 较 发 现 ， 两 种 情 况 下 的 发 电 量 误 差小 于 0. 01 % 。2.4 光 伏 组 件 衰 减 及 阵 列 失 配 现 象 的 应 对 策 略对 于 光 伏 电 站 可 能 出 现 的 光 伏 组 件 衰 减及 阵 列 失 配 现 象 ， 在 电 站 设 计 建 设 初 期 要 充分 考 虑 ， 并 采 取 合 适 的 应 对 措 施 ， 使 光 伏 电 站能 达 到 预 期 的 收 益 。 光 伏 电 站 的 应 对 策 略 列于 表 2 。图 2 局 部 不 规 则 遮 挡 失 配 现 象Fig.2 Mismatching phenomenon caused by localirregular shade图 3 大 规 模 集 中 荒 漠 电 站 的 离 散 失 配 现 象Fig.3 Discrete mismatching phenomenon of large-scaleconcentrated desert PV plant· 1007·倪 华 ， 等 光 伏 电 站 科 学 设 计 的 关 键 问 题3 光 伏 逆 变 器 选 择根 据 光 伏 逆 变 器 的 功 率 等 级 、 内 部 电 路 结构 和 应 用 场 合 的 不 同 ， 分 为 集 中 型 逆 变 器 、 组串 型 逆 变 器 和 微 型 逆 变 器 。 应 根 据 光 伏 电 站 的自 身 特 点 ， 选 择 合 适 的 逆 变 器 。3.1 集 中 型 逆 变 器集 中 型 逆 变 器 的 单 机 功 率 大 、 最 大 功 率点 跟 踪 （ MPPT） 数 量 少 、 单 位 功 率 成 本 低 。 目前 ， 国 内 集 中 型 逆 变 器 的 主 流 机 型 以 500 kW ，630 kW 为 主 ， 欧 洲 及 北 美 等 地 区 的 主 流 机 型的 单 机 功 率 高 于 800 kW ， 其 功 率 等 级 和 集 成度 还 在 不 断 提 高 。 最 近 德 国 SMA 公 司 推 出 了单 机 功 率 为 2. 5 MW 的 逆 变 器 。 目 前 ， 集 中型 逆 变 器 是 中 大 型 光 伏 电 站 的 首 选 ， 在 全 球5 MW 以 上 的 光 伏 电 站 中 ， 其 选 用 率 超 过98 % 。3.2 组 串 型 逆 变 器组 串 型 逆 变 器 的 单 机 功 率 为 3 ～ 60 kW ，其 主 流 机 型 的 单 机 功 率 为 30～ 40 kW ， 一 般 是6 ～ 15 kW 配 置 一 路 MPPT。 该 类 逆 变 器 的 单 位功 率 成 本 较 高 ， 主 要 用 于 中 小 型 电 站 ， 在 全 球容 量 1 MW 以 下 的 电 站 中 选 用 率 超 过 50% 。 不规 则 商 业 屋 顶 电 站 及 户 用 系 统 均 倾 向 使 用 组串 型 逆 变 器 。3.3 微 型 逆 变 器微 型 逆 变 器 的 单 机 功 率 低 于 1 kW ， 单MPPT， 在 应 用 中 多 为 0.25 ～ 1 kW 配 置 一 路MPPT。 微 型 逆 变 器 可 以 对 单 块 或 几 块 电 池 板进 行 独 立 MPPT 控 制 ， 其 单 位 功 率 成 本 很 高 。目 前 ， 北 美 地 区 的 10 kW 以 下 的 家 庭 光 伏 电站 应 用 较 多 。3.4 3 种 典 型 逆 变 器 的 应 用以 上 3 种 逆 变 器 的 典 型 应 用 如 图 4 所 示 。光 伏 组 件 通 过 串 联 形 成 组 串 ， 多 个 组 串 之 间 并联 形 成 阵 列 。 