0引言

在全球能源危機(jī)與環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻的背景下,太陽能作為一種清潔、可再生能源,在能源結(jié)構(gòu)中的地位愈發(fā)重要。光伏發(fā)電技術(shù)憑借其無噪聲、無污染、維護(hù)簡便等優(yōu)勢,得到了廣泛的應(yīng)用與快速的發(fā)展。截至2025年,全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量已突破1 500 GW,我國作為全球最大的光伏市場,裝機(jī)容量占比超過35%。然而,隨著光伏發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大,其并網(wǎng)運(yùn)行所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)也逐漸凸顯,如并網(wǎng)穩(wěn)定性控制、電能質(zhì)量優(yōu)化、系統(tǒng)安全防護(hù)等問題,成為制約光伏發(fā)電高效利用的關(guān)鍵因素。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)通常采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的并網(wǎng)模式,這種模式在提高能源利用效率的同時,也對并網(wǎng)技術(shù)提出了更高的要求。如何確保光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、高效連接,實(shí)現(xiàn)電能的高質(zhì)量傳輸與分配,成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工程界研究的熱點(diǎn)課題。本文以鶴山市鶴華中學(xué)138.65 kWp分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目為研究對象,深入剖析光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)技術(shù)要點(diǎn),并從多維度探討優(yōu)化設(shè)計策略,旨在為同類項(xiàng)目提供可借鑒的技術(shù)方案與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)分析

1.1 并網(wǎng)模式與標(biāo)準(zhǔn)體系

鶴華中學(xué)光伏發(fā)電項(xiàng)目采用0.4 kV低壓并網(wǎng)方式,遵循“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的運(yùn)行原則ó該模式下,光伏系統(tǒng)所發(fā)電力優(yōu)先供校內(nèi)負(fù)荷使用,多余電量接入公共電網(wǎng),既能提高能源自給率,又能減少對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴。項(xiàng)目設(shè)置4個并網(wǎng)點(diǎn),分別接入科學(xué)館、綜合教學(xué)樓、馮漢柱樓和李佩瑤樓的低壓分接箱,通過低壓電纜與校內(nèi)0.4 kV母線連接,這種多點(diǎn)并網(wǎng)方式可有效降低線路損耗,提高系統(tǒng)供電可靠性ó項(xiàng)目設(shè)計嚴(yán)格遵循國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

1.2 并網(wǎng)逆變器技術(shù)

項(xiàng)目選用逆變器進(jìn)行光伏電能轉(zhuǎn)換。 逆變器的選型充分考慮了組件的電氣特性,確保在不同光照條件下都能實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。

逆變器采用先進(jìn)的矢量控制技術(shù),能夠?qū)崟r調(diào)整輸出電壓和頻率,使其與電網(wǎng)電壓和頻率保持同步。同時,具備完善的保護(hù)功能,包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、短路保護(hù)等,當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)異常情況時,能在規(guī)定時間內(nèi)切斷與電網(wǎng)的連接,確保設(shè)備和人員安全。逆變器最大輸入電壓Uinverter-max=1 000 V,則每組串最大組件數(shù)量N為[1]:

式中:Voc為光伏組件開路電壓。

根據(jù)計算結(jié)果,本項(xiàng)目實(shí)際每組串串聯(lián)18塊組件,確保工作電壓U=18×51.63=929.34 V<1000 V。逆變器采用擾動觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制(MPPT),跟蹤效率ηMPPT計算公式為:

式中:PMPPT為實(shí)際跟蹤功率,本項(xiàng)目典型值為585 W;

PSTC為標(biāo)準(zhǔn)測試條件(STC)下的額定功率,PSTC=590 Wó則計算可得ηMPPT≈99.15%。

1.3電能質(zhì)量控制技術(shù)

