浅谈集中式光伏电站设计与设备选型
本文通过比较、提炼、总结相关设计参数，依据类似工程，对集中式光伏电站的设计与设备选型进行浅析。
一、光伏电站设计原则
设计应根据建设工程的要求，对建设工程所需的技术、经济、资源、环境等条件，本着认真贯彻“成熟先进、安全可靠、造价合理、节能环保”的原则，进行综合分析，论证，编制建设工程设计文件的活动。这是建设项目进行整体规划、体现具体实施意图的重要过程，是科学技术转换为生产力的纽带，是处理技术与经济关系的关键性环节，也是确定与控制工程造价的重点阶段。
（一）光伏电站建设的选择
全年总日照小时数、日照百分率、年总辐射量、年平均气温、年霜冻天数等参数是光伏电站选址的重要依据。
目前，我国根据各地区太阳能资源总量将全国化为I、II、III类分区，实行不同标杆电价补贴政策。I类地区太阳能资源总量相对较高，电价补贴相对较低；III类地区太阳能资源总量相对较低，电价补贴则相对较高。I类电价区主要集中在西北地区，年辐射总量1500~2000（kwh/㎡）；中部广阔地带为II类电价区，年辐射总量1000~2050（kwh/㎡）；III类电价区主要在东南沿海地区，年辐射总量1000~1600（kwh/㎡）。显然，我国光伏电站上网补贴电价与实际太阳能资源总量的对应并不完全匹配，如二类电价区的年辐射总量，以及超过一类电价区的年辐射总量的地区。在不同电价区寻找合适的投资地区，是获取收益的关键因素，即在相对高的电价补贴区内，寻找太阳能资源条件好的区域建设光伏电站，可以获得更好的收益。
新建光伏电站选址前应对该区域可利用面积进行评估，拟定总体建设规模。总体上要求足够大的可利用面积，能达到一定的总装机容量。如规模较小新建电站的接入系统线路、进场道路修建等，初投资费用会较大抬高单位造价，后期的运行维护如果不具规模同样会抬高维护成本，工程建设经济将大幅度降低。总体上要求建设规模大，接入系统线路近，进场道路修建短。
应明确光伏电站所选厂址的土地性质，使用权状况，石头纳入土地利用规范范围等；查明所选厂址的地址情况，合理评价地址构造、地震效应、山体滑坡危害及山洪暴发时洪水的排泄通道等；祥知厂址临近区域水文地质条件、防洪评价及水利保护等；熟悉厂址周边人文情况，交通运输条件等；了解厂址内无名胜古迹、未查明有重要矿产资源，远离文物保护区、自然保护区、军事设施区等，符合自然环境保护的有关规定。总体上要落实用地性质，查明地址情况，加强环境保护，避开文物矿藏。
要掌握当地产业政策，了解区域市场发展空间，熟悉项目建设必备条件，完成规划选址工作，通过踏勘调研提出规划选址建议，开展资料搜集和职称文件的取得，取得各主管部门批文，确保项目顺利通过各项评审。
（二）光伏电站总布置
应根据防洪、防震、防山体滑坡、消防、运行检修等方面的要求，按拟定总装机容量的规模对电站进行统筹安排、合理布置，实现运行安全无风险，消防环保无事故，经济效益更突出，检修维护更方便。光伏电站总布置应结合地形及地貌，避免大规模重新计划。电站生产管理区和生活区分开隔离，做到既能安全生产又能适宜人员生活。
二、太阳能阵列的设计
（一）太阳能组件的选型
主要考虑制造商的生产规模、行业业绩、制造水平、技术成熟度、运行可靠性、未来技术发展趋势等。查阅已投入生产的电站所统计的组件衰减率、损耗及年发电量等数据，可作为直观的分析、判断依据。同等面积的单块光伏组件应选用峰值功率较大的，以减少占地面积，降低线路损耗及组件安装量，集成线路的使用量和施工量。目前，国内电站主要采用多晶硅高效组件。整个电站应尽量选择同制造商、同规格、同批次的组件，这样，效率一致性相对较好，组件衰减率速度基本稳定。高温、高湿区域须选用抗PID组件。
