大型领跑者光伏电站设计与优化研究

' 西安建筑科技大学硕士学位论文大型领跑者光伏电站设计与优化研究专业：控制工程硕士生：陈辉指导老师：陈登峰副教授摘要太阳能光伏发电是人类利用太阳能量的一种重要形式，工业上主要是利用晶硅和非晶硅电池将太阳的光能通过光伏效应直接转化为电能。在光伏电站的建设过程中，需要匹配设计光伏设备、优化光伏阵列排布和设计跟踪策略，以达到理想的发电量和发电效率，从而实现缩短投资回收期和电站全寿命周期发电量最大化的目的，对光伏电站的合理建设和经济运行具有重要的研究意义和价值。本文以某大型领跑者光伏电站为研究对象，主要研究内容如下：（1）某大型领跑者光伏电站站址分析评价。根据某大型领跑者光伏电站设计要求，评估分析电站建设地址的太阳能资源及气象条件，分析特殊天气对光伏电站发电量的影响并进行优化设计。通过对工程站址的区域稳定性和岩土条件进行分析评价，结论为规划区内可进行大型光伏电站的建设。（2）PERC双面光伏组件发电效能研究。通过对PERC技术的原理、特性和优点进行分析，研究了应用PERC双面组件对电站发电量的影响。研究结果表明采用固定式支架安装双面组件设计可提升发电量10.2%，平单轴跟踪系统双面组件设计可提升发电量23.89%。（3）跟踪系统对光伏电站发电的影响效能研究。分析了固定式和跟踪式系统的优缺点，利用PVsyst软件对双面组件+平单轴跟踪光伏系统进行仿真，研究了光伏跟踪系统对发电量的影响。研究结果表明选用PERC单晶双面组件，相同安装条件下（轴间距9m，支架最低点距地面不高2.5m），平单轴跟踪系统年发电量比固定式安装提高可达到12.4%。（4）结合工程实际，对某大型领跑者光伏电站进行了总体设计，确定了光伏电池板的选型、光伏电池板的串联和并联方式，通过仿真计算出系统效率为86.23%，25年发电量为954980万kW•h，平均年发电量为38199.2万kW•h。电1 西安建筑科技大学硕士学位论文气部分设计主要是要确定并网方式、逆变器、汇流箱等设备的选型及布置，设计电气主接线方式以及防雷、接地和过电压保护。最后对光伏电站进行总平面布置，设计光伏电池板的优化安装及排布方式、光伏方阵的高效布置方案。关键词：领跑者光伏电站；PERC光伏组件；跟踪系统；光伏电站设计2 西安建筑科技大学硕士学位论文ResearchonDesignandOptimizationofLarge-scaleLeaderPhotovoltaicPowerStationSpecialty:ControlEngineeringName:ChenHuiInstructor:A/Prof.ChenDengfengABSTRACTSolarphotovoltaicpowergenerationisanimportantformofhumanuseofsolarenergy.Theindustrymainlyusescrystallinesiliconandamorphoussiliconcellstoconvertsolarenergydirectlyintoelectricalenergythroughthephotovoltaiceffect.Intheprocessoftheconstructionofthephotovoltaicpowerstation,theneedtomatchthedesignphotovoltaicdevices,andtooptimizethedesignofthephotovoltaicarrayconfigurationandtrackingstrategy,inordertoachievetheidealpowergenerationandpowergenerationefficiency,soastorealizeshortenpaybackperiodandmaximumpowerplantcapacityinwholelifecycle,thepurposeoftoreasonableconstructionandeconomicoperationofthephotovoltaicpowerstationhasimportantresearchsignificanceandvalue.Inthispaper,alargeleaderphotovoltaicpowerstationastheresearchobject,themaincontentsareasfollows:(1)AnalysisandEvaluationofaLarge-scaleLeaderPVPowerStationSite.Accordingtothedesignrequirementsofalarge-scaleleadingphotovoltaicpowerstation,thesolarenergyresourceandmeteorologicalconditionsofthepowerstationconstructionaddressareevaluated,andtheinfluenceofspecialweatheronthepowergenerationofthephotovoltaicpowerstationisanalyzedandoptimized.Finally,theregionalstabilityandgeotechnicalconditionsoftheengineeringsiteareanalyzedandevaluated.Theconclusionisthattheconstructionoflarge-scalephotovoltaicpowerstationscanbecarriedoutintheplanningarea.(2)ResearchonthepowergenerationefficiencyofPERCtwo-sidedphotovoltaic3 西安建筑科技大学硕士学位论文module.Throughtheanalysisoftheprinciple,characteristicsandadvantagesofPERCtechnology,theeffectofPERCtwo-sidedcomponentonpowergenerationofpowerstationisstudied.Theresultsofthestudyindicatethattheuseoffixedbracketsfortheinstallationoftwo-sidedcomponentscanincreasepowergenerationby10.2%,andflat-axistrackingsystemswithtwo-sidedcomponentscanincreasepowergenerationby9.3%.(3)ResearchontheEffectofTrackingSystemonPowerGenerationofPhotovoltaicPowerStation.Theadvantagesanddisadvantagesofthefixedandtrackingsystemswereanalyzed.ThePVsystsoftwarewasusedtosimulatethedouble-sidedmodule+flatsingle-axistrackingphotovoltaicsystem.Theinfluenceofthephotovoltaictrackingsystemonthepowergenerationwasstudied.TheresultsshowedthatPERCsingle-crystaltwo-sidedassemblieswereused.Underthesameinstallationconditions(shaftspacingis9m,andthelowestpointofthesupportisnot2.5mabovetheground),theannualpowergenerationoftheflatsingle-axistrackingsystemcanbeincreasedby12.4%comparedwiththefixedinstallation.(4)Combinationwiththeengineeringpractice,toalargeleadingphotovoltaicpowerstationhascarriedontheoveralldesign,determinetheselectionofphotovoltaicsolarpanels,photovoltaicpanelsinseriesandinparallel,throughsimulationtocalculatethesystemefficiencyis86.23%,25powergeneratingcapacityis9.5498billionkW,h,averageannualcapacityof381.992millionkW,h.Thedesignoftheelectricalpartismainlytodeterminetheselectionandlayoutofthegrid-connectionmode,inverter,junctionboxandotherequipment,aswellasthedesignofthemainelectricalwiringmode,lightningprotection,groundingprotectionandovervoltageprotection.Finally,theoverallplanarlayoutofthephotovoltaicpowerstationiscarriedout,andtheoptimalinstallationandarrangementofphotovoltaicpanelsandtheefficientlayoutofpvsquarearrayaredesigned.Keywords:leaderphotovoltaicpowerstation;PERCphotovoltaicmodule;trackingsystem;photovoltaicpowerstationdesign4 西安建筑科技大学硕士学位论文目录1绪论.......................................................................................................................11.1课题背景及意义.......................................................................................11.2光伏发电国内外发展与现状...................................................................21.2.1国外发展与现状................................................................................21.2.2国内发展现状....................................................................................31.2.3光伏电站发展现状............................................................................41.2.4领跑者光伏电站发展现状................................................................71.3课题研究的主要内容...............................................................................92某大型领跑者光伏电站站址分析评价...............................................................112.1太阳能资源及气象条件分析.................................................................112.1.1我国太阳能资源概况......................................................................112.1.2站址区域太阳能资源......................................................................132.1.3站址区域太阳能资源评估分析......................................................152.1.4特殊天气光伏电站设计需求分析..................................................162.1.5太阳能资源综合评价......................................................................182.2站址工程地质条件分析.........................................................................182.2.1区域稳定性分析..............................................................................182.2.2岩土工程条件分析..........................................................................192.2.3岩土工程初步评价..........................................................................192.2.4站址工程地质条件分析结论..........................................................212.3本章小节.................................................................................................213PERC双面组件对发电量的影响分析................................................................233.1PERC技术原理研究..............................................................................233.1.1PERC技术应用分析.......................................................................233.1.2PERC技术原理分析.......................................................................243.2PECR技术优点分析..............................................................................263.3PECR双面组件对发电量提升的研究..................................................28I 