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摘要：近年来，光伏产业在国家政策的大力支持下，得到迅速发展，光伏电站建设规模不断扩大，经济效益不断提升。根据本人近年来从事光伏电站EPC总承包工作经验，对光伏电站电气设计进行了简要分析，希望可以为相关从业人员提供参考。
关键词：光伏发电；电气设计；研究
引言
目前我国能源结构仍以煤为主，燃煤废弃排放产生的大气污染对国家经济发展带来的环境问题已日益突出，严重阻碍了社会可持续发展。太阳能光伏发电具有高效、无噪声、无污染、可再生的特点，是一种理想的可再生能源发电技术，因此把光伏发电作为新能源开发研究重点十分必要。
1光伏电站简介
光伏电站的能量来源主要是太阳能，电站所运用的材料设备通常有逆变器、晶硅板、箱变、汇流箱等，光伏电站和电网进行连接，同时将电能传输给相连的电网，这样便组成了一个完整的光伏发电系统。按光伏电站安装环境的不同主要分为山丘光伏、荒漠光伏、水上光伏、屋顶光伏。
2主要设备选型
2.1光伏组件
太阳能光伏电池从其选用的材料可分为两类：晶硅电池、薄膜电池。
在最近几年，由于硅材料成本直线减少，硅晶组件以较佳的性价比和成熟的技术占有绝对优势，是当前太阳能光伏电池的主流，薄膜电池几乎处于停滞状态。晶硅电池分为单晶硅和多晶硅，多晶硅太陽能电池的生产工艺与单晶硅基本相同，使用了多晶硅铸锭工艺取代单晶硅硅棒生长工艺，工业规模生产的转换效率略低于单晶硅电池的水平。但和单晶硅电池相比，多晶硅电池虽然效率有所降低，但是节约能源，节省硅原料，达到工艺成本和效率的平衡。通过市场调查，国内主流厂商生产的晶硅太阳能组件应用于大型并网光伏发电系统的，其规格多数在245Wp～315Wp之间居多，对于规模较大项目，光伏组件的选型应该优先考虑效率较高的大功率光伏组件，以降低造价并提高系统效率。
2.2光伏逆变器
光伏逆变器是将光伏组件输出的直流电转换为交流电的装置，并网逆变器是光伏发电系统中的关键设备，对于光伏系统的转换效率和可靠性具有举足轻重的地位。光伏逆变器根据其功率等级、内部电路结构及应用场合不同，一般可分为集中型逆变器、组串型逆变器和微型逆变器三种类型。
集中式与组串式逆变器系统组成分析：
（1）集中式逆变器：光伏组件，直流电缆，汇流箱，直流电缆，直流汇流配电，直流电缆，逆变器，隔离变压器，交流配电，电网。
（2）组串式逆变器：组件，直流电缆，逆变器，交流配电，电网。
逆变器选型的主要技术原则如下：（1）性能可靠，效率高；（2）要求直流输入电压有较宽的适应范围；（3）具有保护功能；（4）波形畸变小，功率因数高；（5）监控和数据采集。
逆变器作为组件和电网之间的桥梁，是光伏系统的核心部件。根据电站规模、以及不同的应用场合，选择合适的逆变器，对系统成本和发电量都大有益处。
2.3光伏汇流箱
方阵连接盒是连接太阳电池方阵和逆变器专用器件，主要功能有太阳电池过载维护、雷击维护、过压维护、多路太阳能方阵并联等功能。在设计选型时，重点要求箱体结构、光伏组串过流维护、防雷、通信、显示功能、外壳防护等级、安全、浪涌、环境要求、温升等十个方面的因素。
3光伏电站电气设计与发电效率测算
3.1电气主接线并网型
光伏电站的集电线路方案一般选用每个发电单元分别接入10kv或35kV配电装置的方案。该方案简略明晰、安全可靠、运行灵敏、便于维护管理。站用电并网型光伏电站一般设置两台站用变压器，一台工作变压器由市电电源引接，另一台备用变压器由发电厂内的高压配电装置引接。站用变压器一般主要为控制周边负荷供电，不为就地逆变站的负荷供电。因为目前国内光伏发电的电价比当地农电或市电价格高，在实际运行中，通常将引接在施工电源的变压器作为工作变压器运用，以减少运行成本。
3.2监控系统
目前光伏电站按“无人值班”（少人值守）的原则进行设计。电站采用以计算机监控系统为基础的监控方式，计算机监控系统应满足全站安全运行监视和控制所要求的全部设计功能。一般在主控室内放置监控操作台，负责光伏电站的电力信息监控、故障报警等功能，集中监控的对象包括直流汇流箱、逆变器、升压变、断路器及其他的辅助设备等。通常选用光纤作为光伏电站中监控系统通信线路，因为传输距离比较长，使用光纤可以避免电场等不良因素的干扰，能够十分有效的保障监控系统的各项性能。光伏发电站中，可靠性是我们对于监控系统最重视的性能，监控环节应该尽可能多的设置，这样对于电站的可把控性更高。
3.3设计发电单元分组连接方式
光伏电站集电线路的设计过程中，需要合理的设计发电单元分组连接方式以及科学的选择集电线路电压等级。通过对国内电网实际运行状况进行分析，光伏场区至升压站的输电线路电压等级通常选用两种方案，即lOkV和35kV。发电单元分组连接方式主要包括三种，星形、环形以及链形。因为光伏电站度电投资成本过高，在很大程度上制约了光伏发电的发展，在系统设计时应尽力减少成本提高光伏发电的竞争力，所以光伏发电单元分组连接方式引荐采用链式连接，能够有效减少光伏电站投资成本。
