獨立光伏發電系統的規范化研究

鄒仕強

(中煤科工集團 武漢設計研究院有限公司， 湖北 武漢 430064)

0 引言

太陽能屬于可再生的清潔能源，光伏發電一直受到國家相關政策的鼓勵與支持。當負荷較小，且位于偏遠地區，從電網獲取電源困難或不經濟時，獨立光伏發電系統是一個清潔、高效、安全可靠的電源獲取途徑。但由于應用場景相對較少，現行國家規范及標準圖集如文獻[1-3]主要針對并網光伏發電系統，相關研究也多集中在某一個參數的選擇與計算，缺乏系統性設計流程及全部關鍵參數的選擇與計算。文獻[4-5]主要針對太陽能電池組件傾角進行分析，文獻[6-7]側重儲能系統或蓄電池容量的優化配置，文獻[8]則利用Matlab進行仿真，進一步對蓄電池儲能單元的特性進行研究。文獻[9]主要研究了獨立光伏系統中蓄電池計算所需要的連續陰雨天數。文獻[10]雖有獨立光伏發電系統的組成內容介紹，但重點在于講解利用PVsyst軟件模擬仿真。依托神渭管道輸煤工程的設計及建設，結合現行規范及圖集，對獨立光伏發電系統的設計步驟及關鍵參數計算進行了研究與綜合，提出了等效日均負荷的定義及計算公式，提出了工程設計邏輯框圖，可供標準化、規范化工程設計使用。

1 工程概述

管道輸煤是一種新型的輸煤方式，隨著神渭輸煤管道投料試運行的成功，管道輸煤作為與傳統的公路、鐵路及輸送帶運輸相比更為環保，在一定距離下更為經濟的全新輸煤方式開始引起廣泛關注，為煤炭高效、清潔輸送和利用提供了技術保障。

神渭輸煤管道工程全長727 km，設計輸送能力為10.0 Mt/a。管道沿線設有6個截斷閥室、24個壓力監測站及1個調壓站。截斷閥室及壓力監測站常用設備功率較小，主要為SDH設備、云臺攝像機、PLC、照明等，總功率不超過300 W。1～4號截斷閥室有球閥2個，功率均為3 kW；5～6號截斷閥室2個球閥功率均為1.5 kW。所有截斷閥室電動閥僅在事故或緊急情況下工作，工作時間2 min左右。這些截斷閥室及壓力監測站常用持續負載功率較小，大部分位于偏遠地帶，附近無合適電源，從電網取得電源不經濟，比較適合采用光伏發電系統供電。

2 光伏發電系統

光伏發電系統也稱太陽能發電系統，其原理是利用光電效應，將太陽能轉換為電能。自用而不接入公用電網的發電系統為獨立發電系統，反之則為并網發電系統。

獨立光伏發電系統按功能模塊劃分的流程如圖1所示。

獨立光伏發電系統的設計核心需要解決的問題是：光伏安裝容量、蓄電池容量、光伏組件選擇及串并聯數量，光伏組件安裝傾角、控制器參數選擇、逆變器參數選擇。圖1中匯流箱不是必需的，交流配電柜由負荷配電回路決定，與光伏發電系統關聯不大。

圖1 獨立光伏發電系統

3 設計過程及方法

針對獨立光伏發電系統設計需要解決的核心問題，列出獨立光伏發電系統設計邏輯框圖，如圖2所示。具體步驟為：

1) 負荷統計計算，確定負荷容量及連續工作時間。

2) 分析當地太陽能資源及天氣數據。

3) 計算光伏組件安裝容量及傾角。

4) 計算蓄電池容量。

5) 初步選定光伏電池參數，計算串并聯數量。

6) 初步布置，若布置面積超標，則跳轉至第5步重新選擇光伏組件至布置滿足要求。

7) 匯流箱及控制器選擇。

8) 離網逆變器的選擇。

圖2 獨立光伏發電系統設計邏輯框圖

3.1 負荷計算

工程設計流程首先需確定負荷容量，不同負荷工作時間不同，按照能量守恒方式，各類負荷額定功率與工作時間之積的總和為總能量需求，除以24 h定義為負荷等效日平均功率，即：

(1)

式中:Pi,i=1,2,…,n是各類負荷額定功率，kW；Ti,i=1,2,…,n是各負荷對應的每日工作時間，h；P0是等效日平均功率，等于每日全部用電量除以24 h。

3.2 太陽能資源分析

太陽能資源分析主要依靠軟件進行，參考文獻[4]對各類仿真軟件的優缺點進行了對比，參考文獻[5]利用PVsyst進行了仿真設計。本文選擇PVsyst軟件進行仿真分析。輸入項目所在地經緯度，可獲取項目所在地的太陽輻射數據。通過軟件獲取太陽輻射最差月份日均水平面太陽總輻射量HA，單位為kWh/m2/d，以備光伏組件安裝容量計算使用。