集 中 型 逆 变 器 将 一 个 阵 列 的 所 有组 串 直 流 侧 接 入 1 台 或 数 台 逆 变 器 ， MPPT 数量 相 对 较 少 。 组 串 型 逆 变 器 将 一 路 或 几 路 组 串接 入 到 1 台 逆 变 器 ， 一 个 阵 列 中 有 多 路 MPPT。微 型 逆 变 器 对 每 块 电 池 板 进 行 MPPT 跟 踪 。 组串 型 逆 变 器 方 案 的 多 路 MPPT 可 以 解 决 组 串之 间 并 联 失 配 问 题 ； 微 型 逆 变 器 既 可 以 解 决 组串 之 间 的 并 联 失 配 ， 也 可 以 解 决 组 件 之 间 的 串联 失 配 。 因 此 ， 从 直 流 侧 看 ， 3 种 逆 变 器 的 本 质区 别 在 于 对 组 件 失 配 问 题 的 处 理 效 果 不 同 。 逆变 器 的 选 型 ， 须 要 在 光 伏 系 统 生 命 周 期 内 寻 找总 发 电 量 和 总 成 本 的 平 衡 点 ， 同 时 要 考 虑 故 障穿 越 能 力 、 电 能 质 量 、 电 网 适 应 性 等 电 网 接 入要 求 ， 以 及 抗 PID 、 静 态 无 功 支 撑 等 一 些 特 殊功 能 的 要 求 。表 2 光 伏 组 件 衰 减 及 阵 列 失 配 现 象 与 应 对 策 略Table 2 Strategies on PV modules decay and PV array smismatching衰 减 类 型 应 对 策 略组 件 光 致 衰 减组 件 （ 阵 列 ） PID 效 应组 件 热 斑阵 列 局 部 不 规 则 遮 挡失 配阵 列 串 并 联 离 散 失 配阵 列 无 法 避 免 的 规 则遮 挡采 用 抗 PID 效 应 的 电 池 板 、 电 站具 备 抗 PID 能 力 。超 配 一 定 数 量 的 电 池 板 组 件 ， 抵消 电 站 生 命 周 期 内 的 衰 减 。选 择 组 件 时 ， 关 注 第 三 方 权 威 机构 测 试 的 抗 热 斑 数 据 。增 加 光 伏 电 站 中 MPPT 装 置 的数 量 。采 用 组 件 级 别 的 MPPT 装 置 进 行适 当 优 化 。优 化 阵 列 排 布 ， 减 少 多 峰 现 象 。（ a） 集 中 型 逆 变 器 （ b ） 组 串 型 逆 变 器 （ c） 微 型 逆 变 器图 4 3 种 逆 变 器 典 型 应 用 图Fig.4 Typical application schemes of three kinds of inverterDC/AC逆变器DC/AC逆变器DC/AC逆变器DC/AC逆变器微逆 微逆 微逆微逆微逆微逆微逆微逆微逆微逆微逆 微逆可再生能源 2015， 33（ 7）· 1008·4 电 网 指 令 法 规4.1 中 高 压 并 网 电 站 指 令我 国 对 于 接 入 中 高 压 电 网 的 光 伏 电 站 ， 主要 按 照 “ GB-T19964-2012 光 伏 电 站 接 入 电 力系 统 技 术 规 定 ” 来 执 行 调 度 与 约 束 ， 对 光 伏 逆变 器 的 测 试 按 照 “ NBT 32004-2013 光 伏 发 电并 网 逆 变 器 技 术 规 范 ” 执 行 。 德 国 的 联 邦 能 源和 水 资 源 协 会 （ BDEW ） 颁 布 的 “ GeneratingPlants Connected to the medium -voltageNetwork” 对 中 高 压 并 网 电 站 有 详 细 而 严 格 的要 求 ， 其 中 FGW TR3 ， FGW TR4 ， FGW TR8 分别 是 对 接 入 中 高 压 的 光 伏 逆 变 器 的 电 气 性 能 、逆 变 器 的 仿 真 建 模 、 接 入 中 高 压 电 网 的 发 电 系统 的 电 气 性 能 的 认 证 要 求 。 