西安建筑科技大学硕士学位论文3.4本章小节.................................................................................................294跟踪系统对发电量的影响与分析.......................................................................314.1光伏阵列自动跟踪系统的概述.............................................................314.1.1光伏阵列自动跟踪系统..................................................................314.1.2平单轴跟踪系统..............................................................................324.1.3可靠性设计......................................................................................344.2联动式平单轴跟踪系统技术研究.........................................................364.2.1联动式平单轴跟踪系统设计..........................................................364.2.2联动式平单轴跟踪系统性能研究..................................................384.3平单轴跟踪系统对发电量提升的研究.................................................404.4本章小节.................................................................................................425领跑者光伏电站总体设计及性能研究...............................................................455.1电站总体设计.........................................................................................455.1.1主要设备设计..................................................................................455.1.2光伏组件设计..................................................................................465.1.3逆变器设计......................................................................................495.2光伏方阵设计.........................................................................................515.2.1光伏方阵安装方式设计..................................................................515.2.2光伏方阵运行方式分析..................................................................535.2.3光伏阵列倾角及方位角设计..........................................................575.3光伏子方阵设计.....................................................................................585.3.1光伏方阵的串并联设计..................................................................585.3.2组件排布优化..................................................................................595.3.3光伏方阵的间距设计......................................................................605.3.4方阵接线方案设计..........................................................................625.4电气设计.................................................................................................625.4.1电气一次系统设计..........................................................................625.4.2电气二次..........................................................................................64II 西安建筑科技大学硕士学位论文5.5系统效率和发电量计算.........................................................................665.5.1系统效率..........................................................................................665.5.2发电量计算......................................................................................675.6本章小节.................................................................................................696总结与展望...........................................................................................................71致谢..............................................................................................................................75参考文献......................................................................................................................77附录Ⅰ硕士研究生学习阶段发表的论文................................................................81附录Ⅱ（固定式/平单轴+单/双面组件）Pvsyst仿真报告......................................83附录Ⅲ升压站总平面布置图..................................................................................101附录Ⅳ110kV升压站电气主接线图......................................................................103附录Ⅴ管理区综合自动化监控网络图..................................................................105附录Ⅵ控制柜电气图..............................................................................................107III 西安建筑科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题背景及意义地球上的传统化石燃料储量非常有限。尤其是我国，石油和天然气的人均资源占有量仅为世界平均水平的7.7%和7.1%[1]。随着国民经济平稳较快发展，我国城乡居民消费结构的升级，能源消费将在未来较长时间内保持高速增长的态势，有限的资源尤其是能源对经济增长的约束变得更加突出。人类进入第二次工业革命以来，人类的生产效率和生活水平得到飞快提升，这一切都源自于对化石燃料的开发和利用，但化石能源的消耗速度也逐步加快。调查数据显示：若按当前对化石能源的开采速率来计算，到2060年，石油将被消耗殆尽；2080年天然气被消耗殆尽；2200年煤炭资源被消耗殆尽[2]。现代科技不断进步，人类已经能够借助太阳能光伏发电系统把太阳能直接转化为电能。而太阳作为一颗黄矮星，还大约可以继续平静地燃烧五十亿年。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的二十二亿分之一，但也高达173000TW，即太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨煤燃烧释放的能量[3]。而且太阳能发电无释放、无噪声、无污染、无机械传动，不会受到所谓的能源危机或传统能源市场不稳定的影响，太阳能资源遍布世界，技术上可以实现就近供电，避免长距离输电过程中的线路损耗[4]。光伏发电系统不用燃料，运行成本很低，适合于无人或者少人值守的情况下安装使用[5]。据中国电力企业联合会统计，截至2017年底，我国全口径发电装机容量17.8亿千瓦，非化石能源发电装机容量6.9亿千瓦，占总发电装机容量的比重为38.7%[6]。其中，新增水电装机1287万千瓦，新增并网风电装机1952万千瓦，新增并网太阳能发电装机5338万千瓦，分别同比增长2.7%，10.5%和22.6%，非化石能源发电装机容量占总发电装机容量的比重为38.7%。2017年全口径并网太阳能发电、并网风电、核电发电量分别增长75.4%、26.3%和16.5%，太阳能光伏发电量的增长率位列新能源发电第一位[7]。我国长期以来的以破坏生态环境、高污染、高排放的经济增长是不可持续的，积累的环境污染造成的社会、经济难以用金钱来衡量，对人们生活带来了极大影响。比如雾霾产生的主要原因之一就是由于化石燃料的过度消费。环境污染已成为制约我国长期经济增长的重要因素，我国正积极寻求能源转型，实现绿色发展。1 西安建筑科技大学硕士学位论文李克强总理在2017年政府工作报告中指出，2017年要淘汰、停建、缓建煤电产能5000万千瓦以上，以防范化解煤电产能过剩风险，提高煤电行业效率，为清洁能源发展腾空间[8]。国家发改委自2013年开始对新建的大型地面光伏电站、分布式光伏电站、领跑者光伏电站以及扶贫光伏电站给予0.42元/度电的度电补贴，补贴年限为20年。中国政府持续性推出的政策性电价补贴，已经使我国的光伏产业步入了发展的快车道[9]。研究“领跑者”光伏电站的合理建设和经济运行对于促进先进光伏技术产品应用和产业升级具有重要的研究意义和价值。1.2光伏发电国内外发展与现状1.2.1国外发展与现状1839年，法国物理学家A.E.贝克勒尔发现了光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差，即光生伏特效应（简称光伏效应）；1883年CharlesFritts制备成功第一块光伏电池（效率仅1%）。随后几十年来，光伏发电技术得到不断发展和飞速进步，光伏电池受到了世界各国的青睐和重视，并出台了相关政策支持光伏产业健康发展[10]。美国1973年制定了政府级阳光发电计划；1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达8亿多美元[11,12]；1983年在加州建立世界上最大的太阳能电厂，它的发电量可以高达16百万瓦特；2010年美国参议院能源委员会通过了“千万屋顶光伏计划”，该计划预计在10年投资20多亿美元，为近200万千瓦太阳能发电项目提供初始资金，并增加上千万套太阳能系统，到2020年光伏电量占全美国总电量的比例提升至10％。美国政府对太阳能发电的支持主要是在投资坏境方面，包括投资税收返还、加速折旧、投资直接补助等优惠政策[13]。日本早在1974年就提出了“阳光计划”，对太阳能住房、工业、发电、汽车等的方面应用做了详细规划，其目的是用太阳能来逐步代替化石能源。2008年日本政府出台“低碳社会行动计划”，提出要加快发展核能与太阳能，其中包括到2020年，该国光伏发电的总装机容量要达到2005年的二十倍，2030为四十倍[13]。2011年的福岛核电危机发生后日本民众和政府都特别期待太阳能光伏发电的快速发展，因此日本政府推出了高额的上网电价补贴政策，居民的上网补贴电价高达42日元，相当于人民币2.57元[14]。欧洲国家采用光伏电价上网激励政策，各国的电网企业高价收购光伏电能，2 西安建筑科技大学硕士学位论文高出的部分由国家财政进行补贴，补贴金通过附加费的方式从电网的售电价扣除收取。德国于2003年就提出了“十万屋顶计划”，并在2003年完成。德国政府相继提出了《可再生能源法》、《可再生能源促进法》等一系列法律法规来刺激对光伏产业的发展，这使得德国光伏发电总装机容量全球最高。德国在2013年的政策中，500kW装机量以下的光伏发电系统可以采用“自发自用，余电上网”的政策，大于500kW装机量的系统执行“上网电价”政策[14,15]，2MW以上的项目不予补贴。全球主流国家光伏并网市场以分布式电站占主导，德国目前分布式的装机量占光伏发电中的87%。日本和澳大利亚的分布式电站占到国内光伏发电装机总量的90%以上。据统计，2016年全球光伏新增装机约77GW，其中中国新增装机量34.54GW，美国新增装机量14.8GW、日本新增装机量8.6GW、欧洲地区新增装机量6.9GW、其中新增装机中分布式（日本按照小于1MW统计，德国按照小于500KW统计）占比分别达到29%、61%和40%，高电价刺激下的居民安装需求以及政府针对分布式提供的多元化补贴将促进分布式电站加速发展[16,17]。全球主流国家分布式和集中式光伏发电占比情况如图1.1所示。图1.1全球主流国家分布式和集中式光伏发电的比例1.2.2国内发展与现状我国地域辽阔，太阳能资源十分充足，其中，西藏、青海、甘肃、宁夏四省的辐射总量全国最高，因此中国在开发利用太阳能方面有着很好的优势[18,19]。1958年我国就开始研究光伏发电，并于1971成功将光伏电池应用到东方红二号卫星上，后来我国将研发光伏电池的重心转向民用市场，至20世纪80年代初，我国光伏产业已展露雏形，并相继从国外引入现代化光伏电池生产流水线，3 西安建筑科技大学硕士学位论文生产效率快速提升而成本降低了近一倍，并于2004年光伏电池产量超越印度。