光伏系統(tǒng)并網(wǎng)時,逆變器的開關(guān)動作會產(chǎn)生諧波電流,注入電網(wǎng)后會導(dǎo)致電壓波形畸變,影響電能質(zhì)量。項(xiàng)目在逆變器交流側(cè)安裝了高性能的諧波濾波器,可有效抑制各次諧波分量,將諧波含量控制在GB/T14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的限值以內(nèi)。此外,合理設(shè)計電纜敷設(shè)路徑,減少諧波在傳輸過程中的放大效應(yīng)。LC濾波器諧振頻率f0計算公式為:

式中:L和C分別為電感和電容值,L=4mH,C=100 μF。

解得f0≈251.7 Hz,可有效抑制5次諧波(250 Hz)。

當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動或頻率偏移時,光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行會受到影響。項(xiàng)目通過逆變器的自動調(diào)節(jié)功能,對輸出電壓和頻率進(jìn)行實(shí)時校正。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在額定電壓的85%~110%范圍內(nèi)時,系統(tǒng)能正常運(yùn)行;當(dāng)電壓超出該范圍時,逆變器會根據(jù)GB/T19964—2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》的要求,在規(guī)定時間內(nèi)停止向電網(wǎng)送電。對于頻率偏移,當(dāng)電網(wǎng)頻率超出47.5~50.2 Hz范圍時,系統(tǒng)能在0.2 s內(nèi)切斷并網(wǎng)連接,確保電網(wǎng)穩(wěn)定。

2光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計策略

2.1 系統(tǒng)配置優(yōu)化設(shè)計

2.1.1光伏組件選型與布局優(yōu)化

項(xiàng)目選用590 wp單晶硅組件,該組件轉(zhuǎn)換效率高達(dá)22.8%,在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下(STC:1000w/m2,25 ℃),額定功率為590 w,開路電壓Voc=51.63 V,短路電流Isc=14.38A。組件尺寸為2278mm× 1 134mm×30mm,重量為31.8 kg,采用鋼化玻璃面板和陽極氧化膜鋁合金邊框,具有良好的耐候性和機(jī)械強(qiáng)度。

在組件布局方面,充分考慮了建筑屋面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和日照條件,采用陣列式支架安裝形式,確保各排、列之間的布置間距能保證每天09:00—15:00(當(dāng)?shù)卣嫣枙r)時段內(nèi)前后左右互不遮擋。

2.1.2逆變器配置優(yōu)化

根據(jù)組件的串并聯(lián)方式和裝機(jī)容量,合理配置逆變器的數(shù)量和容量。項(xiàng)目共使用235塊590wp組件,總裝機(jī)容量138.65kwp。選用兩臺20kw、一臺40 kw和一臺50 kw的組串式逆變器,總?cè)萘繛?×20+40+50=130 kw,與裝機(jī)容量匹配度較高,能充分發(fā)揮逆變器的效率。同時,將組件分成若干組串,每組串的組件數(shù)量根據(jù)逆變器的輸入?yún)?shù)確定,確保逆變器工作在最佳效率區(qū)間。

2.2電氣設(shè)計優(yōu)化

2.2.1 電纜敷設(shè)優(yōu)化

對于電纜選型與截面計算,根據(jù)各回路的電流大小和傳輸距離,合理選擇電纜型號和截面。以40 kw逆變器回路為例,電流I計算為:

式中:P為回路功率,P=40000w;U為額定 電壓 ,U=400 V;cos φ為功率因數(shù),cos φ=0.95。

選擇ZC-YJV22-0.6/1kV-3 ×25+1 ×16銅芯電纜,其載流量為70 A≥60.8 A,該電纜的壓降公式為:

式中:ΔU為壓降;R為導(dǎo)線電阻;P為銅電阻率,P=0.0172Ω.mm²;L為電纜長度;S為導(dǎo)體截面積,S=25mm²。

電壓降4.18 V<5%U=20 V,滿足載流量要求的同時控制電壓降在合理范圍內(nèi)。

對于電纜敷設(shè)路徑規(guī)劃,要優(yōu)化電纜敷設(shè)路徑,盡量縮短電纜長度,減少彎曲次數(shù),降低線路損耗。在屋面采用橋架敷設(shè)方式,橋架選用不銹鋼材質(zhì),規(guī)格為50 mm×50 mm×2.0 mm,槽式直通橋架底部開散熱孔,便于電纜散熱。橋架敷設(shè)時,嚴(yán)格遵循GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》要求[2],橋架的填充率控制在50%以內(nèi),光伏電纜可雙層堆放,同一槽盒內(nèi)的電力電纜不宜多層排放。