针 对 仿 真 建 模 的 认证 评 估 ， 国 网 电 科 院 编 写 了 “ 光 伏 发 电 系 统 建模 导 则 ” 和 “ 光 伏 发 电 系 统 模 型 及 参 数 测 试 规程 ” 的 报 批 稿 。 国 内 光 伏 电 站 接 入 电 力 系 统 技术 规 定 的 一 些 关 键 要 求 如 下 。（ 1） 低 电 压 穿 越如 图 5 所 示 ， 要 求 电 站 在 电 网 电 压 跌 落 至20% 状 态 下 能 穿 越 运 行 至 少 625 ms， 在 电 网 电压 跌 落 至 零 状 态 下 能 穿 越 运 行 至 少 150 ms；在 穿 越 过 程 中 ， 动 态 无 功 电 流 的 响 应 （ 无 功 功率 由 零 到 额 定 值 ） 不 超 过 30 ms。 由 少 量 大 功率 光 伏 逆 变 器 构 成 的 MW 级 单 元 电 站 ， 对 无 功的 响 应 能 力 和 速 度 远 优 于 由 许 多 台 组 串 型 逆变 器 构 成 的 MW 级 发 电 单 元 ， 所 以 建 议 在 大 功率 光 伏 电 站 中 选 择 通 过 LVRT 测 试 认 证 的 集中 型 大 功 率 逆 变 器 。（ 2） 高 电 压 穿 越要 求 电 站 电 网 电 压 上 升 到 额 定 电 压 的1.2 倍 时 ， 逆 变 器 至 少 要 保 持 10 s 不 脱 网 运行 ； 电 站 电 网 电 压 上 升 到 额 定 电 压 的 1.3 倍时 ， 逆 变 器 至 少 要 保 持 500 ms 不 脱 网 运 行（ 图 6 ） 。高 电 压 对 逆 变 器 的 硬 件 要 求 较 高 。 相 对 而言 ， 大 功 率 逆 变 器 中 元 器 件 的 容 量 和 裕 量 要 高于 组 串 型 逆 变 器 。（ 3） 有 功 功 率 和 无 功 功 率 控 制要 求 逆 变 器 具 备 快 速 、 大 容 量 、 高 精 度 的有 功 无 功 的 控 制 和 调 度 调 节 响 应 能 力 。（ 4） 电 能 质 量 要 求电 能 质 量 的 判 断 和 衡 量 ， 围 绕 三 相 电 压 和三 相 电 流 不 平 衡 度 、 闪 变 、 电 流 谐 波 、 间 谐 波 等指 标 进 行 。除 了 上 述 几 个 关 键 要 求 外 ， 对 光 伏 电 站 过欠 压 、 过 欠 频 的 脱 网 测 试 和 防 孤 岛 测 试 的 动 作阀 值 、 精 度 和 时 间 等 方 面 ， 国 内 的 相 关 标 准 都有 严 格 的 要 求 。4.2 分 布 式 电 站 并 网 指 令为 了 规 范 接 入 配 电 网 的 分 布 式 发 电 系 统的 技 术 要 求 ， 我 国 在 2012 年 出 台 了 “ GB -T29319-2012 光 伏 发 电 系 统 接 入 配 电 网 技 术 规定 ” 。 另 外 ， 中 国 南 方 电 网 有 限 公 司 起 草 了 “ 分布 式 光 伏 发 电 系 统 接 入 电 网 技 术 规 范 ” 。 为 了更 加 有 序 、 安 全 可 靠 、 大 规 模 地 推 广 发 展 分 布式 发 电 ， 光 伏 行 业 正 在 考 虑 编 写 更 高 要 求 的国 家 标 准 和 技 术 规 范 。 德 国 在 分 布 式 发 电 领域 规 模 化 应 用 的 成 熟 经 验 值 得 我 们 借 鉴 。 