（二）太阳能组件的排布
通过计算确定最佳倾斜角度，太阳能组件排列顺序必须考虑钱、后排阴影遮挡问题，以及太阳能组件阵列与建筑物的距离，最大角度位置的阴影遮挡情况，还应适当考虑地形因素的影响等。一般的确定原则是：冬至日当天早晨9:00至下午15:00的时间段内，组件阵列均不应被遮挡。在排布时组件与组件之间应留有一定的间隙作为透风通道。
依据组件自身特性和理论计算，组件横向排布方式比竖向排布方式大约可以增加2%~5%的发电量，横向排布方式从上到下一般排布4块，竖向排布从上到下一般排布2块。但横向排布比竖向排布支架使用量每兆多出20吨钢材料及后期安装工程量；横向排布比竖向排布会增加20%的占地面积；横向排布方式安装难度稍大。
（三）太阳能组件的组串方式
根据光伏组件开路电压的高低及逆变器直流侧输入电压的等级，结合当地太阳辐射条件，一般由18块或者20块组串成为一个基本发电单元。竖向排布时组串方式主要有：（I）上、下两层按顺序各组一串；（II）上层一半和下层一半按顺序共组成一串，另一半按顺序组成另一串；（III）上、下两层都按跳接的方式各组一串即按1、3、5~19、20、18~6、4、2的方式排布。三种排布方式光伏电缆用量（I）、（II）、（III），相对来说，第（III）种排布方式是科学的，减少直流损耗，可提高发电量。
集中式大 、中型光伏电站建议采用竖向第（III）种排布方式；分布式小型光伏电站如农业大棚、屋顶光伏等有正好可利用资源时可采用横向排布。
三、组件支撑部分设计
（一）支架基础的选择
主要考虑满足地基承载力、基础抗倾覆、抗拔、抗滑移等计算要求，保证上部结构稳定。
目前，国内主要采用钢筋混泥土独立基础、钢筋混泥土条形基础、预应力水泥管桩基础等。钢筋混泥土基础主要运用在地址条件相对较好的地方，如“农光互补”、“畜光互补”、等。钢筋混泥土现浇型基础主要优势是施工难度较小，基础平面定位及基础顶层标高容易控制和抗倾覆、抗滑移性较好，整体效果好，电站建成后总体视觉感官好，更能保证最佳倾角的精确度。缺点是施工工期长，对地面的破坏较大，土方开挖、回填、模板配置、轧钢筋等工程量大；预应力水泥管桩基础主要运用在地质条件相对恶劣的地方，如“渔光互补”、沿海滩涂等。预应力水泥管桩基础主要特点是预制型成品，施工速度快，对地面的破坏较少，工程量相对较小。缺点是对打桩操作人员技术、经验要求高、施工难度相对较大，
基础平面定位及基础顶层标高不易控制，吊装卸货后增加了二次倒运工作，加大了后期支架安装施工调整的工作量和难度，在卵砾石地层，入桩困难，容易偏心或断桩，不宜采用。两种方案有明显的互换性优缺点，应结合当地地质条件和工程特点综合判定。
根据当地的地质情况判断地下水对钢筋混泥土结构的腐蚀程度。对弱腐蚀地区，地下水位以下采用表面涂刷防腐蚀涂层等措施；对高腐蚀地区，地下水位以下采用抗硫酸盐硅酸盐水泥、掺入抗硫酸盐的外加剂、掺入钢筋阻锈剂、掺入矿物掺合料，表面涂刷防腐蚀涂层等措施。
（二）支架系统的选择