3.4过电压维护及接地
根据有关规定，我们一般不在普通地区的发电厂的主控制室、主厂房以及配电装置室位置安装预防直击雷的设备，但是若处于雷电发生十分频繁的地域，这些位置我们通常会安装防雷设备。避雷、防雷装置应符合《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010要求，接地应符合《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》GB50169-2006要求，光伏发电系统防雷包括直击雷和感应雷，防雷接地电阻小于4Ω，接地电阻通过电阻测量仪测量。
4.并网光伏发电系统的总效率测算（PR）
进行发电量的估算首先要算出并网光伏发电系统的总效率，光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率、逆变器的效率、交流并网效率三部分组成。
（1）光伏阵列效率η1光伏阵列在1000W/m2太阳辐射强度下，实际的直流输出功率与标称功率之比。光伏阵列在能量转换与传输过程中的损失包括：组件匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度的影晌以及直流线路损失等。
（2）逆变器的转换效率η2：逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比。包括逆变器转换的损失、最大功率点跟踪（MPPT）精度损失等。
（3）交流并网效率η3：即从逆变器输出至高压电网的传输效率，其中最主要的是升压变压器的效率和交流电气连接的线路损耗。
（4）晶体硅光伏组件在光照及常规大气环境中使用会有衰减，根据所使用的光伏光伏组件性能，每年输出衰减量为约为0.7%。
根据项目设备选型及阵列布置方案，可以借助专业光伏系统设计软件PVsyst进行分析计算，总的系统加权平均效率为一般不低于80%。
结语
综上所述，我国光伏并网装备和关键技术逐渐被人们所重视，并且正在快速发展。电气设计技术已经十分成熟，但是在系统造价方面还有一定的提高空间。相信随着我们不断的努力，加之科学技术的提高，我国光伏发电领域一定会取得更好的成果。
参考文献：
[1]曹子丕.大唐新能源光伏发电项目方案优化研究[D].长春：吉林大学，2016.
[2]葛庆.0.98MW并网光伏电站设计[D].湘潭：湖南科技大学，2016.
[3]明瑞.20MW光伏发电系统研究与设计[D].湘潭：湖南科技大学，2016.
关键词：光伏发电；电气设计；研究
引言
目前我国能源结构仍以煤为主，燃煤废弃排放产生的大气污染对国家经济发展带来的环境问题已日益突出，严重阻碍了社会可持续发展。太阳能光伏发电具有高效、无噪声、无污染、可再生的特点，是一种理想的可再生能源发电技术，因此把光伏发电作为新能源开发研究重点十分必要。
1光伏电站简介
光伏电站的能量来源主要是太阳能，电站所运用的材料设备通常有逆变器、晶硅板、箱变、汇流箱等，光伏电站和电网进行连接，同时将电能传输给相连的电网，这样便组成了一个完整的光伏发电系统。按光伏电站安装环境的不同主要分为山丘光伏、荒漠光伏、水上光伏、屋顶光伏。
2主要设备选型
2.1光伏组件
太阳能光伏电池从其选用的材料可分为两类：晶硅电池、薄膜电池。
在最近几年，由于硅材料成本直线减少，硅晶组件以较佳的性价比和成熟的技术占有绝对优势，是当前太阳能光伏电池的主流，薄膜电池几乎处于停滞状态。晶硅电池分为单晶硅和多晶硅，多晶硅太陽能电池的生产工艺与单晶硅基本相同，使用了多晶硅铸锭工艺取代单晶硅硅棒生长工艺，工业规模生产的转换效率略低于单晶硅电池的水平。但和单晶硅电池相比，多晶硅电池虽然效率有所降低，但是节约能源，节省硅原料，达到工艺成本和效率的平衡。通过市场调查，国内主流厂商生产的晶硅太阳能组件应用于大型并网光伏发电系统的，其规格多数在245Wp～315Wp之间居多，对于规模较大项目，光伏组件的选型应该优先考虑效率较高的大功率光伏组件，以降低造价并提高系统效率。
2.2光伏逆变器
光伏逆变器是将光伏组件输出的直流电转换为交流电的装置，并网逆变器是光伏发电系统中的关键设备，对于光伏系统的转换效率和可靠性具有举足轻重的地位。光伏逆变器根据其功率等级、内部电路结构及应用场合不同，一般可分为集中型逆变器、组串型逆变器和微型逆变器三种类型。
集中式与组串式逆变器系统组成分析：
（1）集中式逆变器：光伏组件，直流电缆，汇流箱，直流电缆，直流汇流配电，直流电缆，逆变器，隔离变压器，交流配电，电网。
（2）组串式逆变器：组件，直流电缆，逆变器，交流配电，电网。
逆变器选型的主要技术原则如下：（1）性能可靠，效率高；（2）要求直流输入电压有较宽的适应范围；（3）具有保护功能；（4）波形畸变小，功率因数高；（5）监控和数据采集。