德国 80% 以 上 的 光 伏 电 站 为 分 布 式 发 电 ， 主 要执 行 标 准 有 IEC62109 ， VDE0126 ， “ VDE -AR -N4105 -2011 -08 Power Generation SystemsConnected to the Low -Voltage DistributionNetwork ” 。图 5 国 内 低 电 压 穿 越 标 准 曲 线Fig.5 Standard LVRT curve applied in China时间 /s-1 0.015 0.625 1 2 3 4光伏电站并网点电压/p.u1.21.00.80.60.40.20曲线 1要求光伏发电站不脱网连续运行光伏电站可以从电网切出图 6 国 内 高 电 压 穿 越 标 准 曲 线Fig.6 Standard HVRT curve applied in China时间 /s-1 0.05 （ T1） 10（ T2） 1.4光伏电站并网点电压/p.u1.41.31.21.11.00.5电网故障引起电压升高要求光伏发电站不脱网连续运行光伏电站可以从电网切出U1U2· 1009·倪 华 ， 等 光 伏 电 站 科 学 设 计 的 关 键 问 题（ 2） 运 行 维 护表 5 为 集 中 型 和 组 串 型 主 流 机 型 方 案 在某 100 MW 电 站 的 运 行 维 护 数 据 对 比 。 表 5中 ， 逆变器故障率均为 2% ， 电价为 0.9 元 /kWh 。集 中 型 方 案 为 500 kW × 200 台 ， 单 台 设 备 平 均维 修 成 本 比 例 为 25% ， 单 台 设 备 损 失 满 负 载发 电 时 间 约 为 6 h 。 组 串 型 方 案 为 30 kW ×3 400 台 ， 单 台 设 备 平 均 维 修 成 本 比 例 为50% ， 单 台 设 备 损 失 满 负 载 发 电 时 间 约 为1 h 。 由 于 组 串 型 设 备 是 整 机 维 护 ， 集 中 型 设 备是 器 件 维 护 ， 因 此 集 中 型 设 备 维 护 成 本 优 势 非常 明 显 。 同 时 ， 在 占 地 面 积 相 当 大 的 100 MW级 大 规 模 电 站 中 ， 对 完 全 分 散 布 置 的 组 串 逆 变器 进 行 维 护 更 换 作 业 ， 工 作 人 员 路 途 上 用 的 时5 不 同 类 型 电 站 的 设 计5.1 荒 漠 电 站荒 漠 地 区 幅 员 宽 广 ， 地 势 平 坦 ， 气 候 稳 定 。在 荒 漠 电 站 中 ， 集 中 式 电 站 和 组 串 型 电 站 的 发电 量 基 本 持 平 。 集 中 式 电 站 在 最 高 效 率 和 过 载能 力 等 方 面 有 优 势 ， 发 电 量 略 高 于 组 串 式 。 另外 ， 在 初 始 投 资 、 运 维 投 资 以 及 电 网 友 好 性 等方 面 ， 集 中 式 电 站 优 势 显 著 。 因 此 ， 荒 漠 地 区 适宜 建 设 基 于 集 中 型 逆 变 器 的 大 规 模 集 中 式 光伏 电 站 。（ 1） 初 始 投 资 分 析分 析 初 始 投 资 主 要 考 虑 光 伏 电 站 的 建 设成 本 以 及 预 期 的 发 电 量 。 通 过 表 3 和 表 4 的 对比 可 知 ， 集 中 型 逆 变 器 方 案 的 单 位 投 资 比 组 串型 逆 变 器 方 案 的 单 位 投 资 约 节 省 26 万 元 /MW 。 另 外 ， 考 虑 超 配 过 载 能 力 ， 集 中 型 方 案 在大 型 荒 漠 电 站 中 发 电 量 优 于 组 串 型 逆 变 器 方案 。