目前，国内光伏电站主要采用最佳倾角固定式、水平单轴跟踪式、斜单轴跟踪式及双轴跟踪式等支架系统。固定式安装支架成本相对较低，制造工艺简单、生产周期短，安装难度小，且支架系统基本免维护。固定式支架系统占地面积相对较小，且支架系统基本免维护。固定式支架系统占地面积相对较小；自动跟踪式成本较高，制造工艺较高，跟踪电机易损坏，运行不稳定，特别是湿度较大的场所维护、维修量较大。为避免遮挡，跟踪式支架系统阵列之间前后左右的间距较大，约提高了50%的占地面积，加大了投资成本，但发电量较最佳倾角固定式相比有较大的提高，理论计算在20%~30%左右。目前，某地已投入运行的跟踪式支架系统逻辑运行更简单，更可靠，是值得借鉴的。因此，应从地形条件、占地面积、运行可靠性、设备价格、建成后维护费用、故障率以及发电效益等方面综合分析。对“渔光互补”、沿海滩涂等湿度较大的地方不建议采用自动跟踪式系统，因为自动跟踪式系统支架基础主要为钢筋混泥土条形基础，在鱼塘、藕塘、滩涂上不易施工，而且湿度大，电机容易受潮烧毁，且维修不方便。
四、汇流箱设计及安装
大、中型并网光伏电站，通常根据阵列的排布选用两种规格的汇流箱，即12进1出和16进1出或者两种规格搭配。设计时应优先选用回路多的。汇流箱应具有切除故障电流的功能，进线侧采用光伏专用直流熔断器保护，出线侧一般采用直流低压塑壳开关保护，出线侧不建议采用熔断器保护。汇流箱应配有光伏专用浪涌保护器，正负极应有具备防雷功能。汇流箱内应配有监测装置，具有通信接口，可以实时监测并上传各进线分支的直流电流、输出总电流、母线电压及总输出功率、各分支熔断器与直流低压塑壳开关的状态，及各进线分支异常报警灯。
汇流箱应便于固定安装，一般采用挂式安装于系统支架上，箱底安装高度应满足各限制条件的要求。汇流箱进出线安装位置与箱体底部应留有足够的安装空间，要便于施工、保证安装质量。
汇流箱各分支进线回路，安装防反二极管提高运行安全系数，但会损失一定的发电量。设计应根据电站建设环境、方式等综合考虑是否安装防反二极管。如果电站建设湿度大、腐蚀性强的地方或者直流电缆直埋敷设时，为了保证安全运行，建议安装；如果电站建设环境好，直流电缆沿桥架敷设时，为了追求更高的发电量，建议不安装；安装了防反二极管，就增加了自身的故障点，环境温度高的地方不建议安装。
汇流箱安装在电站的各个位置，防护等级应根据当地的气候条件有针对性的设计 。如湿度大的地方（如渔光互补）防潮等级要相应提高；温度高的地方（如农光互补，农业大棚内）要加强散热功能；腐蚀性强的地方（如沿海滩涂）外壳
应采用不锈钢或者合金等材料。
五、逆变器设计选型及安装
逆变器是直流电能转换成交流电能的变流装置，是光伏电站系统中的重要部件。对于大、中型并网光伏电站工程，一般选用大容量集中并网逆变器。通常单台逆变器容量越大，单位制造价格相对较低，转换效率也越高。选用单台容量大的逆变器，可在一定的成都上降低投资，并提高系统可靠性。逆变器转换效率越高，光伏发电系统的效率越高，系统总发电量的损失就越小。故在额定容量相同时，应选择转换效率高的逆变器。逆变器的直流输入范围要宽，在早晨和傍晚太阳辐射较低时应具有一定的抗干扰能力、环境适应力、瞬时过载能力。如在一定程度过电压情况下，光伏发电系统应能正常运行；故障情况下，逆变器必须自动从主网解列。系统发生扰动后，在电网电压和频率恢复正常之前逆变器不允许并网，在系统电压和频率恢复正常之后经延时能自动重新并网。根据电网对光伏电站运行方式的要求，逆变器应具有交流过压、欠压保护、超频、欠频保护、防孤岛保护、交、直流过流保护、过载保护、高温保护等功能。逆变器应有多种通信接口进行数据采集并发往控制室。
集中型并网逆变器为了降低直流电缆使用量和降低直流损耗，逆变器应尽量布置在各子方阵的中间部位。但“渔光互补”型光伏电站各子阵建设在鱼塘或者藕塘里，逆变器的安装就位和运行维护都极不方便，所以“渔光互补”型电站逆变器应布置在站内道路的两侧，即便如此，也应尽量靠近各子阵。因此，在电站总体布置前就应考虑道路与逆变器、汇流箱的有机结合。屋顶式光伏电站逆变器一般设计为地面安装，或者直接安装在建筑物地下空间内。