3.3 計算光伏組件容量及傾角

獨立光伏安裝容量公式[3]：

P=(Pe×D×K×Es)/(Hf×η)

(2)

式中:Pe為計算負荷，kW；D為每天用電小時數,h；當采用式(1)中的等效日均負載時，D取24 h。Hf為太陽輻射能量最小月的日平均水平面上總輻射量，單位為kWh/m2/d，在我國通常為1月太陽輻射能量最??；K為可靠系數，表征不間斷陰雨天的裕量值，其范圍可取1.2～2.0；η為效率系數，考慮整體系統效率，一般取0.85；Es為常數，表示特定情況下的太陽輻射強度，值為1 kW/m2。

傾角計算一方面考慮全年日均輻射量較均衡，另一方面要滿足冬季日均輻射量盡量取得最大值[6]。這與并網型光伏陣列傾角要求全年最大發電量是不同的。

3.4 蓄電池容量計算

目前儲能裝置以鉛酸蓄電池為主[7]，計算公式[3]：

Ca=1 000D×Fc×P0/(U×Ka)/Vs

(3)

式中:Ca為蓄電池總容量，Ah;D為最長連續無日照用電小時數;Fc為蓄電池放電倍率調節系數，一般取1.05;P0為等效日均功率，kW;U為蓄電池放電深度，取值范圍0.5～0.8;Ka為綜合效率，一般為0.7～0.8；Vs為電池組額定電壓，V。

3.5 光伏電池選擇，串并聯計算

光伏組件串并聯數量取決于系統電壓及電流[9]，所選光伏電池功率應滿足Pe×Nc×Nb≥P。Pe為所選光伏電池組件額定功率,Wp;Nc為串聯組件數;Nb為并聯組件數。顯然電池組件單位面積的功率越大，同等功率占地面積越小。當然單位組件功率越大,價格越高，實際工程設計時應綜合考慮。串并聯數量計算公式[3]

串聯數：Nc=Vsc/Vm

(4)

并聯數：Nb=P/(Pm×Nc)

(5)

式中:Vsc為蓄電池組浮充電壓,V;Vm為光伏電池峰值工作電壓,V;Pm為所選光伏組件峰值功率,kWp。

3.6 組件陣列布置

組件陣列布置距離D應保證冬至日有效日照時間內，前后光伏組件上無陰影遮蓋。在北半球即為12月22日9:00～15:00(真太陽時)的時間段內，前后組件上無陰影。傾角計算示意如圖3所示[3]：

圖3 光伏傾角計算示意圖

光伏陣列間不遮擋的最小間距D計算公式[3]：

D=L×cosβ

(6)

β=arcsin(cosδsinω/cosα)

(7)

α=arcsin(sinφsinδ+cosφcosδcosω)

(8)

L=H/tanα=Ls×sinZ/tanα

(9)

式中：D為陣列的間距，m；L為光伏組件投影長度，m；H為光伏組件高度，m；LS為組件斜長，可查詢產品參數獲得，m；Z為太陽能光伏組件傾角；α為某日某時刻太陽高度角；β為某日某時刻太陽方位角，北半球，中午12時正南方向β為0；φ為當地緯度；δ為某日的赤緯角；ω為某刻的時角；δ與ω均按北半球冬至日上午9時計算取值，其中δ=-23.45°，ω=45°。

3.7 匯流箱與控制器選擇

一般小功率控制器為單回路輸入，大功率(10 kW及以上)控制器為多回路輸入。對于單回路控制器，應安裝匯流箱。匯流箱輸入回路K≥Nb，匯流箱每回輸入回路應設組串過流保護電器，保護電器額定電流In應滿足[3]：

1.5Isc≤In≤2.4Isc

(10)

且In≤Iumax

(11)

式中:Isc為所選光伏組件短路電流，在標準測試條件下測得，可由產品樣本獲得，A。Iumax為光伏組件最大熔斷器額定電流，A。

控制器選擇主要考慮：系統工作電壓Un；額定輸入電流Ie；最大充電電流Ic；額定負載電流Ip。Un取蓄電池組工作電壓，Ie應不小于組件或方陣輸出電流，Ic取組件或方陣最大輸出電流，Ip應與逆變器選擇相匹配，滿足逆變器輸入要求。

3.8 逆變器選擇

逆變器選擇主要考慮：系統工作電壓，即逆變器直流輸入電壓;額定容量S，應按負載容量及負載特性選擇。逆變器容量應大于負載容量，同時對于感性負載應考慮沖擊系數，沖擊系數一般取5～7，對于阻性負載，取1.5，容性負載建議取2.5。

(12)