集 中 型 （ 以 集 装 箱 方 案 为 例 ） 组 串 式 （ 以 30 kW 单 机 为 例 ）规 格 投 资 成 本 /万 元 规 格 投 资 成 本 / 万 元直 流 汇 流 箱 PVS-16M 4.8~5.6 - -交 流 汇 流 箱 - - 6 进 1 出 3.0~4.8逆 变 室 及 配 套 10 呎 集 装 箱 6~8 （ 含 基 础 ） - -通 讯 柜 集 成 于 集 装 箱 平 台 中 - 室 外 壁 挂 式 0.2~0.5升 压 变 双 分 裂 20~22 双 绕 组 （ 含 低 压 侧 二 次 汇 流 ） 18~20电 缆 交 直 流 线 缆 10~18 交 直 流 线 缆 20~30逆 变 器 集 中 型 30 组 串 型 55总 投 资 70.8~83.6 96.2~110.3表 3 1 MW 光 伏 电 站 不 含 光 伏 组 件 初 投 资 的 建 设 成 本Table 3 Initial investment construction costs of a 1MW PV plant doesn t enclose PV modules设 备 名 称表 4 集 中 型 逆 变 器 和 组 串 型 逆 变 器 发 电 量 分 析 对 比 表Table 4 Analyzing and comparison of electric-power output between concentrated inverters and string inverters对 比 维 度 集 中 型 组 串 型 差 异 /% 发 电 量 影 响 计 算 与 分 析逆 变 转 换 效 率 /% 98.50 98.30 0.20 组 串 式 DC/DC+DC/AC 双 级 架 构 ， 效 率 低 。产 品 不 可 用 导致 发 电 量 损 失配 套 设 备 功 耗 /% 0.06 0 -0.06高 温 及 高 海 拔 导 致的 发 电 量 损 失 /%遮 挡 失 配 损 失 A A+ -0.50组 件 衰 减 失 配 A A -0.01直 流 电 缆 电 压 差 导致 的 失 配 损 失 /%电 缆 损 耗 /% 1.86 2.14 0.28 组 串 式 主 要 为 交 流 损 耗 ， 集 中 式 主 要 为 直 流 损 耗 。总 计 /% 0.38A A ＋ -0.01 综 合 故 障 率 、 单 机 功 率 和 维 护 时 间 影 响 ， 组 串 式 损 失 略 小 。直 流 汇 流 箱 与 交 流 汇 流 箱 功 耗 相 当 ， 逆 变 室 风 扇 功 耗 折 算 至 一 天约 3 kWh 。组 串 式 工 作 于 室 外 ， 夏 季 好 时 段 及 高 海 拔 应 用 需 降 额 。 换 算 至 全年 发 电 量 差 异 达 0.5% 左 右 。0 0.50 0.50不 存 在 朝 向 不 一 致 和 遮 挡 引 起 的 失 配 问 题 。 云 层 导 致 的 阴 影 遮 挡损 失 组 串 式 比 集 中 式 低 0.5% 左 右 。组 件 衰 减 不 一 致 及 灰 尘 遮 挡 均 按 正 态 分 布 在 方 阵 中 ， 组 串 式 多 路MPPT 无 明 显 改 善 。0.05 0 -0.02 集 中 式 直 流 电 缆 电 压 差 导 致 的 失 配 损 失 约 为 150 W 。可再生能源 2015， 33（ 7）· 1010·间 远 高 于 进 行 设 备 更 换 时 间 ， 这 也 是 组 串 型 机型 很 少 应 用 于 大 型 电 站 的 原 因 之 一 。（ 3） 电 网 友 好 性高 压 输 电 网 在 调 度 响 应 、 故 障 穿 越 、 限 发 、超 发 、 平 滑 、 谐 波 限 制 、 功 率 变 化 率 、 紧 急 启 停等