对于采用自动跟踪系统的光伏阵列，由于占地面积大，各个支架系统之间的距离较远，安装集中式逆变器直流电缆用量和直流损耗会比较大，可以选用组串式小容量逆变器。
逆变器进出线安装位置与箱底部位应留有足够的安装空间，目前，国内多家逆变器进出线安装相当不方便，给安装带来极大的难度，留下一定的安全、质量隐患。一般规定进出线安装位置与箱体底部应留有≥250mm的安装空间。
六、升压变压器设计选型
大、中型并网光伏电站基本选择2*500kW集中式逆变器，其中配套设计的变压器为1000kVA低压双分裂式变压器。主要采用具有户外式、体积小、安装方便、少维护等特点的箱式变电站，目前常用的箱变有美式油变和欧式干变。美式油变结构紧凑、体积小，成本相对较低，过载能力强，安装方便。主要缺点是变压器本体、负荷开关等封闭在邮箱内，发生故障时更换不方便，易渗、漏油，需建事故油池。熔断器与油箱内部结构部分存在质量通病，熔断器熔断后没有三相联跳装置，造成缺相运行。油变的重瓦斯跳闸，只能跳本回路的低压侧，无法切除高压进线电源；欧式干变空间相对较大，安装更方便，便于维修。高低压、变压器室独立隔断，操作安全系数高。高低压可根据用户配置不同柜型。主要缺点为占地面积大、成本相对较高、过载能力一般、绝缘支撑件、分接开关位置在湿度大的环境下容易形成闪落、爬电，如处理不及时可能造成故障扩大。
一般在箱变内部安装变压器综合保护装置，应有多种通信接口进行数据采集并发往控制室。
七、高压开关的选型
目前、光伏电站主要选用金属铠装中置开关柜，断路器配置继电保护，标准成套设备技术成熟，主要考虑品牌与造价做综合选型。综合保护装置应有多种通信接口进行数据采集并发送至控制室。
升压变压器的布置一般紧靠集中式逆变器安装，设计一个基础平台上 。
八、防雷接地工程
光伏电站接地材料首选镀锌扁钢。热镀锌扁钢平均年腐蚀率为0.1mm/年，钢材存在点蚀，点蚀的速度比年平均腐蚀率高几倍，实际寿命约为15~20年。但建设地为强腐蚀地区时，需选择钢镀铜材料。钢材不存在点蚀，属于缓慢的均匀腐蚀，铜在土壤中的腐蚀速度大约为钢的1/5，铜的年腐蚀率为0.02mm/年，纯铜接地装置的寿命可达50年，钢镀铜接地装置的实际寿命可达25~30年。
光伏电站由于占地面积较大，光伏区一般不配置避雷针。主要通过组件支架与场区接地网连接作为接地保护，投资比例相对较小。在综合利用的光伏电站不能做到全封闭式管理，接地保护保护更不能马虎。良好的接地网是设备和人身安全的重要保证。
九、综合自动化系统
光伏电站应按“无人值守”的原则设计。开关站应配置中央控制室，通过计算机监控系统为基础的集中监控系统，完成对光伏发电单元及开关站机电设备的监视、控制与调度管理。综合自动化系统的设计应安全使用、技术先进、经济合理。系统的结构、技术性能和指标应与光伏电站的规模及其在电力系统中的地位和当前监控系统的发展水平相适应。
目前，光伏电站监控系统通过汇流箱的监控装置，能监测到每一路光伏进线分支，但是还不能监测到每一块电池组件。
十、结论
光伏电站建地址选择太阳能资源好、地址条件好的区域，并能顺利的通过各部门评审。总体布置要经济实惠，检修方便，避免大规模重新规划。选择效率高、功率大、性能稳定的光伏组件，合理选择组件排列方式。根据工程特点选择支架系统及基础。汇流箱、逆变器的防护等级要与当地环境相适应，布置要尽量减少集电线路的用量，通过电缆长度与容量计算选择合适的电缆截面，从而降低线路损耗。全站接地系统可靠，自动化监控系统完备。各项参数要满足25年设计运行年限。