2004年至2008年我国光伏产业快速发展，这段时期随着德国出台可再生能源法案，欧洲国家大力补贴支持光伏发电产业，中国光伏制造业在此背景下，利用国外的市场、技术、资本迅速形成规模[20]。中国超过日本成为全球最大的光伏电池生产国。以无锡尚德和江西赛维LDK为代表的一大批光伏电池制造企业先后在美国挂牌上市，获得市场追捧。2008年至2009年我国光伏产业首次调整，2008年全球金融危机爆发，光伏电站融资困难，加之欧洲西班牙等国的政策支持力度减弱、光伏组件的市场需求减少，中国的光伏产业从多晶硅料、硅片、电池到光伏组件的价格全线下跌。2009至2010年我国光伏产业爆发式回升，德国、意大利市场在政府光伏发电补贴力度减弱，导致光伏产品价格下跌的背景之下，爆发了抢装潮，市场迅速回暖，而与此同时，我国出台了应对金融危机的一系列政策，光伏产业获得了国家战略性新兴产业的定位，催生了新一轮的光伏发电热潮[21]。2011年至2013年我国光伏产业第二次调整，因为上阶段的爆发式增长导致了光伏制造业产能增长过快，同时欧洲市场补贴力度减弱，导致市场增速放缓，我国光伏产业陷入了产能过剩的困境，产品价格大幅度下滑，贸易保护主义兴起，我国光伏产业在此经历挫折。2013年至今我国光伏产业健康发展，以《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》为代表的光伏产业扶持政策密集出台，配套措施迅速落实[22]。随着国内光伏组件的技术进步，从国产原辅材料到国产自动化设备成为主流，一方面降低了光伏发电的成本，另一方面提升了光伏发电的效率。光伏发电成本逐年下降，中国的光伏发电装机容量呈持续快速健康增长。1.2.3光伏电站发展现状光伏电站按并网类型划分可分为离网型光伏电站和并网型光伏电站，如表1.1所示。4 西安建筑科技大学硕士学位论文表1.1太阳能光伏电站的分类及应用实例类型分类具体应用实例无蓄电池的直流直流光伏水泵、充电器等光伏电站有蓄电池的直流离网直流户用电站、高速公路监控摄像头、移动通信基站等光伏电站型光交流太阳能户用电站、移动通信基站、气象、水文监测伏电交流及交直流混合电站站等站市电互补型光伏电站城市太阳能路灯、电网覆盖地区的一般户用光伏电站等风光互补型电站光伏大棚、新型太阳能路灯等有逆流并网光伏电站一般住宅、建筑物、BIPV光伏电站、大型光伏电站等并网型光无逆流并网光伏电站太阳能空调器、一般住宅光伏电站和BIPV光伏电站等伏电切换型并网光伏电站BIPV光伏电站、BAPV光伏电站等站带储能的并网光伏电站重要的应急负载、应急照明、自然灾害避难所等离网型光伏电站是指供用户单独使用的光伏系统，具有就近安装、就近发电、就近消纳的特点，主要由光伏组件、优化控制器、储能设备组成，大多应用于偏远地区的牧民用电、通信基站、人造卫星供电等等。由于光照的不确定性，离网电站产生的电能是波动的，不能直接供给电器设备使用，需要在太阳能组件和用电器之间加入具备MPPT功能的优化控制器。为使电器设备获得稳定的电能，独立的离网光伏电站往往还需要配备储能装置。当光伏组件阵列发出的电能超出负载需求时，多余电能会储存在储能装置内；当发出的电能不能满足负载需求时，储能装置将作为补充电源向用电器供电。光伏组件阵列在经过优化控制器和储能装置的联合控制后，得到稳定的直流输出，该电源可以直接给直流负载使用，也可以通过光伏逆变器转换成交流电提供给交流负载使用，如图1.2所示。图1.2离网光伏电站原理示意图并网光伏电站是指与电网并联的光伏系统，光伏阵列发出的直流电经过具有5 西安建筑科技大学硕士学位论文优化控制功能的光伏逆变器转化为交流电，再与交流电网并联。兆瓦级的大型光伏电站可以通过大型集中式逆变器集中并网，具体为多路（整站）光伏阵列经直流汇流箱汇流后，通过大型集中式逆变器集中并网，该并网方案多用于10兆瓦级以上的大型地面电站，如图1.3所示。图1.3集中式并网光伏系统该种并网方案的主要缺点有：（1）抗热斑效应能力差、抗遮挡能力差，系统功率失配现象严重。（2）采用集中式MPPT效果差，并且该结构对直流部分的线路要求较高。集中式并网光伏系统安全性降低的同时，也增加了系统成本。也可采用组串式逆变器以支路为单位进行多路独立的DC/AC转换，之后经交流汇流箱汇流后并网，如图1.4所示。图1.4支路式并网光伏系统支路式结构与集中式结构相比，优点是抗热斑效应和抗遮挡能力增加，多串MPPT设计，运行效率高。但逆变器的数量增加，扩展成本增加。我国目前对于并网型光伏电站，主要的上网模式有三种，第一种为全部自用，这种模式主要应用于能直接消纳掉所发电能的用户，且用电量远远大于光伏电站所发的电力、一年中很少有情况不用电或者少用电。如果用户消纳电力不是长期6 西安建筑科技大学硕士学位论文稳定的，并且消纳的电力远远小于光伏电站所发的电力，建议不要采用这种并网模式。装机容量在1兆瓦以内，且配有低压变压器的光伏电站，建议采用这种模式，因为若采用余电上网或全额上网的方式，所需增加升压变压器的投资，这样会增加光伏电站的投资成本。此种上网模式多见于大型用电企业的工业厂房屋顶。第二种为自发自用余电上网，此种上网方式与自发自用模式类似，优点是解决了自发自用模式在消纳不完光伏电站所发电力时，将电力资源浪费的问题。这种并网方式的不足主要是其电站的收益无法进行固定计算，所消耗的电力和余电上网的比例总在一定的范围内变化。以此类方式并网的光伏电站收益无法准确计算，用户侧未来用电情况无法确定，在融资租赁或出售时，无法较准确的获得电站的资产估值。第三种为全额上网，这是各个类型的并网光伏电站采用最普遍的模式，其优点为收益固定且计算简单。发电收益与用电支出通过双向电表，独立计量，可靠性高，不但适用于小中型户用分布式光伏电站，也适用于兆瓦级以上的大型地面电站。1.2.4领跑者光伏电站发展现状在我国近年来出台的一系列补贴政策的推动下，光伏产业的发展进入了快车道，技术水平日新月异[23]。但与传统化石能源相比，光伏产业仍存在发电成本高、投资回收期长，成本优势不明显、补贴发放困难等问题，严重制约我国光伏产业持续健康发展。针对上述问题，2015年国家能源局联合有关部门提出了实施光伏发电“领跑者”计划和建设领跑基地，通过政策性支持和试点示范，以点带面，加速技术成果向市场应用转化和推广，加快促进光伏产业技术进步[23]，产品设备升级，促进光伏发电降低度电成本、逐步减少相关补贴，最终实现平价上网。2015年6月8日，国家能源局、工业和信息化部、国家认监委联合下发《关于促进先进光伏技术产品应用和产业升级的意见》，提出应提高光伏产品市场准入标准，支持先进技术产品扩大市场，全面实施“领跑者”计划，引导光伏技术进步和产业升级[24]。“领跑者”计划通过建设先进技术光伏发电示范基地、新技术应用示范项目等方式实施，目标是促进先进光伏技术产品应用和产业升级，加强光7 西安建筑科技大学硕士学位论文伏产品和工程质量管理，引领国内光伏发电企业提升电站的转化效率。入选领跑者计划的企业可得到以下政策支持：第一，国家部分用电项目将优先采用“领跑者”规定的先进技术产品。第二，我国政府将在关键设备、技术上给予“光伏领跑者”计划项目市场支持。第三，企业在领跑者基地建设并持有光伏电站，政府在电力接入和土地政策上给予一定的支持。此外，入选“领跑者计划”对于行业企业提升品牌价值具有重大意义。从表1.2可以看出，光伏领跑者正在促进光伏行业从追求规模扩张向注重质量效益转变，推动光伏产业逐渐向高效化转型。只有进一步扩大“领跑者”计划，才能把更好更优质的产品留在国内，提升国内光伏电站质量[25]。表1.2第1、2、3批光伏领跑者产品技术指标要求第三批技术指标第一批第二批应用领跑基地技术领跑基地多晶硅电池组件≥16.5%≥16.5%≥17%≥18%单晶硅电池组件≥17%≥17%≥17.8%≥18.9%高倍聚光光伏组件≥30%≥30%光硅基、铜铟镓硒、碲化镉及其他电组件硅基光伏组件≥12%≥12%薄膜电池组件的光电转换效率原转铜铟镓硒组件≥13%≥13%则上参照晶硅电池组价效率提高换碲化镉光伏组件≥13%≥13%幅度相应提高。率薄膜光伏组件≥12%≥12%逆变转换效率(欧标)≥99%≥99%器转换效率(国标)≥98.1%≥98.2%—光伏电站首年系统效率≥81%≥81%2012年以前，由于我国人民对光伏的认知度不高，光伏在国内基本没有什么需求，所以光伏产品只能依靠出口。2013年国家相关部委相继出台文件大力鼓励支持光伏产业后，光伏市场出现井喷式增长，截至2017年底，我国太阳能光伏发电累计并网装机量已达130GW，如图1.5所示。8 西安建筑科技大学硕士学位论文140120）100GM806040装机量（20020102011201220132014201520162017图1.5中国光伏市场装机量发展图1.3课题研究的主要内容本论文以某大型领跑者光伏电站为背景，重点对设备选型、主要技术指标、技术参数、总体设计、直流设计、交流设计、效能与效益分析等建站和运行问题进行研究。论文工作主要涵盖以下几个方面：（1）第一章对本论文相关的研究背景、现状和意义进行叙述，并剖析了领跑者光伏电站提出的意义，最后介绍了目前光伏电站种类的划分和三种重要的上网模式；（2）第二章对某大型领跑者光伏电站的概况作以简述，对我国的太阳能资源和特殊天气对光伏发电的影响进行了详细的介绍，对太阳能资源进行了评估分类，对本论文所研究的领跑者光伏电站场址区的太阳能资源进行了总结性评价；最后对站址的工程地质情况作以简述与评价；（3）第三章在分析PERC技术原理的基础上，对其优缺点进行了研究，并利用PVsyst软件对双面组件对系统效率和发电量的提升进行了仿真，完成了PERC双面组件对发电量的影响研究。（4）第四章介绍了光伏跟踪系统的原理基础上，重点分析了平单轴跟踪系统的运行原理，针对单轴跟踪系统，在分析光伏跟踪系统、平单轴跟踪系统基础上，通过仿真研究了跟踪系统对发电量的影响。（5）第五章对某大型领跑者光伏电站的主要设备构成、光伏组件和逆变器的选型进行了叙述，其次对光伏方阵的运行方式、组件排布、间距计算、接线、气接入系统、交直流系统进行了详细的设计，最后采用PVsyst系统对该电站的系统效率和发电量进行了模拟和计算。9 西安建筑科技大学硕士学位论文（6）第六章总结与展望，对本文研究内容进行了总结，对文中尚未解决的问题进行了分析和初步探讨。10 西安建筑科技大学硕士学位论文2某大型领跑者光伏电站站址分析评价全球光照资源的分布差异很大，与不同地区的气候、纬度、地况地貌和海拔息息相关。本章在分析我国太阳能资源的基础上，从太阳能资源区域稳定性、岩土工程条件等方面，对光伏电站站址进行了分析评价。某大型领跑者光伏电站规划场址为铜川市宜君县，地理信息：北纬35°4′，东经109°12′。2.1太阳能资源及气象条件分析2.1.1我国太阳能资源概况我国有三分之二的区域全年日照时数大于2000小时/年。我国太阳能资源的分布情况，具有内陆高于沿海、高原高于平原、少雨地区高于多雨地区等特点。太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°~35°这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；由于南方多数地区云雾雨多，在北纬30°~40°地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长[26,27]。根据中国气象局风能太阳能资源评估中心，利用700多个地面气象站，1978~2007年观测资料计算了总辐射和直接辐射，初步更新我国太阳能资源的时空分布特征，并进一步简要分析了云、气溶胶和水汽等相关要素的影响得到的数据如图2.1~图2.3所示[28]。太阳能资源的丰富与否，主要由纬度、地形和大气环流条件所决定。1）气候和纬度影响：纬度对太阳能资源分布的影响主要反映在我国东部地区，其主要表现是年总辐照量等值线走向的纬向趋势，体现了天文因子（天文辐射）对总辐射形成的主导作用，随着季节的改变，纬度影响程度可因天文因素和大气环流因素作用对比发生改变而有所变化[29]。11 西安建筑科技大学硕士学位论文图2.1我国总辐射分布图图2.2我国年均直接辐射分布图图2.3我国年均日照小时数图（2）地形影响：地形海拔高度的不同决定总辐射的分布。例如青藏高原和12 西安建筑科技大学硕士学位论文四川盆地在反映地形对辐射分布的影响比较典型。青藏地区平均海拔在4000米以上，高海拔造成大气对太阳辐射的吸收、散射过程减弱，总辐射强。四川盆地封闭的地形条件，导致了总辐射很低。（3）大气环流影响：主要通过云的状况来反映。由于大气环流条件影响的不确定性最大，所以对各地总辐射年变化的影响也较大。按太阳辐射资源区划标准，全国大致分为四类地区，如表2.1所示。表2.1太阳能资源等级表年总辐射量年总辐射量平均日辐射量等级资源等级编号(MJ/㎡)（kwh/㎡）（kwh/㎡）最丰富带Ⅰ≥6300≥1750≥4.8很丰富带Ⅱ5040-63001400-17503.8-4.8较丰富带Ⅲ3780-50401050-14002.9-3.8一般Ⅳ＜3780＜1050＜2.92.1.2站址区域太阳能资源（1）水平面太阳能资源光伏电站站址近30年（1986年~2015年）水平面总辐射量年际变化数据如图2.4所示。由图2-4中可以看出，光伏电站站址近30年水平面总辐射变化相对平稳。1988年~1999年、2010年~2012年是两个相对低值区间。30年平均水平面总辐射为5000.65MJ/m2，最大值为5529.56MJ/m2，最小值为4426.27MJ/m2。图2.4气象站水平面总辐射年际变化（MJ/m2）13 西安建筑科技大学硕士学位论文图2.5是铜川市气象站近30年水平面总辐射的年变化图，从图中可以看出领跑光伏电站区域水平面太阳能资源年变化十分明显，总体呈现近似的正态分布，从1月开始逐月增加，在5月份达到峰值，此后开始逐月减少，全年最低值出现在12月份。图2.5逐月平均太阳总辐射变化情况（MJ/m2）（2）光伏发电可利用（最佳斜面）太阳能资源以最佳斜面总辐射量年总量表征光伏发电可利用太阳能资源，如图2.6所示。从图2.6可以看出，该领跑者光伏电站站址可利用太阳能资源条件较好，全市大部分地区最佳斜面总辐射量年总量在5184MJ/m2以上；其中宜君县的西部地区最佳斜面年总量超过5400MJ/m2。14 西安建筑科技大学硕士学位论文图2.6光伏发电年可利用太阳能资源分布2.1.3站址区域太阳能资源评估分析站址区多年平均太阳总辐射量为5000.65MJ/m2。依据GB/T31155-2014《太阳能资源等级总辐射》中对太阳能资源丰富程度的评估标准，以太阳总辐射的年总量为指标，对场址区的太阳能资源丰富程度进行评估，标准规定等级如表2.2和表2.3所示。表2.2本光伏电站场址代表年各月太阳总辐射量表等级名称分级阈值MJ/㎡·a－1等级符号2最丰富≥6300A·a很丰富5040～-16300B）丰富3780～5040C一般<3780D15 西安建筑科技大学硕士学位论文表2.3中国太阳能资源稳定度（R）等级划分等级名称分级阈值等级符号很稳定RW≥0.47A稳定0.36≤RW<0.47B一般0.28≤RW<0.36C欠稳定RW<0.28D（Rw等于逐月日照小时大于6小时的天数最大值比上最小值）本场址资源丰富程度属于资源“丰富”（C级）等级，稳定度Rw为0.44，属于稳定（B）地区。从资源利用角度来讲，规划区域适合建设光伏电站。2.1.4特殊天气光伏电站设计需求分析铜川市气象站近30年（1986-2015年）基本气象要素统计见表2.4。