電纜需采取保護(hù)措施,對于直埋敷設(shè)的電纜,埋深不小于0.7 m,在電纜上下方各鋪設(shè)100 mm厚的軟土或細(xì)沙層,再覆蓋混凝土板或磚塊保護(hù)。電纜穿過建筑物基礎(chǔ)、道路等部位時,采用保護(hù)管敷設(shè),保護(hù)管內(nèi)徑不小于電纜外徑的1.5倍,埋深約0.7 m,保護(hù)管兩端做好密封處理,防止水分和雜物進(jìn)入。

2.2.2防雷接地系統(tǒng)優(yōu)化

光伏系統(tǒng)的防雷與建筑物原有防雷措施相結(jié)合,利用屋面安裝的光伏組件金屬框架作為接閃器,其金屬支撐結(jié)構(gòu)通過扁鋼與原有建筑物接閃帶可靠連接,光伏陣列區(qū)域與原屋頂接閃帶連接點(diǎn)不少于4處,間距不大于25 m。在逆變器直流側(cè)輸入及交流側(cè)輸出端均設(shè)置電涌保護(hù)器(SPD),光伏監(jiān)控系統(tǒng)線路設(shè)置信號電涌保護(hù)器,防止雷電過電壓損壞設(shè)備。

接地設(shè)計采用聯(lián)合接地系統(tǒng),接地電阻不大于4Ω。利用建筑物原有接地系統(tǒng),若接地電阻不滿足要求,則在建筑物室外增打人工接地極[3]。人工接地極采用2.5 m長的5號角鋼作為垂直接地體,40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼作為水平接地體,形成網(wǎng)格狀接地網(wǎng)。所有電氣設(shè)備外殼、組件邊框、電纜橋架等金屬物體均可靠接地,確保人員和設(shè)備安全。圖1為本項(xiàng)目的防雷接地系統(tǒng)圖。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

2.3.1光伏支架優(yōu)化設(shè)計

項(xiàng)目采用Q355鍍鋅鋁鎂鋼支架,具有較高的強(qiáng)度和耐腐蝕性。支架結(jié)構(gòu)經(jīng)過詳細(xì)的力學(xué)計算,確保在風(fēng)荷載、雪荷載和自重等作用下保持穩(wěn)定。主要支架構(gòu)件包括前柱、中立柱、后立柱、斜梁方管、檁條方管等,其構(gòu)造如圖2所示。

各構(gòu)件的規(guī)格和數(shù)量根據(jù)屋面荷載要求和組件布置方案確定。例如,前柱采用30mm×40mm×2.0 mm的方管,長度300 mm,共89根,單根重量3.77 kg,總重量約335.53kg;中立柱也采用30mm ×40mm ×2.0mm的方管,長度553mm,共59根,單根重量6.95kg,總重量約410.05kg。支架的連接采用螺栓連接和焊接相結(jié)合的方式,確保連接牢固可靠,同時便于安裝和拆卸。

2.3.2屋面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計

在設(shè)計光伏支架時,充分考慮了屋面的結(jié)構(gòu)形式和承載能力。對于彩鋼瓦屋面,采用專用的夾具與屋面連接,避免破壞屋面防水層;對于混凝土屋面,通過預(yù)埋件或膨脹螺栓固定支架底座,確保支架與屋面的可靠連接。同時,優(yōu)化支架的安裝高度和傾角，使光伏組件既能獲得最佳的日照條件，又不影響屋面的排水和美觀。