逆变器作为组件和电网之间的桥梁，是光伏系统的核心部件。根据电站规模、以及不同的应用场合，选择合适的逆变器，对系统成本和发电量都大有益处。
2.3光伏汇流箱
方阵连接盒是连接太阳电池方阵和逆变器专用器件，主要功能有太阳电池过载维护、雷击维护、过压维护、多路太阳能方阵并联等功能。在设计选型时，重点要求箱体结构、光伏组串过流维护、防雷、通信、显示功能、外壳防护等级、安全、浪涌、环境要求、温升等十个方面的因素。
3光伏电站电气设计与发电效率测算
3.1电气主接线并网型
光伏电站的集电线路方案一般选用每个发电单元分别接入10kv或35kV配电装置的方案。该方案简略明晰、安全可靠、运行灵敏、便于维护管理。站用电并网型光伏电站一般设置两台站用变压器，一台工作变压器由市电电源引接，另一台备用变压器由发电厂内的高压配电装置引接。站用变压器一般主要为控制周边负荷供电，不为就地逆变站的负荷供电。因为目前国内光伏发电的电价比当地农电或市电价格高，在实际运行中，通常将引接在施工电源的变压器作为工作变压器运用，以减少运行成本。
3.2监控系统
目前光伏电站按“无人值班”（少人值守）的原则进行设计。电站采用以计算机监控系统为基础的监控方式，计算机监控系统应满足全站安全运行监视和控制所要求的全部设计功能。一般在主控室内放置监控操作台，负责光伏电站的电力信息监控、故障报警等功能，集中监控的对象包括直流汇流箱、逆变器、升压变、断路器及其他的辅助设备等。通常选用光纤作为光伏电站中监控系统通信线路，因为传输距离比较长，使用光纤可以避免电场等不良因素的干扰，能够十分有效的保障监控系统的各项性能。光伏发电站中，可靠性是我们对于监控系统最重视的性能，监控环节应该尽可能多的设置，这样对于电站的可把控性更高。
3.3设计发电单元分组连接方式
光伏电站集电线路的设计过程中，需要合理的设计发电单元分组连接方式以及科学的选择集电线路电压等级。通过对国内电网实际运行状况进行分析，光伏场区至升压站的输电线路电压等级通常选用两种方案，即lOkV和35kV。发电单元分组连接方式主要包括三种，星形、环形以及链形。因为光伏电站度电投资成本过高，在很大程度上制约了光伏发电的发展，在系统设计时应尽力减少成本提高光伏发电的竞争力，所以光伏发电单元分组连接方式引荐采用链式连接，能够有效减少光伏电站投资成本。
3.4过电压维护及接地
根据有关规定，我们一般不在普通地区的发电厂的主控制室、主厂房以及配电装置室位置安装预防直击雷的设备，但是若处于雷电发生十分频繁的地域，这些位置我们通常会安装防雷设备。避雷、防雷装置应符合《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010要求，接地应符合《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》GB50169-2006要求，光伏发电系统防雷包括直击雷和感应雷，防雷接地电阻小于4Ω，接地电阻通过电阻测量仪测量。
4.并网光伏发电系统的总效率测算（PR）
进行发电量的估算首先要算出并网光伏发电系统的总效率，光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率、逆变器的效率、交流并网效率三部分组成。
（1）光伏阵列效率η1光伏阵列在1000W/m2太阳辐射强度下，实际的直流输出功率与标称功率之比。光伏阵列在能量转换与传输过程中的损失包括：组件匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度的影晌以及直流线路损失等。
（2）逆变器的转换效率η2：逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比。包括逆变器转换的损失、最大功率点跟踪（MPPT）精度损失等。
（3）交流并网效率η3：即从逆变器输出至高压电网的传输效率，其中最主要的是升压变压器的效率和交流电气连接的线路损耗。
（4）晶体硅光伏组件在光照及常规大气环境中使用会有衰减，根据所使用的光伏光伏组件性能，每年输出衰减量为约为0.7%。
根据项目设备选型及阵列布置方案，可以借助专业光伏系统设计软件PVsyst进行分析计算，总的系统加权平均效率为一般不低于80%。
结语
综上所述，我国光伏并网装备和关键技术逐渐被人们所重视，并且正在快速发展。电气设计技术已经十分成熟，但是在系统造价方面还有一定的提高空间。相信随着我们不断的努力，加之科学技术的提高，我国光伏发电领域一定会取得更好的成果。
参考文献：
[1]曹子丕.大唐新能源光伏发电项目方案优化研究[D].长春：吉林大学，2016.
[2]葛庆.0.98MW并网光伏电站设计[D].湘潭：湖南科技大学，2016.
[3]明瑞.20MW光伏发电系统研究与设计[D].湘潭：湖南科技大学，2016.