表2.4铜川市基本气象要素项目统计特征数值发生时间站址区海拔海拔高程1395.2m站址区气候类型气候类型暖温带大陆季风气候日照小时数日照小时数2400h平均9.7℃温度极端最高34.6℃2006.6.17极端最低-19.7℃2009.1.23相对湿度平均相对湿度60%最大雪压平均最大积雪深度14.7cm平均年降水量676.4mm降水平均年降水日数104.3天平均2.3m/s主导风向ENE风速极大风速37.2m/s2010.4.26（2005年以后）天气现象平均年雷暴日数23.3平均年冰雹日数1.316 西安建筑科技大学硕士学位论文项目统计特征数值发生时间平均年沙尘暴日数0.7平均年扬沙日数0.8天气现象平均年浮尘日数0.3平均最大冻土深度31.8cm根据以上资料，近30年平均风速2.3m/s，极大风速37.2m/s，因为光伏组件在安装过程中，必须为正南朝向且要有一定的倾角，电站的预制金属固定设备在设计过程中要注意风荷载所带来的影响，并以预制金属固定设备的抗风能力在37.2m/s风速下不被破坏为原则。（1）温度对电站发电的影响分析根据规划区的气象数据，年平均气温9.7℃，最高气温34.6℃。据此可以断定，本论文所选用的光伏电池板的工作温度（零下40℃到零上85℃）在设计允许范围内。对于多数晶体硅电池板，在25℃以上，电池板温度每上升一摄氏度，其输出功率要下降0.33%～0.4%。因此，该项目地若出现温度过高的天气，会影响整个电站的发电效率。本领跑者光伏电站场址区6～8月是历年气温较高的时间段，平均最高气温在20℃以上，最高气温34.6℃。根据以上分析可知，本论文所选用的光伏电池板的工作温度在设计允许范围内。逆变器挂装于组件支架上，逆变器的工作温度也可以控制在设计允许范围内。最终可以得出结论，该电站所在地区的气温对光伏电池板和光伏逆变器的工作没有影响。（2）风速对电站发电的影响分析根据电站场址区实测风速数据统计，历年最大瞬时风速为37.2m/s。春冬季节季风速最大，夏秋季节风速相对较小。当光伏电池板周围的空气有流通时，可加速光伏电池板的散热，可以降低光伏电池板的工作温度，有助于提高发电量。（3）沙尘对电站发电的影响分析该电站所在地累年平均沙尘暴日数为0.7天，属于沙尘天气很少地区。沙尘天气对大气质量影响很大，会导致空气中砂砾、灰尘数量倍增，空气质量大幅降17 西安建筑科技大学硕士学位论文低，会导致太阳光散射，减弱甚至阻挡太阳光的直射，对光伏电站的发电量影响非常大。本领跑者光伏电站场址区沙尘暴年均不足一天，做好电站日常的维护清洗即可。（4）雷暴对电站发电的影响分析光伏电站区年平均雷暴日数为23.3天。因为光伏阵列均固定安装在热镀锌的金属支架之上，且光伏阵列区占地面积广，雷电对光伏电站的威胁非常大，需对该光伏电站的防雷接地提高标准。（5）光伏组件的离地高度设计定义光伏组件安装的最低点距地面距离为H，在光伏阵列的设计过程中，要考虑H高于当地的积雪厚度和雨季的水位情况。当地平均最大积雪厚度为14.7厘米，应在设计中为项目后期的拓展流出足够的空间，该地区光伏电站后期可考虑农光互补、种植喜阴植物或者饲养鸡鸭等。H的最低取值为2.5米。2.1.5太阳能资源综合评价根据上述评估，最终选取铜川市气象站30年平均数据作为领跑者光伏电站代表年太阳辐射数据，项目区域年太阳总辐射量为5000.65MJ/m2，参照GB/T31155-2014《太阳能资源等级总辐射》，依据太阳能资源丰富程度评估指标，该地太阳能资源属“C类丰富区”，适合建设大型领跑者光伏电站项目。2.2站址工程地质条件分析2.2.1区域稳定性分析全市地形从西北向东南逐渐降低，总体地形北高南低，地面海拔高程1383m~1473m。站址规划区在大地构造上，属于中朝准地台（一级构造单元）上的鄂尔多斯台向斜（二级构造单元）东南缘渭北隆起带（三级构造单元）[29,30]。近东西向的渭河地堑切割了鄂尔多斯台向斜与“秦岭地轴”（二级构造单元）之间的固有联系，形成具有地台与断陷构造过渡性质的叠瓦式断块和南升北降的断阶，在地貌上形18 西安建筑科技大学硕士学位论文成南部、西部低山与该区的残、塬、梁、峁[29]。站址规划区既有鄂尔多斯台向斜南移和“秦岭地轴”南北向侧压，又有渭河地堑张力影响，在区域应力场作用下，构造形迹方向纷纭，规划区内的地表情况对本工程建设无影响[29]。2.2.2岩土工程条件分析地形地貌：规划区在地形上处于陕北黄土高原的南端，地貌单元主要为黄土塬、梁、峁、中低山等。地形起伏不大，地表植被主要为农作物和荒草，属一般农用地和未利用地。地基岩土：根据区域地质资料，地层结构如下：一层：全新统风层耕植土，一般几十厘米不等。二层：上更新统黄土，该层层厚约35米。三层：上更新统古土壤层，该层层厚约1米~2.5米。四层：中更新统黄土，层厚大于20米。地下水条件：根据区域水文地质资料和现场勘察，区内水系为漆水河、武家河水系等。工程区水文地质条件简单，地下水类型主要为基岩裂隙水，场址区地下水埋深大于30m，环境水为微咸水（中矿化水）。地下水补给来源主要来自大气降雨、基岩裂隙水及地表径流补给。总的径流方向是自西北向东南方向径流。不良地质作用：规划区未发现大的滑坡、崩塌体、泥石流等不良地质现象较不发育。局部边坡在雨季有可能发生小范围的塌滑现象。2.2.3岩土工程初步评价地震动参数及地震效应评价：根据《建筑抗震设计规范》表4.1.3土的类别和表4.1.6各类建筑场地的覆盖层厚度，确定场地类别为II类。19 西安建筑科技大学硕士学位论文根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）和《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010（2016年版）），规划区抗震设防烈度为6度，设计基本加速度值为0.05g。综合现场查勘结果和地区资料，规划区内可进行大型光伏电站的建设。地基基础方案分析评价：根据本工程特性及场址地层情况，该光伏电站站址为一般复杂场站址，勘察等级为乙类。规划区场址地基土主要为上部耕植土层，下部黄土层。根据邻近项目黄土湿陷性试验成果，场址区地层中②层上更新统黄土主要为自重湿陷性土，湿陷深度约15.0m~25.0m，湿陷等级主要为自重湿陷Ⅱ级，湿陷性中等；场址区地基土局部为自重湿陷Ⅲ级（严重）；局部为非自重湿陷Ⅰ级（轻微）；场址区地层中③层古土壤层及④层中更新统风积黄土为非湿陷黄土，基本不具湿陷性。规划区地形、地貌较简单，地基土主要为松散的耕植土及稍密的黄土，属中软土，250m/s≥vs＞150m/s。规划区属可进行建设的抗震一般地段，建筑的场地类别为Ⅱ类。规划区场地地形平坦、开阔，在勘察范围内无滑坡、崩塌等情况。场地地基的稳定性良好。规划区场址存在季节性冻土，其标准冻深线深度为地面以下0.6m~0.7m。区内地下埋深大，冻土冻胀等级为Ⅰ级，冻胀类别为不冻胀，季节性冻土对建筑物基础影响小。规划区地基土对建筑物基础中的混凝土结构、钢筋及钢结构具微腐蚀性。建议下阶段对规划区做进一步勘察，初步查明建筑物地基土层的组成、软弱夹层的分布、厚度及变化规律等，进行岩土试验，提供地基岩土体的物理力学参数，初步评价各建筑物的工程地质条件。环境岩土工程问题评价：本光伏电站的建设不会产生环境工程地质问题，对周围环境不会造成环境问题。场址附近无强烈的人类活动，不存在对工程不利的埋藏物（如墓穴）。对该工程建设无影响。20 西安建筑科技大学硕士学位论文2.2.4站址工程地质条件分析结论1）根据《建筑抗震设计规范》表4.1.3土的类别和表4.1.6各类建筑场地的覆盖层厚度，确定场地类别为II类。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）和《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010（2016年版）），规划区抗震设防烈度为6度，设计基本加速度值为0.05g。综合现场查勘结果和地区资料，规划区内可进行大型光伏电站的建设。2）规划区地形、地貌较简单，地基土主要为松散的耕植土及稍密的黄土，属中软土，250m/s≥vs＞150m/s。规划区属可进行建设的抗震一般地段，建筑的场地类别为Ⅱ类。3）规划区场地地形平坦、开阔，在勘察范围内无滑坡、崩塌等情况，场地地基的稳定性良好。4）规划区场址存在季节性冻土，其标准冻深线深度为地面以下0.6m~0.7m。区内地下埋深大，冻土冻胀等级为Ⅰ级，冻胀类别为不冻胀，季节性冻土对建筑物基础影响小。5）规划区地基土对建筑物基础中的混凝土结构、钢筋及钢结构具微腐蚀性。6）本光伏电站建设不会产生环境工程地质问题，对周围环境不会造成环境问题。场址附近无强烈的人类活动，对该电站建设无影响。7）场址范围内无古人类活动遗迹，地下无古文物分布。2.3本章小节本章综合分析了该领跑者光伏电站的站址情况，该站址太阳能资源属“C类丰富区”，适合建设大型光伏电站工程。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010（2016年版））和《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），抗震设防烈度为6度，设计基本加速度值为0.05g。综合现场查勘结果和地区资料，规划区内可进行大型光伏电站的建设。21 西安建筑科技大学硕士学位论文22 西安建筑科技大学硕士学位论文3PERC双面组件对发电量的影响分析目前，光伏行业中主要高效电池技术有：多晶黑硅电池技术、N型单晶双面电池技术以及P型单晶PERC电池技术等。本章在分析PERC技术原理的基础上，对其优缺点进行了研究，并利用PVsyst软件对双面组件对系统效率和发电量的提升进行了仿真，完成了PERC双面组件对发电量的影响研究。3.1PERC技术原理研究3.1.1PERC技术应用分析截止到2018年5月初，从已公布的十个应用领跑者基地结果来看，双面组件成为众企业的热门优选技术方案。根据统计，在十个基地共48个项目中，共累计申报了43次双面组件（部分项目同时申报了多个不同的技术方案），以P型单晶PERC双面和N型双面为主，如图3.1所示。图3.1十大基地各技术类型申报项目个数占比情况其中，单晶PERC最高，共计19个；单晶PERC双面，共计10个；N型单晶双面、单晶PERC双面双玻，分别有7个。同时，根据公布的数据显示，400MW项目共采用6种技术类型的组件：单晶PERC组件；P型单晶双面PERC组件；N型单晶双面组件；单晶双面半片组件；多晶MWT组件和多晶黑硅组件。其中，前4种为单晶，且份额较大；后2种为多晶，份额相对较少。23 西安建筑科技大学硕士学位论文由上述分析可以得出单晶双面技术已成为现在光伏发电的主流技术。P型PERC双面组件和N型双面组件基于不同的技术路线和制造工艺，各有优势。N型双面组件得益于其基体材料的特性，双面率（标准测试条件下，背面功率与正面功率之比）可达85~90%，高于P型双面的65~75%，且衰减比P型低；而P型PERC双面组件只需基于现有产线，增加沉积背面钝化层和背面激光开槽两道工序，基本不增加额外成本，性价比较高。目前，P型单晶双面PERC电池产能已成规模，因此本论文选用了单晶双面PERC电池。3.1.2PERC技术原理分析PERC工艺利用Al2O3/SiNx在电池背面成钝化层，降低背表面复合，增加电池背面对长波反射，从而提升电池效率。Al2O3钝化层的场钝化效应和化学钝化效应使得PERC电池在1000-1200nm范围的光电转换量子效率显著提升，且PERC电池结构增加了电荷的输运距离。PERC电池结构、内量子效率与反射率曲线如图3.2所示。a）PERC电池结构b）PERC电池内量子效率与反射率曲线图3.2PERC电池结构、内量子效率与反射率曲线图该技术的主要工艺方式为：在硅片背面镀上一层Al2O3薄膜，再在Al2O3薄膜上覆盖上一层SiNx薄膜，然后用激光在硅片背面进行打孔或开槽，将部分Al2O3与SiNx薄膜层打穿露出硅基体，背场通过薄膜上的孔或槽与硅基体实现接触[31]，如图3.3所示。该项技术主要带来两方面性能提升：1）提升背钝化效果；降低背表面负荷速率，产生更高的开路电压和短路电流；24 西安建筑科技大学硕士学位论文2）提升长波光段在电池背表面的内反射；提升组件弱光环境下的发电能力（低辐照度下效率保持率：200W/m2，效率≥98%）。图3.3电池工艺过程图PERC技术可以在单晶硅片和多晶硅片应用，成本近似，但效率提升的比例不同，前者可以提高5%的功率，后者的提升只有单晶的一半。因此，越来越多的PERC生产线选择采用单晶路线。2018年PERC单晶组件功率分布及产能规划如图3.4所示。60单晶组件产品功率路线图基地单晶电池产能规划如下：图3.42018年PERC单晶功率分布及产能规划图25 西安建筑科技大学硕士学位论文3.2PECR技术优点分析相比于常规电池组件，单晶PERC双面组件在组件转换效率、组件衰减、组件功率温度系数、弱光发电等方面有明显的优点。（1）组件转换效率高PERC电池使用AlOx作为背面钝化层，在Al2O3中，一般会有很多负的固定电荷（Qr约为1012～1013cm-2），其可以有效地吸引P型中的空穴（多子），使P型层处于累积状态，有效的减少背表面的电子浓度，增加电子到达正表面的几率，增强电池钝化效应，从而有效提升电池效率，如图3.5所示。图3.5PERC单晶电池与传统单晶电池的量子效率比较图（2）组件衰减低Hi-MO产品在RETC实验室60kWh光衰测试结果处于0.02～0.45%范围内，而产品保证值可达到首年衰减小于2%、之后每年衰减小于0.55%、25年后功率保证值大于84.8%；而Hi-MO2产品保证值可达到首年衰减小于2%、之后每年衰减小于0.45%、25年后功率保证值大于84.95%，如图3.6所示。26 西安建筑科技大学硕士学位论文图3.6组件衰减测试图（3）组件功率温度系数高。单晶PERC组件因效率高，因此光热转换小，开压高因此功率温度系数低，因此温升带来的发电损失较常规组件低；单晶PERC组件功率温度系数为-0.38%，普通单晶-0.41%，多晶-0.42%。（4）弱光发电良好。PERC组件在低辐照条件下的转换效率更高、红外波段转换效率更高，配合启动电压较低的逆变器，在弱光情况下具备更良好的发电量效果。PERC单晶电池与传统单晶电池的量子效率比较，在高福照度条件下相对效率相差不大；在低辐照度条件下，PERC单晶组件弱光响应优于常规单晶组件，常规单晶组件弱光响应优于常规多晶组件；PERC单晶和常规单晶光谱范围更广，从而具有更好的弱光发电能力，这一优势在阴雨天更为突出；在相同辐照条件下，每千瓦单晶系统的年总发电量高于多晶系统约3%左右，如图3.7所示。图3.7PERC单晶电池与传统单晶电池的量子效率比较图27 西安建筑科技大学硕士学位论文3.3PECR双面组件对发电量提升的研究国际上的光伏项目在设计阶段基本均采用PVsyst建模仿真，PVsyst官方在瑞士建立了7个实证电站，试验结果表明：在有完整、准确的气象实测数据的情况下，软件的仿真结果与实际运行结果相比，全年8760小时发电量的方均根偏差最小可以到5.1%，全年发电量偏差最小可以到-0.9%。本节主要研究双面组件对发电量的提升，选用单/双面组件+固定式支架进行仿真研究。本文所研究领跑者光伏电站光伏组件选用PERC单晶双面320Wp组件，逆变器选用双面组件专用100kW组串式逆变器（相关设计参数参见第五章）。利用PVsyst进行仿真建模，不考虑组件背面效率的情况下，固定式安装系统效率80.43%，装机容量为1MW的光伏组件首年发电量为140.2万度；固定式安装装机容量为1MW的双面光伏组件（背面功率转化比例：＞82.15%）首年发电量为154.5万度，年发电量提升10.2%。固定安装方式单面组件仿真报告详见附件Ⅱ；固定安装方式双面组件仿真报告详见附件Ⅱ-1；平单轴跟踪系统单面组件仿真报告详见附件Ⅱ-2；平单轴跟踪系统双面组件仿真报告详见附件Ⅱ-3。由以上仿真建模报告分析可得出发电量对比见表3.1，双面组件逐月发电量增益见图3.8，每兆瓦双面组件装机容量（平单轴跟踪）逐月发电量增益见图3.9。