式中:S為逆變器額定容量，kW;K為沖擊系數，Pi為各類負載;Pm為對應不同沖擊系數的最大負載，kW;η為逆變器效率，容量越大，效率越高，一般10 kW以下逆變器效率為0.85～0.9。上式表示計算不同沖擊系數下的最大負載與其他負載之和，取最大值。

4 工程設計實例

以神渭輸煤管道工程為例，按上述8個步驟進行太陽能發電系統設計。

4.1 負荷計算

表1 壓力監測站及截斷閥室負荷統計表

4.2 太陽能資源分析

利用PVsyst 6.7軟件獲取太陽輻射最差月份日均水平面太陽總輻射量HA。因工程分布線路長，延安以北取榆林市太陽能輻射數據，延安及以南則取延安市太陽輻射數據。

4.3 光伏組件容量及傾角

按式(2)計算光伏組件容量：

P=Pe×D×K×Es/(Hf×η)=0.306×24×

1.3×1/(2.55×0.85)=4.402 kWp

因負載平均功率差別不大，因此按最大值取，計算光伏組件容量應不小于4.402 kWp，確定選擇4.8 kWp。

利用PVsyst軟件仿真，榆林地區離網光伏系統傾角選擇47°，延安地區選擇45°,如圖4所示。

4.4 蓄電池容量計算

蓄電池容量計算需要考慮連續陰雨天數，參考文獻[10]對此進行了詳細分析，我國西部地區多數氣象站點的平均連續陰雨天數在2 d以下[10]。本工程按3 d計算，同時考慮前一晚供電12 h，總計84 h。

蓄電池電壓則按負荷供電的要求，選取直流220 V系統，由18塊12 V免維護密封鉛酸蓄電池組成，12 V單體電池浮充電壓為13.65 V。按式(3)計算：

Ca=1 000D×Fc×P0/(U×Ka)/Vs=1 000×

84×1.05×0.306/(0.7×0.75)/216=

237.87 kWp

計算結果選擇標準容量250 AH。

4.5 光伏電池選擇，串并聯計算

光伏容量4.8 kWp，初步選擇36 V，200 Wp多晶硅光伏電池，其峰值工作電壓為36.95 V。由式(4)可得串聯數：Nc=Vsc/Vm=(18×13.65)/36.95=6.65。取Nc為8塊。由式(5)可得并聯數：Nb=P/(Pm×Nc)=4.8/(0.2×8)=3，最終選擇8串3并。

4.6 組件陣列布置

所選光伏組件斜長1 580 mm，前排單串，后排2串布置，各站點緯度分布在38.8°～36.6°之間，依據公式(6)～(9)，最終計算陣列間距最大值為3.24 m(神木緯度38.83，傾角47°)，最小為2.52 m(渭南緯度34.5，傾角45°)。

4.7 匯流箱與控制器選擇

標準測試條件下所選光伏電池短路電流為5.65 A，最大熔斷器額定電流為15 A。由式(10)、(11)可推得8.48 A≤In≤13.56 A且In≤15 A。因此匯控箱內選擇額定電流為10 A的光伏專用直流斷路器，額定絕緣電壓1 000 V?？刂破黝~定工作電壓220 V， 額定輸入電流25 A×2，額定充電電流50 A，額定負載電流25 A×2。

4.8 逆變器選擇

逆變器額定輸入工作電壓DC 220 V，容量分2種情況，一是普通壓力監測站，主要為阻性及感性負載，最大工作負載為0.31 kW，額定輸出電壓AC 220 V，依據式(12)，S>5×0.31/0.85=1.8 kW。選擇2 kW逆變器。對于截斷閥室，含3 kW截斷閥時，S>max{0.31+7×3，3+5×0.31}/0.85=25.07 kW；選擇30 kW逆變器，額定輸出電壓AC 380 V。含1.5 kW截斷閥時S>max{0.31+7×1.5，1.5+5×0.31}/0.85=12.72 kW；選擇20 kW逆變器，額定輸出電壓AC 380 V。

5 結論

按以上標準化流程設計出的獨立光伏發電系統安裝在神渭輸煤管道沿線壓力監測站及截斷閥室屋頂，共安裝了22套。2020年9月，神渭輸煤管道帶漿試運行成功，沿線太陽能發電系統運行良好。壓力監測站太陽能發電系統內部、外部安裝完成照如圖5、圖6所示。

圖5 壓力監測站太陽能發電系統外部安裝完成照

離網型光伏電站容量通常較小，應用場合也較少，相應的國家標準及規范不完善。本文以工程實際結合部分規范及參考文獻，指出離網型光伏電站設計需要解決的核心問題，提出等效日均負荷定義及計算方法，進而列出工程全過程設計邏輯框圖。經神渭管道輸煤工程運行檢驗，本文步驟及方法是全面可靠的，可作為類似工程設計參考。