3 工程案例應(yīng)用與分析

3.1 項(xiàng)目概況

鶴山市鶴華中學(xué)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目裝機(jī)容量為138.65 kwp,安裝235塊590 wp單晶硅組件,采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的0.4 kV并網(wǎng)模式，共設(shè)置4個并網(wǎng)點(diǎn)，分別接入科學(xué)館、綜合教學(xué)樓、馮漢柱樓和李佩瑤樓的低壓分接箱。項(xiàng)目由江門電力設(shè)計院有限公司設(shè)計,鶴山市耀暉能源科技有限公司負(fù)責(zé)建設(shè),旨在為學(xué)校提供清潔電力,降低用電成本,同時起到節(jié)能減排的示范作用。圖3所示為光伏組件4個布置地點(diǎn)。

3.2 并網(wǎng)技術(shù)實(shí)施要點(diǎn)

嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙安裝并網(wǎng)逆變器、并網(wǎng)計量柜、電涌保護(hù)器等并網(wǎng)設(shè)備。逆變器安裝在通風(fēng)良好、便于操作和維護(hù)的位置，底部距離地面不小于1.2 m，確保散熱良好。并網(wǎng)計量柜安裝在并網(wǎng)點(diǎn)附近，便于電力計量和監(jiān)控，計量表選用0.25級多功能電能表，能準(zhǔn)確計量正、反向有功及四象限無功電量，并具有非接觸式停電抄表功能。

電氣連接與調(diào)試中電纜連接時，嚴(yán)格按照相序和極性進(jìn)行接線，確保電氣連接正確可靠。連接完成后，對系統(tǒng)進(jìn)行絕緣測試和耐壓試驗(yàn)，確保絕緣電阻符合要求，無漏電現(xiàn)象。調(diào)試過程中，逐步檢查逆變器的啟動、并網(wǎng)、功率調(diào)節(jié)等功能，測試電能質(zhì)量指標(biāo)，確保各項(xiàng)參數(shù)符合并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3優(yōu)化設(shè)計實(shí)施效果

通過優(yōu)化設(shè)計，項(xiàng) 目的發(fā)電效率和穩(wěn)定性得到顯著提升。根據(jù)初步運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，系統(tǒng)的年利用小時數(shù)可達(dá)1 025 h，年發(fā)電量E約為:

E=Ptotal×H=138.65×1 025≈14.21×10⁴ kw.h

式中:Ptotal為裝機(jī)容量,Ptotal=138.65 kw;H為年利用小時數(shù),H=1 025h。

相比傳統(tǒng)設(shè)計方案，發(fā)電量提高了約8%。逆變器的平均運(yùn)行效率達(dá)到98% 以上 ，MPPT效率超過99.5%，確保了太陽能的高效利用。項(xiàng)目總投資約120萬元，根據(jù)當(dāng)前電價和補(bǔ)貼政策0.6元/(kw.h)計算，預(yù)計投資回收期T如下:

由于采用了優(yōu)化設(shè)計,減少了電纜、橋架等材料的用量，項(xiàng)目降低了建設(shè)成本5%~8%。同時,系統(tǒng)的高效運(yùn)行和低維護(hù)成本進(jìn)一步提高了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)束語

本文圍繞鶴山市鶴華中學(xué)138.65 kwp分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)技術(shù)與優(yōu)化設(shè)計展開研究。通過構(gòu)建組件串聯(lián)數(shù)量計算、電纜載流量計算等數(shù)理模型，結(jié)合工程實(shí)踐，形成了一套量化設(shè)計方法。研究表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)年利用小時數(shù)達(dá)1025h，年發(fā)電量約14.21萬kw.h,電壓降控制在4.18 V以內(nèi)，接地電阻不大于4 Ω，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，顯著提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。該研究為分布式光伏項(xiàng)目的設(shè)計與實(shí)施提供了可借鑒的技術(shù)方案，對推動光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具有重要意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張興,曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2018.

[2] 電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn):GB 50217—2018[S].

[3]馬盈盈.光伏發(fā)電設(shè)備防雷接地系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化研究[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì),2024(8):229-231.

《機(jī)電信息》2025年第19期第2篇