表3.1每兆瓦装机容量首年发电量对比表发电量（单面组件）发电量（双面组件）安装方式每MWp首年模拟发电量每MWp首年模拟发每MWp首年模拟发电量（万度）电量（万度）与常规组件比值固定式0度9米140.2154.5110.2%平单轴0度9米158.9173.7109.3%28 西安建筑科技大学硕士学位论文图3.8每兆瓦双面组件装机容量（固定式安装）逐月发电量增益图3.9每兆瓦双面组件装机容量（平单轴跟踪）逐月发电量增益3.4本章小节本章主要分析了目前光伏行业常规选用的几种高效电池技术，并重点分析了P型单晶PERC电池技术及其优点。通过综合比较，本论文选用PERC单晶双面光伏组件。通过Pvsyst软件对双面组件对系统效率和发电量的提升进行了仿真，29 西安建筑科技大学硕士学位论文结果表明，采用固定式支架安装双面组件设计可提升发电量10.2%，平单轴跟踪系统双面组件设计可提升发电量23.89%。30 西安建筑科技大学硕士学位论文4跟踪系统对发电量的影响与分析传统的光伏电站采用固定式支架技术，降低成本主要依靠减少钢量使用，成本降低空间非常有限；而通过光伏组件和逆变器效率提升来降低成本也遇到瓶颈，提升速度和幅度较小；相对于固定式电站，跟踪式光伏电站能够以较小的建设成本，获得较大的电量增长，从而降低电站的度电生产成本，提升企业利润和竞争力。目前，单轴跟踪系统已成为光伏电站降低发电成本和提高综合效率的主要研究方向之一。本章对光伏跟踪系统尤其是平单轴跟踪系统进行了分析，并通过仿真研究了跟踪系统对发电量的影响[36]。4.1光伏阵列自动跟踪系统的概述4.1.1光伏阵列自动跟踪系统光伏阵列自动跟踪系统（简称跟踪系统）通过实时跟踪太阳运动轨迹，使太阳光直射光伏阵列，从而增加光伏阵列接收到的太阳辐射量，提高光伏发电总量[32]。根据光伏支架的调节方式，跟踪系统可分为双轴和单轴系统。双轴跟踪即对东西向和南北向都进行跟踪，单轴跟踪即放弃发电量增益较少的南北向跟踪，只做东西向跟踪。双轴跟踪相对于固定支架式可提升发电量30%以上，但双轴跟踪系统每个单元组件数量受到限制，占地面积很大（超过100亩/兆瓦）；而且双轴跟踪系统具有两个独立的动力执行机构，每兆瓦使用电机数量在400台左右，成本很高，设备维护麻烦，故障高发。因此单轴跟踪得到了更多应用。根据转轴的方位，独立式单轴跟踪系统可以分为平单轴跟踪系统和斜单轴跟踪系统。平单轴跟踪系统是光伏支架转轴平行于水平面安装，并绕一维轴旋转，旋转轴为南北走向，使得光伏组件的受光面在一维方向尽可能垂直于太阳光的入射角的跟踪系统[33]，其原理是通过旋转轴来改变电池组件的角度，从而达到太阳光垂直于电池组件面板，增大光强度从而提高光伏转化率[34]。斜单轴系统为轴向与水平地面形成一个固定的倾角，发电量高于平单轴系统，但如果考虑阴影遮挡问题，占地也较多，造价较高。31 西安建筑科技大学硕士学位论文根据论文研究光伏电站的实际情况，地块坡度、坡向非常复杂，单轴系统的转动轴倾角应该与地势的平均坡度基本一致（相当于平单轴系统，不存在南北遮挡问题），连续可调的单轴跟踪系统能够随坡就势，满足地形条件。4.1.2平单轴跟踪系统平单轴跟踪系统对太阳运行轨迹进行跟踪，能保证全天两排光伏电池板间无阴影遮挡，保证电池板组件光射强度的最大化，提高系统效率如图4.1所示。图4.1平单轴跟踪方式示意图该系统结构简单运行稳定可靠，一般只改变电池组件自东向西方向的倾斜角，并不改变南北方向的倾斜角。跟踪系统旋转一周约24小时，与地球自转速度相对应，其原理结构如图4.2所示。电子时钟限位开关控制器马达驱动器马达变速跟踪机构传感器图4.2单轴跟踪系统原理图只要传感器感应到光信号，系统就会在其设置范围内自动跟踪，无需定位适应各种天气。白天光照传感器感应不到光照时，跟踪系统自动停止工作，一旦传32 西安建筑科技大学硕士学位论文感器感应到光照，都会实现即刻追踪。其中每个独立式跟踪系统需要一台电机和驱动系统，可驱动30-60平方米的组件，每兆瓦使用电机数量约200台，因为要采用较多的电机和驱动系统，在性价比和可靠性方面还有优化的空间。如果将平单轴跟踪支架横向连成一排同时联动运行，通过其在东西方向上的旋转变化，保证任意时刻太阳光与光伏电池板面的法线夹角为最小值，以此来获得较大的发电量，即构成联动式平单轴系统[34]，如图4.3所示。通过同步联动技术可把每兆瓦的电机数量降低到8台以内，成本和可靠性都得到了很大提升。图4.3联动式单轴跟踪系统目前联动式平单轴跟踪系统产品更成熟，性能更稳定，已具备大规模使用的条件。论文中采用的跟踪系统在平地使用时每兆瓦使用电机数量为2-6台，年耗电量约400度，投资成本增加很少，而发电量可以提高10%-25%，能够有效的降低度电成本，具体技术参数见表4.1。33 西安建筑科技大学硕士学位论文表4.1单轴跟踪系统技术参数技术要求参数工作电压300VDC到1600VDC供电方式组件取电，电池备用工作环境温度-30℃到60℃过流保护有防护等级IP65系统待机功耗20mA，27VDC跟踪范围-60°到60°跟踪精度≤±2°限位保护有逆跟踪有跟踪手动控制有跟踪异常显示及报警有大风保护开始保护：风速大于18m/s。夜间返回有雨天模式系统以15°为步长在60°到120°范围内往返运动雪天模式东软限位+2°和西软限位-2°，就近停靠通讯方式LORA无线通讯或485总线授时方式GPS授时软件升级可在线升级4.1.3可靠性设计为了最大限度保证系统运行可靠性，需要从驱动传动设备保障、辅助元器件保障、抗风保护、远程通讯、防尘防水和关键设备测试等方面进行设计。1）驱动传动设备保障。驱动传动设备采用蜗轮蜗杆减速机，如图4.4所示。蜗轮蜗杆减速机具备自锁功能，在发生意外的瞬时荷载时仍能对电机和控制器提34 西安建筑科技大学硕士学位论文供保护。图4.4驱动传动设备2）辅助元器件保障。对产品长期运行可靠性有较大影响的部件主要是轴承。单轴跟踪系统采用高分子工程塑料轴承，具有自润滑、耐高低温、紫外线、防沙、防水、防尘功能，经过多达4吉瓦的应用，其长期运行可靠性得到验证。另外，轴承产品还采用双片、单翼缘的设计，安装和更换容易。3）抗风保护。跟踪系统配置风速仪和RSU（风速控制器），当检测风速超过最大正常工作风速时，自动启动抗风保护，跟踪系统自动放平。4）远程通讯。通讯部分采用MODBUS通讯协议，场内采用主控与分控模式，主控与分控之间采用无线通讯协议，主控通过光纤网络或接入其他智能运维厂家设备，把信号传输至总控室。如图4.5所示。图4.5智能跟踪远程通讯示意图35 西安建筑科技大学硕士学位论文此外，跟踪系统还提供远程监控和故障排除的智能功能，系统具有自动报警功能，在发生故障后通过Email或者手机通知技术人员，绝大部分的现场故障都可以通过Internet远程方便解决，显著降低故障排除时间和待机率。5）防尘防水。跟踪系统需要应对雨、雪、沙尘等复杂气候，为保证系统25年运行周期内的可靠工作，需要对防护等级进行严格限制，并对产品质量进行严格把关。6）关键设备测试。在关键设备选用设计方面，通过风洞试验等措施精确确定风荷载，在此基础上选择有足够安全系数的可靠设备。关键设备均采用全寿命加速测试，如图4.6所示，以确认产品性能指标满足设计要求。图4.6关键设备测试4.2联动式平单轴跟踪系统技术研究4.2.1联动式平单轴跟踪系统设计根据具体工程背景（参见第五章），为应对复杂的地形情况，论文采取新型的单轴跟踪系统——0°-20°范围连续可调联动单轴跟踪系统方案，同时，在南坡采用连续可调的单轴产品，相当于使用平单轴系统来达到斜单轴系统的发电量。另外，由于梯田的宽度、朝向千变万化，给东西向排布的固定支架的设计带来很大困难，每一排都要根据实际情况差异化设计。而连续可调的单轴跟踪系统为南北向排布，对梯田地形的适应性强，简化了设计难度。对于地形南北坡度：0°-20°范围连续可调联动单轴跟踪系统通过调节桩基础标高来满足单轴跟踪系统的安装，同时具有可调轴承箱，可调节南北向的仰角、36 西安建筑科技大学硕士学位论文东西向偏角、上下高度，从而保证对地形南北坡度有很好的适应性。如图4.7~4.9所示。图4.7连续可调联动单轴跟踪系统在坡地的应用图4.80°-20°范围连续可调联动单轴跟踪产品在梯田的应用37 西安建筑科技大学硕士学位论文图4.90°-20°范围连续可调联动单轴跟踪产品在梯田的应用侧视图对于地形东西坡度，针对东西向地形有起伏的，驱动马达基础东西两侧可采用可调长度的铰接式推拉杆，其对东西向坡度的适应性基本上没有局限。4.2.2联动式平单轴跟踪系统性能研究1）占地面积。为了对比固定式电站和跟踪式电站的占地面积，选取三种固定式支架典型兆瓦布置单元和两种跟踪式兆瓦典型布置单元进行对比。固定式选取山地、平地和梯田典型布置，跟踪式选取5度倾角和10度倾角典型布置，见表4.2。对于梯田地形，单轴跟踪系统在兆瓦单元综合占地面积上比固定式略小。表4.2固定式支架与单轴跟踪系统兆瓦占地面积对比兆瓦单元兆瓦单元综合序号组件布置类型占地面积（亩）占地面积（亩）1山地固定式24.5426.52平地固定式21.85283梯田固定式24.5432.64梯田5度安装倾角跟踪式26.6231.585梯田10度安装倾角跟踪式26.3431.282）增加发电量。单轴跟踪系统的最大优势就是提高发电量。利用PVsyst仿真软件，相对于固定式最佳倾角光伏发电系统，平单轴系统可提升发电量7.3%以上，20度斜单轴系统可以提升发电量近18%。3）遮挡情况。固定支架及其组件背光面形成长期遮挡，一定会有光照不到的死角，不适合光伏组件下方植被的生长。对某地7月份一天中各个时段单轴跟踪系统对地面的遮挡情况模拟如图4.10所示。单轴跟踪系统由于组件每天跟随38 西安建筑科技大学硕士学位论文太阳东西向转动，在地面上没有死角，每个角落都会有光照，可以达到60%的透光率，不影响下面植被的生长，实现无光照死角。图4.10跟踪系统阴影模拟农光互补项目中跟踪支架系统桁架多采用百叶窗的结构设计，如图4.11所示。由于遮挡了30%左右的阳光，形成了一个低温小气候，减少了病虫害，同时，还能有效延长作物的生长时间，提升作物品质。图4.11农光互补项目跟踪系统安装示意图39 西安建筑科技大学硕士学位论文4.3平单轴跟踪系统对发电量提升的研究论文中对采用固定式安装方式和平单轴跟踪支架安装方式的光伏发电系统进行了仿真研究。考虑农光互补因素，光伏组件间距均为9m，支架最低点距地面高度不低于2.5m，利用PVsyst分别对平单轴+双面组件与固定式+双面组件进行对比研究，仿真边际条件见表4.3和4.4。表4.3平单轴支架部分PVsyst系统仿真边际条件类别数值备注平单轴支架轴间距9m农光互补平单轴支架轴高2.5m保证组件最低点据地高度不小于2.5m根据天合、隆基等国内知名企业和SolarWorld等国外知企业的公开报告数据，地面为草地时反射率为15%至25%，地面反射率25%考虑使用白色农业地膜，本论文组件下方地面反射率取值为25%。表4.4固定式支架部分PVsyst系统仿真边际条件类别数值备注固定式支架前后排9m农光互补间距固定式支架组件最2.5m保证组件最低点据地高度不小于2.5m低点据地高度根据天合、隆基等国内知名企业和SolarWorld等国外知企业的公开报告数据，地面为草地时反射率为15%至25%，地面反射率25%考虑使用白色农业地膜，本论文组件下方地面反射率取值为25%。结合设定的地理位置和光资源情况进行模拟分析，数据见表4.5。40 西安建筑科技大学硕士学位论文表4.5平单轴支架在不同间距下发电量一览表1.024MWdc-1.0MWac发电量（单晶双面320Wp组件为基准）（MW.h）月份东西10.0m东西9.0m东西8.0m东西7.0m东西6.0m固定32°1月96.294.891.188.785.9107.12月103.4102.499.296.993.9104.33月134.5133.1129.0127.1124.1122.54月179.1168.7163.8161.0157.5140.85月208.7207.1201.2197.7193.4162.46月198.0196.7191.3188.7184.8151.37月202.4200.7194.9192.0187.7153.08月185.9184.3179.2176.3172149.09月145.3144.1139.9137.5134.4129.010月126.0124.3119.8117.2114.1122.311月96.194.991.890.186.9103.312月87.486.383.281.178.0100.2全年/kWh1753.91737.11684.31654.21612.71545发电量提升13.5%12.4%10.9%7.1%4.4%-占地面积/m²176251586314100123381057515863面积增加11.1%011.1%22.2%-33.3%-由表4.5可知，在轴间距为9米的情况下，在基本不增加土地面积的前提下，平单轴跟踪支架配合双面组件，发电量提升可达到12.4%。利用PVsyst进行模拟仿真（仿真报告详见附件）得出每兆瓦装机容量的逐月发电量如图4.12所示。41 西安建筑科技大学硕士学位论文图4.12不同安装方式每兆瓦双面组件装机容量的逐月发电量对比从图4.12中一年中不同支架形式月发电量对比曲线可知在夏秋季节跟踪支架接收的太阳辐射量增益比较高，在春冬季节，跟踪支架接收的太阳辐射量增益比较小[35]，而且平单轴跟踪系统+双面组件比固定式+单面组件安装发电效率高，年发电量增加了23.89%。结合场址区用地和表4.6所示1MWp模拟发电量提升情况进行经济性分析，最终采用平单轴0度跟踪方式与固定式各占50%的运行方式。表4.61MWp装机容量模拟发电量每MWp首年模拟发电量（万每MWp首年模拟发电量与固定式比安装方式度）值固定式0度9米154.5100%平单轴0度9米173.7112.4%4.4本章小节本章简要介绍了光伏跟踪系统的原理基础上，重点分析了平单轴跟踪系统的运行原理。本电站设计在支架系统上选用了平单轴跟踪系统。通过PVsyst对领跑者光伏电站四种系统进行仿真模拟，1MWp跟踪系统仿真得到结果，相同安装42 西安建筑科技大学硕士学位论文条件下（轴间距9m，支架最低点距地面高2.5m），通过分析后得到平单轴跟踪年发电量比固定式提高可达到12.4%。43 西安建筑科技大学硕士学位论文44 西安建筑科技大学硕士学位论文5领跑者光伏电站总体设计及性能研究在领跑者光伏电站站址分析、PERC双面组件和支架安装方式等关键设计要素研究的基础上，本章重点研究了该领跑者光伏电站的总体设计，主要完成了电站总体设计、光伏方阵设计、电气设计等，在此基础上对系统效率和发电量进行了初步计算。5.1电站总体设计本文所研究的领跑者光伏电站站址分为两个地块，土地利用现状类型为一般农田与未利用地。结合地形图实际情况，考虑针对台面较大的台地部分，采用平单轴+双面组件+组串式逆变器，以充分利用场地，增加发电量，减少不匹配损失；针对台面较小的台地部分或山地部分，采用固定式支架+双面+组串式逆变器，提高土地利用率，减少因朝向不一致或山体遮挡等造成的损失。总装机容量为250MW，共分为100个2500kW光伏发电单元系统，地块一布置60个、地块二布置40个2500kW光伏发电单元系统。光伏组件选用单晶双面PERC电池组件，组件功率320Wp，组件转换效率20.6%。逆变器选用100kW双面组件专用组串式逆变器，其系统电压为1500V，每台逆变器至多可接入12路组串，最大转换效率高达99.00%，欧洲效率高达98.70%。光伏支架根据地形不同分别配置有固定式支架与平单轴支架。站址区包括黄土塬地形与山地等复杂地形，在黄土塬地形上采用平单轴跟踪支架，在山地地形上采用固定式支架。在地块一及地块二分别建设一座110kV升压站。电站内每个发电子系统配套有就地升压箱变，经过就地升压变压器出来的电缆线路统一汇集到站内110kV升压站[36]。两个地块分别以一回110kV线路送出。5.1.1主要设备设计一个大型并网电站的主要设备构成，根据逆变器的设计方案不同主要分为以下两大类，如图5.1和5.2所示。45 西安建筑科技大学硕士学位论文图5.1大型并网光伏电站（集中式逆变器）的基本构架图5.2大型并网光伏电站（组串式逆变器）的基本构架第一大类是采用集中式逆变器，此类逆变器采用室内立式安装，体积庞大，多采用大电流的IGBT。此类电站的主要器件为：光伏组件、交直流电缆、直流汇流箱、集中式逆变器、升压箱变[37]。第二大类是采用组串式逆变器，此类逆变器采用壁挂式室外安装，体积小，采用小电流的MOSFET。此类电站的主要器件为：光伏组件、交直流电缆、组串式逆变器、交流汇流箱、升压箱变[37]。5.1.2光伏组件设计光伏组件是整个光伏发电系统的最核心的部件，由晶硅电池、低铁超白钢化玻璃、EVA胶膜、含氟背板、铝合金边框、接线盒、直流线缆和MC4插头组成。其各项参数指标的优劣直接影响着整个光伏发电系统的发电性能，光伏组件电性46 西安建筑科技大学硕士学位论文能的各项参数有：标准测试条件下组件峰值功率、峰值电流、峰值电压、短路电流、开路电压、最大系统电压、组件效率、短路电流温度系数、开路电压温度系数、峰值功率温度系数等[38]。根据领跑者光伏电站背景的以下几个特点，进行光伏组件选型：（1）与环境的适应性：本论文所研究领跑者光伏发电为农光互补模式，环境湿度大，且环境PH值呈碱性，容易引发光伏组件的PID效应，故本论文设计采用单晶双面PERC电池组件。（2）发电效率的要求：根据国家能源局对于本批次技术领跑基地要求的技术指标要求，单晶硅光伏组件的转换效率应达到18.9%以上[39]。选用单晶双面PERC电池组件可达到此项指标。（3）节约用地，提高土地利用率：本领跑基地规划区域的土地性质以一般农用地为主，地貌以台地为主。为节约土地，提高土地利用率，设计选用320Wp大功率组件。对于组件选型及其对系统效率及发电量影响的研究详见第四章。单晶双面PERC320Wp光伏组件参数见表5.1～表5.4。（1）机械性能参数电池片（mm）：双面PERC电池156.75×156.75尺寸（mm）：1650×991电池片排列：60（6×10）接线盒防护等级及认证：IP67TUV或UL认证（2）工作条件最大系统电压（V）：DC1500最大额定电流（A）：15工作温度（℃）：-40～+85标称工作温度NOCT（℃）：42±2背面功率转化比例：＞82.15%该产品应用于1500V系统时，系统其他部件，包括但不限于逆变器、汇流箱、连接器、电缆，均需满足1500V系统要求。47 西安建筑科技大学硕士学位论文表5.1单晶双面PERC电池组件功率衰减特性表出厂功率（W）320(1)第1年功率衰降%2313.6(2)前2年功率衰降%2.45312.16(3)前3年功率衰降%2.9310.72(4)前4年功率衰降%3.35309.28(5)前5年功率衰降%3.8307.84(6)前10年功率衰降%6.05300.64(7)前15年功率衰降%8.3293.44(8)前20年功率衰降%10.55286.24(9)前25年功率衰降%12.8279.04（10）30年功率衰降%15.05271.84表5.2电池组件参数表电性能参数320W单晶双面光伏组件测试条件正面背面最大功率（Pmax/W）320275开路电压（Voc/V）41.440.9短路电流（Isc/A）9.808.39峰值功率电压（Vmp/V）33.433.6峰值功率电流（Imp/A）9.598.18组件效率（%）19.817.0STC（标准测试环境）：辐照度1000W/㎡，25℃，AM1.5表5.3组件综合电性能（按照背面功率5%增益计算）组件正面功率/WPmax/WVoc/VIsc/AVmp/VImp/A综合效率320333.841.410.2133.49.9920.6%48 西安建筑科技大学硕士学位论文表5.4温度系数参数数值PMAX温度系数—0.38%/℃VOC温度系数—0.30%/℃ISC温度系数0.048%/℃5.1.3逆变器设计集中式逆变方案和组串式逆变方案逆变器的异同见表5.5。集中式逆变器是较传统的方案，多个光伏组串经过直流汇流箱汇流后，连接到集中式逆变器[37]。经双分裂绕组升压变压器将逆变器输出的低压交流电升压后送出。组串式逆变方案是小能量的逆变，即多个光伏组串接入组串式逆变器，然后将多个组串式逆变器并联接入交流汇流箱汇流，再经双绕组升压变压器将逆变器输出的低压交流电升压后送出。49 西安建筑科技大学硕士学位论文表5.5逆变方案对比表设备及参数集中式逆变方案组串式逆变方案不同功率、电流分档的组组件多路MPPT，可支持组件混用件不可混用1500V直流汇流箱，只具有汇流箱汇流和支路电流电压检测无交流汇流箱，降低初始投资功能采用两台逆变器并联，体需数十台组串式逆变器，就地支架安装，逆变器积较大不占用土地1500V系统以直流线缆为线缆1500V系统以交流线缆为主主箱变双分裂变压器双绕组变压器组串失配为直流侧失配，组件式方案每2个组串对应一路MPPT，集中式方案一般为2~4路每MW有约100路MPPT，组件适配影响MPPT损耗MPPT，因阴影遮挡、仰角较小，根据地形此部分可提高发电量不一致、组件不一致带来0.5~2%[37]的损失较大[37]集中式方案的直流传输电压为800V~1300V之间，电直流传输损耗直流线缆就近接入逆变器，传输损耗较小压波动较大，其传输损耗较大传统汇流箱的欧效一般为汇流箱损耗无交流汇流箱，可减小系统损失99.8%逆变器损耗相当相当集中式方案的交流传输电由于逆变器距箱变低压侧较远，需长距离交流传输损耗压多为550V，且需配两组交流传输，其损耗相应提升0.5%[37]电缆，其传输损耗较大[37]1.直流走线长，拉弧风险1.直流环节短，无熔丝，拉弧风险降至最高，灭弧困难，电站火灾低；安全可靠性隐患大，冬季尤其明显；2.组串级监控，通讯可靠性高，风险可知2.直流汇流箱通信可靠性可控低，危情不可知不可控数量少，应用成熟，谐波电网友好性逆变器数量多，应用成熟，谐波相对较大小系统损耗主要为直流侧电系统损耗主要为交流侧电缆损耗，相比集总结缆损耗中式提升0.5～2%以上发电量本论文光伏组件均采用PERC单晶双面组件，为减少组件不匹配造成的发电量损失，逆变器选用1500V组串式逆变器方案。50 西安建筑科技大学硕士学位论文本论文以华为SUN2000-100KTL双面组件专用组串式逆变器为参考进行系统方案设计。每台组串式逆变器多达6路MPPT跟踪路数，输入端子最大允许电流为25A，适配于双面组件的大电流发电特性，静、动态跟踪效率分别高达99.9%和99.8%，可减少组件失配损失。参数见表5.6。表5.6SUN2000100KTL组串式逆变器的关键技术参数详表项目单位参数最大输入电压V1500输入端子最大允许电流A25MPPT电压范围V600~1500输入连接端数12MPPT路数6额定功率kW100最大交流输出功率kVA110最大输出电流A80.2最大总谐波失真<3%(额定功率时)额定电网电压V800额定电网频率Hz50隔离变压器不具备直流电流分量<0.5%额定输出电流功率因数可调范围0.8（超前）~0.8（滞后）最大效率99%中国效率98.6%尺寸（宽×高×深）mm1075×605×310IP防护等级IP65散热方式自然散热5.2光伏方阵设计5.2.1光伏方阵安装方式设计光伏方阵的安装方式有固定倾角式、螺栓调节倾角式和自动跟踪式三种类型，自动跟踪式又可分为“单轴跟踪”、“双轴跟踪”两种类型[40]。51 西安建筑科技大学硕士学位论文固定倾角式：光伏方阵用螺栓固定安装在热镀锌光伏支架上，光伏电池板统一朝正面朝南放置，且根据不同地区的纬度，有一定的倾角。倾角则根据当地的纬度和辐照度优化设计[41]，如图5.3所示。图5.3固定式光伏方阵单轴跟踪式：光伏支架的转轴平行于水平面安装，并绕一维轴旋转，旋转轴为南北走向，使得光伏组件的受光面在一维方向尽可能垂直于太阳光的入射角的跟踪系统[40]。如图5.4所示，常见形式为平单轴支架与斜单轴支架，平单轴跟踪系统能够提高安装组件整体发电量15%以上，斜单轴跟踪系统能够提升电站整体发电量25%以上。图5.4单轴跟踪式光伏方阵52 西安建筑科技大学硕士学位论文双轴跟踪式：是指使用光控和时控两种控制手段来保持光伏组件随时正对太阳的装置，如图5.5所示。双轴跟踪系统能够提高安装组件整体发电量35%以上。图5.5双轴跟踪式光伏方阵5.2.2光伏方阵运行方式分析常见的光伏电站支架系统有固定式和跟踪式两种。固定式支架在国内技术已经十分成熟，多用于大型地面电站和分布式屋顶电站，其优势在于结构简单稳定、基本免维护，但对于整个光伏系统而言，年利用小时数较低。跟踪式支架系统优势在于年利用小时数高[42]，不仅可以提升组件的发电量，还能充分节约土地资源，能够带来较大的经济收益，但支架部分成本增加、后期运行维护工作量较大、技术要求较高，而且对于地形的要求较高，对于一些坡度大的丘陵，山地等地带，只能使用固定式支架。根据目前采集的现场数据，安装晶硅类电池组件时，以固定安装式为基准，不同运行方式下1.25MWp光伏阵列运行维护情况见表5.7[43]。53 西安建筑科技大学硕士学位论文表5.71.25MWp四种运行方式参数固定式平单轴斜单轴双轴发电量占比100%108%115%125%占地（万平米）1.992.023.704.04投资占比100%107%125%133%运行维护简单复杂复杂复杂面板角度可调，抗风面板角度可调，抗大风能力抗风能力差抗风能力差强抗风强经过对比分析，若采用平单轴跟踪系统，系统实际发电量较固定式可提高8%以上，若采用斜单轴跟踪系统，系统实际发电量较固定式可提高约15%以上。但斜单轴用地约是相同容量固定支架占地面积的1.85倍左右，双轴跟踪用地约是相同容量固定支架占地面积的2.0倍左右。本领跑者光伏电站所提供的土地地形以台地为主，但台面宽度差异较大。针对台面较小的台地，采用固定式支架，充分利用土地面积，提高装机量；针对台面较大的台地，采用跟踪式支架，充分提升组件的发电量。结合场址区用地和发电量提升情况，选用联动式平单轴跟踪方案，跟踪式支架总体容量根据工程场址情况确定，本阶段暂按光伏电站装机容量的50%考虑。根据国家光伏发电试验测试基地项目不同跟踪方式、组件、逆变器发电量实测数据分析，采用平单轴+双玻双面组件可大幅提升发电量，同时降低最大输出功率幅值，有效平滑输出特性曲线，冬季由于太阳高度角低，平单轴跟踪系统冬季功率输出幅值和发电量相对较低。本论文选择采用平单轴+固定支架相结合的方式，以便在有效控制投资成本的前提下，尽可能提高光伏电站发电量，并有效平滑输出特性曲线，提高对电网的友好性。按国家光伏发电试验测试基地项目实测数据，挑选出不同季节1MWp的典型日的数据，按固定式支架和平单轴跟踪支架各50%的比例，分别作出春夏秋冬不同季节的出力曲线，见图5.6。54 西安建筑科技大学硕士学位论文图5.6-1春季出力曲线图5.6-2夏季出力曲线55 西安建筑科技大学硕士学位论文图5.6-3秋季出力曲线图5.6-4冬季出力曲线根据上图不同季节的出力曲线可以看出，采用平单轴和固定支架相结合的方式时，输出功率曲线顶部变平，夏季平单轴的出力较高，固定支架出力较低，两者结合后出力曲线可以很好地互补，整体出力水平较单一平单轴略低，可有效减少中午高峰时间段限发问题；冬季固定支架的出力最大，平单轴出力只达到固定支架的70%左右，采用固定式支架和平单轴跟踪支架相结合的方式时，可弥补全部采用平单轴跟踪支架时冬季输出功率幅值和发电量偏小的问题，达到优化领跑56 西安建筑科技大学硕士学位论文者光伏电站输出功率曲线，减少中午限电时发电量损失的目的，同时增加早晚的发电量。5.2.3光伏阵列倾角及方位角设计光伏阵列表面接受的辐射量不仅受制于光伏电站地理位置，同时与阵列表面相对于水平面的倾角和方位角有关。方位角为0°时，光伏组件朝向正南，在相同倾角情况下阵列表面接受的辐射量最大，因此本论文光伏组件方位角取0°。根据该领跑者光伏电站场址的太阳辐射资料，通过PVsyst软件进行各月日倾斜面上平均太阳辐射量的计算[44,45]，在保证尽量少的日光辐射损失下降低安装角度，倾斜面太阳辐射变化曲线如图5.7所示。图5.7各倾斜角度年总辐射量分布由图可见光伏阵列表面年总辐射量在倾角为32°时最大，为5609.7MJ/m2，综合考虑系统发电量、光伏组件支架等因素，本阶段推荐固定式光伏阵列倾角为32°，光伏阵列倾斜表面年总辐射量为1558.3kWh/m2。根据估算以及实证案例，平单轴支架较固定支架的全年太阳辐射量可提升12.5%，计算可得其峰值日照小时数为1753.1小时。57 西安建筑科技大学硕士学位论文5.3光伏子方阵设计5.3.1光伏方阵的串并联设计该论文所采用的组串型逆变器功率为100kW，开路电压为1500V，MPPT电压范围600V~1500V。采用单晶双面320W组件，Voc=41.4V，Vmp=33.4V。设每个方阵的组件串联数为S，最大串联数为Smax，最少串联数为Smin。组件串联设计如下：（1）320Wp组件串联数范围计算：Smax＝Udcmax/Voc＝1500/41.4＝36（块）Smin＝Udcmin/Vm＝600/33.4＝18（块）（2）输出电压范围计算：Vmax＝（18～36）×41.4+(18～36）×41.4×（19.7+25）×0.30%＝845.1～1690.2VVmin＝（18～36）×33.4－（18～36）×33.4×（70-25）×0.30%＝520.1～1040.2V通过对组件温度系数-0.30%/℃修正计算，该方阵的组件串联数选用30块/串为最佳，即：Vmax＝30×41.4+30×41.4×（19.7+25）×0.30%＝1408.5VVmin＝30×33.4－30×33.4×（70-25）×0.30%＝866.8V通过以上计算，得知该方阵组件的串联数在30块时，其输出电压范围在组件和逆变器的电压允许范围之内。则该组串的功率为320Wp×30＝9600Wp。（2）320Wp组件光伏电池组串的并联路数N的计算：考虑并网逆变器的最大直流输入允许过载能力以及双面组件背面功率的影响，本论文采用的单台100kW逆变器接入组串数为12串。经过以上分析，采用系统电压为1500V的100kW逆变器时组件串联数量为30块，接入每台逆变器的组串数量为12串。每个2.5MW方阵逆变器数量为25台。计算结果总结：根据320W单晶双面PERC组件的规格参数对2500kWp单晶双面光伏电池矩阵的组件串联数量及并联数计算，320Wp单晶双面组件数量为9000块；组件装机容量：2880kWp（标称容量为2.5MWp）。58 西安建筑科技大学硕士学位论文5.3.2组件排布优化双面组件因为背面也发电，而背面的辐照量受地面反射和空间散射光影响，所以不同位置的组件的综合辐照不同，见图5.7，1~4排组件的综合辐照均不同。图5.7双面组件综合辐照情况因为双面组件的距地高度和其接收到的反射辐射量是有关系的，适当增加组件的距地高度有利于提升其反射辐射的接收量。对于一个典型的2行22列的光伏方阵，下面一行的距地高度和上面一行的距地高度是不同的（特别是在组件竖向布置时），所以上、下行组串所接收到的反射辐射量也不相同，下面一行组件的电流低于上面一行组件。所以在进行组串接线时，如果选择方式“C型”解法，受下面一行组件低电流的影响，上面一行组件的电流也会降低，从而使得整体的输出功率有所降低。如果采用“一字型”解法，上下两行单独成串，互不影响，充分的利用了双面组件的性能，提高了发电量，见图5.8和图5.9。而且不建议将上下两串组串接入到同一路MPPT中，避免两个组串之间又发生相互的影响。59 西安建筑科技大学硕士学位论文图5.8“C型”解法图图5.9“一字型”解法图基于以上原因，双面组件推荐采用“一字型”解法，而不是常规单面组件中的“C型”解法，“一字型”解法保证每串组件的一致性。另外，因为组件内部也是由单体电池构成，组件横向排布相比于竖向排布组件内部电池失配更小，所以推荐组件横向排布。5.3.3光伏方阵的间距设计由于阴影遮挡对光伏电站发电量影响极大。光伏阵列在设计上必须重视阵列之间的组件是否存在被遮挡的情况。本论文所研究领跑者光伏电站由于用地范围有限，早晨9:00之前及下午15:00之后辐射量减弱，发电量减少，而阴影范围较大，光伏阵列间距按冬至日当天早晨9:00至下午15:00的时间段内，光伏电池阵列不应被遮挡来设计[38]。见图5.10。60 西安建筑科技大学硕士学位论文图5.10光伏阵列的间距示意图（5-1）（5-2）式中：为纬度，该项目=35°24′；为太阳赤纬，该项目的=-23.5°；为时角，=-45°；H为高度差。D=cosβ×L，L=H/tan，=arcsin(sinsin+coscoscos)即：DcosH（5-3）tan[arcsin(sinsincoscoscos)]固定式支架为4行15列布置，组件泄风间距为20mm。光伏方阵宽度：991mm×4+20mm×3=4024mm，方阵高度：H=4024mm×sin32°=2132.4mm则：D=8869.8mm（含组件投影）。考虑该领跑者光伏电站为农光互补模式，取D=9m，且组件最低点距地面间距不小于2.5米。61 西安建筑科技大学硕士学位论文本光伏电站组件阵列南北净间距不得大于4.976米，组件南北向轴间距设定为9米，并在合适位置预留南北向维护检修通道。5.3.4方阵接线方案设计本领跑者光伏电站装机量为250MW，共安装单晶双面320Wp900000块。采用100kW组串逆变器2500台。由于该光伏电站装机容量大，为了减少在电缆及附件、开关柜、设备安装等方面的投资成本，考虑电站经济性，目前光伏箱变升压技术已经成熟，因此本论文设计选用2500kVA箱式变压器升压。每台组串逆变器接入12路电池组串，25台逆变器接入1台2500kVA箱式变压器升压，组成2.5MW方阵，组串逆变器方案采用320Wp双面组件，每个2.5MW方阵容量配比为1.152：1。5.4电气设计本领跑者光伏电站装机容量250MW，其中地块一装机150MW，单独设置1座110kV升压站，主变容量2×75MVA，升压站以1回110kV线路接入330kV变电站，线路长度10km，导线型号选择LGJ-400；地块二总装机100MW，建1座110kV升压站，主变容量1×100MVA，升压站以1回110kV线路接入330kV变电站，线路长度55km，导线型号选择LGJ-300。5.4.1电气一次系统设计1、电气主接线及系统方案本领跑者光伏电站规划容量为250MW，采用单晶双面PERC组件，两个地块的升压站各以1回110kV线路接入330kV变电站。规划布置100个2.5MW的光伏方阵，每个光伏方阵配置25台组串式逆变器，配置一台箱变，箱变采用2500kVA-38.5±2×2.5%/0.8kV双绕组箱式变，箱变35kV侧采用环接方式，每1回35kV集电线路接7～8台箱变，送入升压站35kV母线侧，经升压站主变升压后，以110kV电压接入当地电网，见图5.11。62 西安建筑科技大学硕士学位论文组件组串式逆变双绕组箱变升压站35KV母升压站主变当地电网图5.11组串式逆变器系统方案2、集电线路根据光伏场容量、方阵布置方案、升压站位置及道路布置情况，35kV集电线路采用直埋敷设方式，过路处穿钢管保护。每7~8台箱式变压器环网连接，引入开关站35kV配电室，集电线路电力电缆型号采用ZRC-YJV22-26/35kV-3×95mm2、3×185mm2及3×300mm2。埋地的光伏电缆务必要多预留余量，否则沉降会导致电缆扯断。电缆尽量沿道路敷设，电缆沟距离道路边缘不应小于1.0米，如道路边有排水沟，电缆沟距离排水沟边缘不小于0.5米。电缆埋深不应小于0.7米，且电缆上下应分别铺设不小于150mm厚细沙，且覆盖保护板进行防护。组串式逆变器方阵，考虑载流量、电压降、热稳定等因素，连接1-5个方阵采用ZRC-YJV22-26/35kV-3×95mm2型电缆，连接6-8个方阵采用ZRC-YJV22-26/35kV-3×185mm2型电缆，连接9-10个方阵采用ZRC-YJV22-26/35kV-3×300mm2型电缆均为铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装聚乙烯护套电力电缆。电缆截面经电缆经济电流密度、电缆动热稳定、长期允许载流量等校验，所选电缆截面满足要求。3、接地光伏阵列区设置水平接地网，组件之间通过接地电缆相互连接，组件通过接地电缆与支架连接，支架再通过接地引线与地中水平接地网连接，不同排的光伏支架之间通过地中接地扁钢相互连接，以满足光伏方阵接地连续、可靠，并使接地电阻小于4Ω。经过技术经济分析，可将接地电阻设计值控制在2.0Ω以下，以进一步降低运行人员的触电风险。63 西安建筑科技大学硕士学位论文5.4.2电气二次本领跑者光伏电站规划安装容量为250MW。地块一装机150MW，单独设置1座110kV升压站；地块二装机100MW，单独设置1座110kV升压站。1、监控系统。光伏电站PC监控系统分为两部分：第一部分为升压站的监控单元（简称升压站监控系统），第二部分监控光伏组件、逆变器及升压变压器。具体设计见附录Ⅲ升压站总平面布置图和附录Ⅳ110kV升压站电气主接线图。1）光伏发电设备监控系统光伏发电站的监控系统由两部分构成：第一部分为计算机控制单元，控制模块由PLC构成，并配有I/O接口、人机接口(MMI)、通信接口等，它的主要功能是程控光伏电站，完成光伏电站的监控功能；第二部分为同步并网及功率控制，它的主要功能是使光伏发电设备并网及运行当中的功率控制。具体设计见附录V管理区综合自动化监控网络图、附录Ⅵ控制柜电气图、附录Ⅵ-1光功率控制屏原理图。2）数据通信网络箱变、交直流汇流箱和逆变器测控信号和箱变遥控信号，由箱变内的测控装置串接，经光纤线路构成光纤网，每个光纤网连接到光伏区监控主机，再通过监控主机上传至站内计算机监控系统网络。本论文选择智能光伏电站解决方案，该方案是按照云、管、端三层架构设计，以智能组串式逆变器为核心发电单元，智能子阵控制器为子阵数据采集单元，通过高速PLC电力载波及4GLTE无线通讯技术将光伏厂区的监控数据送至后台站级管理系统，通过管理系统实现光伏厂区内的组件、逆变器、箱变、辐照仪、电表等设备的数据采集、存储、分析等功能[46]。2、光伏发电设备电气保护。本电站采用微机型继电保护装置。根据GB50062-2008《电力装置的继电保护和自动化装置设计规范》以及GB14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》、《光伏电站接入电网技术规定》Q/GDW617—2011标准对光伏电站并网的要求配有电流速断、过电流、过负荷及低电压保护，保护装置动作跳开光伏64 西安建筑科技大学硕士学位论文发电设备出口与电网连接的断路器并发出信号及进行发电设备事故停机，各太阳能矩阵的监控系统可利用光缆连接起来，形成集中监控网络，可在集控中心对光伏电站各发电矩阵进行集中控制和管理[47-48]。并网逆变器具有孤岛效应保护、直流过压/过流保护、极性反接保护、短路保护、接地保护（具有故障检测功能）、交流欠压/过压保护、过载保护、过热保护、过频/欠频保护、三相不平衡保护及报警、相位保护以及对地电阻监测和报警功能[49]。本站具体保护配置如下：1）110kV出线保护。光伏电站110kV出线，配置光纤纵联电流差动保护，含有相间和接地距离保护、零序方向过流保护、三相一次检无压（同期）重合闸等功能。电流差动保护装置应与对侧采用相同型号、相同软件版本装置。2）110kV主变压器保护。采用瓦斯保护和差动保护。3）35kV母线保护。本期35kV单母线接线，配置一套微机型母线差动保护，母线保护应适应母线汲出电流影响，母线差动保护设复合电压闭锁回路，母线保护特性应满足内部故障快速动作，外部故障CT严重饱和不会误动作[50]。为了分析电力系统事故及继电保护装置的动作情况，升压站内宜按电压等级配置故障录波装置分别记录线路电流、电压、保护装置动作、断路器位置及保护通道的运行情况等。每套线路故障录波器的录波量配置宜为92路模拟量、128路开关量。故障录波装置应具备单独组网功能，并具备完善的分析和通信管理功能，通过以太网口与保护和故障信息管理子站系统通信，录波信息可经子站远传至各级调度部门进行事故分析处理[51]。详见附录Ⅵ-2故障录波屏交直流回路图和附录Ⅵ-3故障录波屏开关量接点图。3、其他要求1）本领跑者光伏电站的并网逆变器要求具有低电压穿越功能，要求光伏发电站并网点电压跌至0时，光伏发电站应不脱网连续运行0.15s；光伏发电站并网点电压跌至曲线1以下时，光伏发电站可以从电网切出[52-53]，如图5.12所示。65 西安建筑科技大学硕士学位论文图5.12光伏发电站的低电压穿越能力要求2）并网逆变器要求具有高电压穿越功能。3）光伏场区内每个发电单元配置2台球机摄像头，用于监视光伏发电单元情况，便于及时发现场区内实时工况。4）有功功率控制。根据“Q/GDW617-2011《光伏电站接入电网技术规定》”要求，光伏电站应配置1套有功功率控制系统[54]。5）无功功率和电压。根据“Q/GDW617-2011《光伏电站接入电网技术规定》”要求，光伏电站应配置无功电压控制系统，具备无功功率及电压控制能力[55]。详见附录Ⅵ-4频率电压控制柜电流电压回路图。5.5系统效率和发电量计算5.5.1系统效率选用光伏组件为320Wp，共采用900000块光伏电池板，安装方式为固定倾角和平单轴跟踪方式，固定倾角选用32°。由PVsyst仿真报告可知，本论文平单轴支架PVsyst测算系统效率为87.95%；固定式支架PVsyst测算系统效率为88.62%。另外，还需考虑逆变器输出端之后的三项损耗：1）交流线路损耗。本论文将通过优化光伏组件、逆变器及箱变的布置方案，采用合理提高线径选型等措施控制交流线路损耗。交流线缆损耗修正系数为99.3%。66 西安建筑科技大学硕士学位论文2）变压器损耗。结合本论文拟采用的变压器型号，并结合经验分析，变压器损耗修正系数为99%。3）系统故障及维护损耗。结合本论文将优选的各设备情况，配合智能电站运维的方式，平单轴跟踪支架系统故障及维护损耗修正系数为99.2%。根据以上各部分的效率计算，在不考虑弃光限电的情况下，固定式运行方式系统效率最高可达86.68%；平单轴运行方式系统效率最高可达85.77%。具体各系数取值见表5.7。表5.7不同支架型式系统效率表序号名称固定式支架平单轴支架1Pvsyst测算系统效率（%）88.62%87.95%2交流线路损耗（%）99.30%99.30%3变压器损耗（%）99.00%99.00%4系统故障及维护损耗（%）99.50%99.20%5系统的综合效率（%）86.68%85.77%6固定式+平单轴支架系统综合效率（%）86.23%综合各项以上各因素，可得到本论文所研究领跑者光伏电站的系统综合效率为86.23%。5.5.2发电量计算本论文所研究领跑者光伏电站装机容量250MW，采用的光伏组件规格为320W，共采用900000块光伏组件，其中平单轴支架方式装机容量125MW，固定式支架方式装机容量125MW。本领跑者光伏电站组件容配比为1.152:1，组件实际装机量为288MWp。根据PVsyst仿真报告可知，本论文所研究光伏电站平单轴支架部分每兆瓦首年发电量为173.7万kwh，固定式支架部分每兆瓦首年发电为154.5万kwh。根据太阳能光伏电池的老化系数，可计算出电站建成后第一年到第二十五年发电量，年上网发电量An：An=第一年年理论发电量×光伏电池老化系数×系统效率×弃光调整比例[56]。所选单晶硅光伏电池组件首年末衰减率≤2%，之后每年衰减率不高于0.45%。按照国家能源局公布的相关文件的弃光风险评估值进行估算，本电站建成后每年的最大弃光比例为5%。67 西安建筑科技大学硕士学位论文综上所述，可以计算得出本论文所研究领跑者光伏电站运行期25年内各年发电量，具体的上网电量结果见表5-8~5-9。1）固定倾角容量（125MWp）光伏电站逐年实际发电量见表5.8。表5.8光伏电站逐年实际发电量（固定倾角容量）时间发电量（万千瓦时）时间发电量（万千瓦时）第1年19312.50第14年17883.38第2年18926.25第15年17796.47第3年18839.35第16年17709.56第4年18752.44第17年17622.66第5年18665.53第18年17535.75第6年18578.63第19年17448.85第7年18491.72第20年17361.94第8年18404.81第21年17275.03第9年18317.91第22年17188.13第10年18231.00第23年17101.22第11年18144.10第24年17014.31第12年18057.19第25年16927.41第13年17970.28多年平均17982.26电站建成后固定支架安装部分第一年上网发电量为19312.50万kW•h。在运行期25年内的年平均发电量为17982.26万kW•h，年平均利用小时数为1248.8h。2）跟踪支架容量（125MWp）光伏电站逐年实际发电量见表5.9所示。68 西安建筑科技大学硕士学位论文表5.9光伏电站逐年实际发电量（跟踪支架容量）时间发电量（万千瓦时）时间发电量（万千瓦时）第1年21712.50第14年20105.78第2年21278.25第15年20008.07第3年21180.54第16年19910.36第4年21082.84第17年19812.66第5年20985.13第18年19714.95第6年20887.43第19年19617.24第7年20789.72第20年19519.54第8年20692.01第21年19421.83第9年20594.31第22年19324.13第10年20496.60第23年19226.42第11年20398.89第24年19128.71第12年20301.19第25年19031.01第13年20203.48多年平均20216.94电站建成后平单轴跟踪部分第一年上网发电量为21712.5万kW•h。在运行期25年内的年平均发电量为20216.94万kW•h，年平均利用小时数为1403.95h。综合上述两种方案，则本光伏电站25年平均发电量为38199.2万kW•h，25年总发电量954980万kW•h，多年平均等效利用小时数为1326.36h。5.6本章小节本章主要对领跑者光伏电站进行了总体设计，根据电站站址具体情况进行了设备选型，采用的单晶双面光伏组件规格为320W，共采用900000块光伏组件，其中50%光伏组件采用固定支架安装，50%光伏组件采用平单轴支架安装。采用100kW组串式逆变器2500台。每台组串式逆变器接入12路电池组串，25台逆变器接入1台2500kVA箱式变压器升压，组成2.5MW方阵，每个方阵容量配比为1.152：1。系统效率为86.23%，25年发电量为954980万kW•h，平均年发电量为38199.2万kW•h。69 西安建筑科技大学硕士学位论文70 西安建筑科技大学硕士学位论文6总结与展望光伏发电是一个新兴行业，具有显著的能源、环保和经济效益，是最优质的绿色能源之一。因此，光伏发电已经引起了时间发达国家的高度重视，对于光伏发电量提升的研究无具有重大的现实意义，本论文以铜川市宜君县的领跑者光伏电站为背景，进行了详尽的优化与设计。对于其他的领跑者光伏电站和非领跑者光伏电站，设计人员应该结合工程实际，充分考虑地域和站址的不同带来的影响。本论文主要研究内容如下：（1）通过对某大型领跑者光伏电站站址分析评价，评估分析了电站建设地址的太阳能资源、气象条件、特殊天气对光伏电站发电量的影响，并针对这些影响提出了设计方案，对工程站址的区域稳定性和岩土条件进行分析评价，最终得出结论，该规划区域可进行大型光伏电站的建设。（2）通过对目前光伏行业常用的几种高效电池技术的分析，通过综合比较。本论文选用PERC单晶双面光伏组件。通过Pvsyst软件对双面组件对系统效率和发电量的提升进行了仿真，结果表明，采用固定式支架安装双面组件设计可提升发电量10.2%，平单轴跟踪系统双面组件设计可提升发电量23.89%。（3）首先介绍了光伏跟踪系统的原理基础，重点分析了平单轴跟踪系统的运行原理。本电站设计在支架系统上选用了平单轴跟踪系统。通过PVsyst对领跑者光伏电站四种系统进行仿真模拟，1MWp跟踪系统仿真得到结果，相同安装条件下（轴间距9m，支架最低点距地面不低于2.5m），通过分析后得到平单轴跟踪年发电量比固定式提高可达到12.4%。（4）对某领跑者光伏电站进行了总体设计，根据电站站址具体情况进行了设备选型，采用的单晶双面光伏组件规格为320W，共采用900000块光伏组件，其中50%光伏组件采用固定支架安装，50%光伏组件采用平单轴支架安装。采用100kW组串式逆变器2500台。每台组串式逆变器接入12路电池组串，25台逆变器接入1台2500kVA箱式变压器升压，组成2.5MW方阵，每个方阵容量配比为1.152：1。系统效率为86.23%，25年发电量为954980万kW•h，平均年发电量为38199.2万kW•h。71 西安建筑科技大学硕士学位论文本文仅对光伏发电系统的光伏组件和安装方式对发电量的影响进行了初步研究，针对光伏发电系统最大发电量的研究，还需要对课题进行以下进一步的研究和完善，主要表现为以下几点：（1）逆变器选型对发电量的影响。首先，大部分厂家标称的最大允许接入功率为额定功率的1.1倍到1.2倍，有的甚至达到1.4倍至1.7倍。结果导致在天气好的时候逆变器限额运行，会给用户造成发电量损失。其次，逆变器有多路MPPT，每一路MPPT独立跟踪接不同的组串，组串倾斜角度也可不一样，但每一个MPPT支路都有电流限制，多接了就会限功率，导致发电损失。还有，工作电压在逆变器的额定工作电压左右，逆变器效率最高，组串MPPT电压和逆变器最佳电压差距越大（不管是偏低还是偏高），效率就会越低，且组串最高开路电压不能超过逆变器最大电压，否则会损坏逆变器。因此，在进行组件和逆变器配置时，要注意不能一味强调组件超配来减少逆变器的成本，要根据实际情况具体问题具体分析；逆变器每一个MPPT回路也是有电流限制的，也不能超配；组串电压尽量在逆变器最佳电压范围之间，电压低和电压高都会对发电量有很大影响；组串最高开路电压不能超过逆变器最大电压。（2）系统电压对电站发电量影响。光伏发电系统电压，即光伏系统中用到的线缆、汇流箱、逆变器等部件的耐压等级。目前业内通用的国际电工委员会标准系统电压为1000V。但是，1500V系统电压已在逐步推广，并成为行业发展趋势。系统电压提升到1500V，意味着可增加50%的组串长度，从而有效降低系统端的成本。主要表现为：电压提升至1500V，电压升高，损耗降低，效率提升；相同容量电站并网点减少，减少高压线缆用量，减少变压器数量和成本；可降低施工成本和运维成本。本论文研究的对象为领跑者光伏电站，因此选择了作为光伏行业发展趋势的1500V系统，但是因为时间有限，并未对其进行深入研究，故将系统电压对电站发电量的影响作为进一步研究的内容之一。（3）跟踪系统中斜单轴跟踪与双轴跟踪对发电量提升的研究优化，以及对72 西安建筑科技大学硕士学位论文整个电站效益的影响。本论文根据光伏电站的地形等实际情况，选用了部分平单轴跟踪系统。其实，光伏跟踪系统中的斜单轴系统和双轴跟踪系统的发电量均高于平单轴系统，但斜单轴存在占地面积较多，阴影遮挡等问题，双轴跟踪系统每个单元组件数量受到限制，占地面积很大、每兆瓦使用电机数量多。如若针对以上弊端，进行进一步的研究优化，使斜单轴及双轴跟踪系统可以广泛应用，则可大幅提升光伏发电系统发电量。73 西安建筑科技大学硕士学位论文74 西安建筑科技大学硕士学位论文致谢本文是在陈登峰副教授的精心指导下完成，从毕业论文选题到课题的研究和论证，再到毕业论文的撰写和修改，每一步都有陈老师的细心指导和认真的解析。陈老师严谨求实，一丝不苟的治学态度和勤勉的工作态度深深感染了我，给了我巨大的启迪，鼓舞和鞭策，使我的知识层次又有所提高，并成为我人生路上值得学习的榜样。同时感谢所有教育过我的专业老师，你们传授的专业知识是我不断成长的源泉，也是完成本论文的基础。感谢我的同学，是你们在我遇到难题时帮我找到大量资料，解决难题；感谢薛启启同学在论文修改过程中给予的帮助。感谢我的父母以及我的爱人，谢谢你们陪伴着我一路走来，我会一直努力的。还要对一直关心、帮助、支持和鼓励我的陕西有色金属集团的领导表示诚挚的谢意。感谢从百忙之中抽出时间审阅论文的各位专家，由于经验匮乏，能力有限，设计中难免有许多考虑不周全的地方，希望各位老师多加指教。最后，诚挚感谢主席和各位委员前来参加我的毕业论文答辩。75 西安建筑科技大学硕士学位论文76 西安建筑科技大学硕士学位论文参考文献[1]杨正林,方齐云.能源生产率差异与收敛:基于省际面板数据的实证分析[J].数量经济技术经济研究,2008(9):17-30.[2]杨巍.光伏并网发电系统关键技术的研究[D].西安.西安理工大学,2010.[3]张梦然.解开新能源的迷思——你所不知的清洁能源10个真相[J].今日科苑,2010(10):182-187.[4]田卫娟.基于FPGA的太阳自动跟踪系统的研究与实现[D].北京工业大学,2010.[5]于雪梅.谈太阳能光伏发电系统的原理与应用[J].工程建设与设计,2013(8):102-105.[6]中国电力企业联合会.2017年全国电力工业统计快报数据一览表[EB/OL].http://www.cec.org.cn/guihuayutongji/tongjxinxi/niandushuju/2018-02-05/177726.html[7]中国电力企业联合会.2017-2018年度全国电力供需形势分析预测报告[J].电器工业,2018(2):11-15.[8]童子宝.电力行业走出去步伐加快[J].劳动保障世界,2017(12):42.[9]马胜红,李斌,陈东兵,陈光明,孙李平,张亚彬,熊燕,刘鑫.加速开拓国内光伏市场的可行性分析[J].太阳能,2009(12):6-10.[10]BogdanS.Borowy.ZiyadM.Salameh.Optimumphotovoltaicarraysizeforahybridwind/PVsystem[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,1994,9(3)：482-488．[11]张宪昌.美国新能源政策的演化之路[J].农业工程技术,2011(1):8-10.[12]SartiD,EinhausR.Siliconfeedstockforthemulti-crystallinephotovoltaicindustry．solarenergymaterials&solarcells,2002(72):27-40.[13]董立延.新世纪日本绿色经济发展战略——日本低碳政策与启示[J].自然辩证法研究,2012,28(11):65-71.[14]王斯成.加速发展光伏发电保障中国能源的可持续发展[J].中国工程科学,2011(9):51-62.[15]CallananR,CapellDC,HullB,etal.StateoftheArt10kVNMOStransistors[C]Proceedingsofthe20thInternationalSymposiumonPowerSemiconductor77 西安建筑科技大学硕士学位论文Devices&IC"s.Oralando,USA,2008:253~255.[16]付蕊.Fresnel聚光器的优化设计及其在聚光光伏中的应用研究[D].华北电力大学,2017.[17]Jäger-WaldauA.PVStatusReport2016[R].Freiburg:FraunhoferInstituteforSolarEnergySystems,ISE,2016.[18]叶列杰甫.基于预测控制的光伏阵列最大功率点跟踪方法[J].兰州交通大学学报,2017(1):77-83.[19]BogdanS.Borowy.ZiyadM.Salameh.Optimumphotovoltaicarraysizeforahybridwind/PVsystem[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,1994,9(3):482-488.[20]刘帆.江西光伏产业分析—以江西赛维LDK为例[J].时代金融,2015(8):63+66.[21]梅杰,崔树银.我国光伏发电产业可持续发展的问题和对策[J].太阳能,2014(11)8-11.[22]高源.光伏系统直流故障电弧的特征检测与防治策略[D].复旦大学,2014.[23]国家能源局.国家能源局新能源和可再生能源司负责同志就《关于推进光伏发电“领跑者”计划实施和2017年领跑基地建设有关要求的通知》答记者问[J].太阳能,2017(10):13-16.[24]曹方超.光伏入市“门槛”抬高推广难题待解[N].中国高新技术产业导报,2015(6):2.[25]刘芳.光伏“领跑者”计划继续发力的六大趋势[J].电气时代,2016(8):35-37.[26]刘伟.安阳市分布式光伏发电示范区实施方案的研究[D].华北电力大学,2015.[27]AwadH,SvenssonMJ,BollenJ.Tuningsoftwarephase-lockedloopforseries-connecteronverters[J].IEEETransonPowerElectronics,2005,20(1):300-308.[28]崔志刚,吕宇欣,郝颖,冬雷.新能源供电系统在通信基站中应用的关键技术研究[J].通信电源技术,2011(4):5-8.[29]刘艳.桥梁桩基钻孔溶洞探测与处治技术研究[D].长安大学,2015.[30]AtkinsonTC.Presentandfuturedirectionsinkarsthydrogeology[J].AnnSocGeolBelgique,1985(108):293-296.[31]董鹏,陈璐,吴翔.Al2O3背钝化光伏电池量产工艺研究[J].太阳能,78 西安建筑科技大学硕士学位论文2014(8):47-49.[32]郭琳.研发破解新能源并网难题[J].中国投资,2011(7):79-81[33]丁婷婷,祝雪妹.太阳能光伏发电中跟踪控制系统的研究与设计[J].机械制造与自动化,2012(6):200-202.[34]刘伟铭.光伏发电系统最大发电量的研究[D].辽宁大学,2013.[35]陈艳,曹晓宁,兰云鹏,王小丽.大型光伏电站中不同支架方案比较分析[J].电气技术,2013(8)16-19.[36]王军.光伏发电项目经济效益与风险评价-以GH县20MW光伏发电项目为例[D].西安建筑科技大学,2016.[37]吴琼,董国伟,谢小军.光伏电站集中式组串式和集散式逆变设计方案对比[J].电气应用,2017(16):72-79.[38]杨光勇.太阳能并网光伏电站的应用[J].有色冶金节能,2010(6):44-49.[39]国家能源局,工业和信息化部,国家认监委.关于促进先进光伏技术产品应用和产业升级的意见发布[J].2015(13):24.[40]张恒.托克泰光伏发电项目可行性综合评价研究[D].华北电力大学,2013.[41]郭伟钊.抽水蓄能风力和光伏电站群联合运行研究[D].华北电力大学,2011.[42]郝启强.可调式斜单轴跟踪系统的应用价值分析与评估[J].阳光能源,2011(1):67-68.[43]崔志刚.50MWp并网光伏电站发电系统研究[D].华北电力大学,2014.[44]马高祥.关于光伏发电站系统优化设计的研究[D].西安建筑科技大学,2015.[45]MartinAGreen,EmeryKeith,HishikawaYoshihiro,WartaWilhelm,Dunlopd,Ewan.SolarCellefficiencytables[J].ProgressinPhotovoltaics:ResearchandApplication,2013(21):828-837.[46]罗刚,俞晟.并网光伏系统设计简析[J].建筑电气,2014(11):734-739.[47]许建安,王风华.电力系统继电保护整定计算[M].北京:中国水利水电出版社,2007:8.[48]ColleS,DeAbreuSL,RutherR.Uncertaintyineconomicanalysisofsolarwaterheatingandphotovoltaicsystems.SolarEnergy,2001.70(2):131-142.[49]任致程,周中.电力电测数字仪表原理与应用指南[M].北京:中国电力出版社,2007:4.79 西安建筑科技大学硕士学位论文[50]屈志和.发电厂的母线差动保护[J].科技创新与应用,2015(34):192.[51]王国光.变电站综合自动化系统二次回路及运行维护[M].北京:中国电力出版社,2005:145-187.[52]党克,郑玉浩,胡金,严干贵.光伏逆变器漏电流消除及其LVRT控制研究[J].电力电子技术,2015(8):6-8.[53]GaziSI,AhmedAD,MuyeenSM,etal.LowVoltageRideThroughCapabilityEnhancementofGrid-connectedLargeScalePhotovoltaicSystem[J].IEEETransonInd-ustrialElectronics,2011(11):884-889.[54]李博,地面太阳能光伏发电系统的工程实施[J].科技视界,2016(21):210-211.[55]杨子龙,王一波.光伏发电系统测控技术研究[J].太阳能学报2015(4):1023-1028.[56]路亮,丁坤,周识远,何世恩,汪宁渤.集中式光伏弃光分析及应对措施[J].中国电力,2017(7):38-42.80 西安建筑科技大学硕士学位论文附录Ⅰ硕士研究生学习阶段发表的论文陈辉，陈登峰.基于单片机控制的相序检测器设计，科学与财富，已录用。参与陕西华山半导体材料厂300KW光伏电站项目的工程设计、施工、材料采购及运行维护。参与陕南移民搬迁工程3.5MW光伏电站项目工程设计、施工及材料采购。参与安康市高新区荣氏果汁厂2.85MW光伏电站项目工程设计、施工，材料采购。81 西安建筑科技大学硕士学位论文82 西安建筑科技大学硕士学位论文附录Ⅱ（固定式/平单轴+单/双面组件）Pvsyst仿真报告83 西安建筑科技大学硕士学位论文84 西安建筑科技大学硕士学位论文85 西安建筑科技大学硕士学位论文86 西安建筑科技大学硕士学位论文附录Ⅱ-1（固定式+双面组件）Pvsyst仿真报告87 西安建筑科技大学硕士学位论文88 西安建筑科技大学硕士学位论文89 西安建筑科技大学硕士学位论文90 西安建筑科技大学硕士学位论文附录Ⅱ-2（平单轴+单面组件）Pvsyst仿真报告91 西安建筑科技大学硕士学位论文92 西安建筑科技大学硕士学位论文93 西安建筑科技大学硕士学位论文94 西安建筑科技大学硕士学位论文附录Ⅱ-3（平单轴+双面组件）Pvsyst仿真报告95 西安建筑科技大学硕士学位论文96 西安建筑科技大学硕士学位论文97 西安建筑科技大学硕士学位论文98 西安建筑科技大学硕士学位论文99 西安建筑科技大学硕士学位论文100 西安建筑科技大学硕士学位论文附录Ⅲ升压站总平面布置图101 西安建筑科技大学硕士学位论文102 西安建筑科技大学硕士学位论文附录Ⅳ110kV升压站电气主接线图103 西安建筑科技大学硕士学位论文104 西安建筑科技大学硕士学位论文附录Ⅴ管理区综合自动化监控网络图105 西安建筑科技大学硕士学位论文106 西安建筑科技大学硕士学位论文附录Ⅵ控制柜电气图107 西安建筑科技大学硕士学位论文附录Ⅵ-1光功率控制屏原理图108 西安建筑科技大学硕士学位论文附录Ⅵ-2故障录波屏交直流回路图109 西安建筑科技大学硕士学位论文附录Ⅵ-3故障录波屏开关量接点图110 西安建筑科技大学硕士学位论文附录Ⅵ-4频率电压控制柜电流电压回路图111'