余茂全，金 明，张 磊
10MW地面光伏电站的仿真研究
余茂全，金 明，张 磊
(安徽水利水电职业技术学院 机电工程学院，安徽 合肥 231603)
根据不同城市的气象特征，设计10MW的地面光伏电站，对光伏组件和逆变器进行选型和配置，计算容配比和光伏阵列间距，完成光伏电站系统设计。使用PVsyst软件完成系统建模和仿真，以合肥、银川和昆明为例，得出不同地区光伏发电系统的最优倾角、综合发电效率及年发电量等具有参考价值的工程参数，最后基于年发电量、经济效益对不同地区地面光伏电站项目的可行性进行综合评估。
PVsyst；
光伏发电；
仿真设计
目前，我国地面光伏电站一般为大型集中式电站，光伏阵列发电后通过并网逆变器，再经过光伏专用变电站升压后接入公共电网。在光伏电站设计周期，对预期收益的估算很重要，而直接影响投资收益估算的最重要因素为光伏电站选址和发电量预测，在建设前进行光伏电站系统仿真设计，不仅可以缩短设计周期，还可以节约成本，对降低投资风险也具有重要意义[1-4]。
本文以合肥、银川和昆明三个地区为例，利用PVsyst设计一个10MW的地面光伏电站项目，并分析不同地区的气象数据、系统参数设置，对比不同城市的预期发电量和发电效率。
1.1 气象概况
项目所使用的历年气象数据由 Meteonorm 8.0数据库获得，三个城市的光资源梯度排布可以进行比对，从而优化系统设计，提高发电量。具体参数见表 1。
表1 三个城市的气象数据
1.2 项目规模
项目基于年总发电量进行设计，光伏阵列固定朝向采光面，计划功率为10MWp。
在光伏电站建设中通常将光伏组件倾斜一定角度，采用Klein提出的研究方法确定光伏组件倾斜面所获得的太阳辐射量：光伏组件倾斜面上的太阳辐射总量主要由直接辐射量、太阳光散射辐射量和地面的反射辐射量三部分组成[5-10]。
确定光伏组件阵列的最佳倾角，使每年所获得的倾斜面上的辐射总量达到最大。基于Meteonorm提供的气象数据，参照GB50797-2012[11]，计算出合肥、银川和昆明的并网系统推荐倾角为26.9°、36.5°和24.02°，方位角均为0°，即朝向为正南向[11]。
2.1 光伏组件选型及阵列设计
目前单晶硅光伏组件的光电转换效率相对于多晶硅组件高，项目采用Trina Solar的TSM-DE18M单晶硅组件，标称功率500Wp，额定电压36V，开路电压51.7V，短路电流12.28A，基于组件单二极管模型仿真。在不同入射辐照度下，光伏组件的输出功率及电压电流参数如图1所示。组件尺寸为2176mm×1098mm×35mm,面积2.389㎡。项目总共需组件20000块，串联组件数为25块，并联组串数为800串，组件面积为47785 ㎡。
图1 光伏组件的工作曲线
2.2 逆变器选型及设计
作为光伏并网发电系统中的核心设备，逆变器必须能够寻求到光伏电池的最佳工作状态，以最大程度地将光能转化为电能。这个最佳工作点就是光伏阵列“I-V曲线”上的“膝点”或 “P-V曲线”上的峰值点，即最大功率点。逆变器采用最大功率点跟踪策略，可快速追踪到光伏阵列的最大功率点，保证随时从光伏阵列获取最大的可用能量加以转换，提高系统发电总量。图2所示为逆变器的最大功率点跟踪策略。
图2 最大功率点跟踪策略
目前，光伏逆变器形式主要有集中式和组串式。集中式逆变器无法避免因光伏组件最佳工作点和逆变器参数的不匹配所造成的损耗，而使用多个组串式逆变器，所带的多路MPPT可以有效降低由并联阵列的模块差异和阴影等因素给整个系统带来的损耗，故项目选用组串式逆变器方案。地面光伏发电站的光伏阵列一般采用模块化的布置方式，每个模块的功率需结合逆变器和中压变压器的配置选取，本设计采用Sungrow的SG125HV组串式逆变器，额定输出功率125kW，1路MPPT，工作电压860V-1450V，输出电压600V，最大效率98.9%。共需70台逆变器，总功率为8750kW。在光伏组件和逆变器选定之后，光伏电站系统结构图如图3所示。
图3 光伏电站系统结构图
2.3 容配比
在光伏电站系统中，光伏组件接收到太阳光辐射后，经光电转换为直流电，再经过光伏汇流箱、直流电缆和直流配电柜等到达逆变器，而以上每个环节都不可避免地会有能量损失。在选择组件容量等于逆变器容量的状况下，由于存在以上所说的各种损耗，逆变器的实际输出最大功率也只有额定功率的85%左右，也就是说，即使在光照辐射最好的时间段，逆变器也并不是满载工作，经分析，光伏系统功率在逆变器额定功率的60%左右时，逆变器的效率最高，寿命最长。为了能把逆变器的性能发挥最佳，组件和逆变器的配比在1:1到1.3:1之间选择。
本项目全部组件标称光伏功率10000kWp，最大光伏功率9619kW，逆变器标称交流输出功率8750kW，该项目设计容配比（阵列/逆变器）为1.143，超配损失为0。容配比大于１的组件超配设计有助于提升系统的整体效益，故系统配置完全符合要求。
2.4 光伏方阵间距
固定式布置的光伏阵列安装的方位角应采用正南方向。在设计过程中，要确保光伏方阵各排、列的布置间距每天9时到15时时段内前、后、左、右互不遮挡。也就是说对于固定式布置的光伏阵列，在冬至日当天不被遮挡的间距如图4所示，可由以下公式计算：
式中，L表示阵列倾斜面长度(m)；
D表示两排阵列之间距离(m)；
β表示阵列倾角(°)；
φ表示当地纬度(°)。
依据前述所选阵列，计算得出合肥、银川和昆明三个城市固定式布置的光伏阵列两排阵列之间距离D为3.91m、5.31m和3.33m。
图4 方阵间距示意图
首先确定地面电站的系统参数，比如地面的折射率、采光面朝向等，再选择好光伏组件和逆变器的型号参数，然后分析一整年不同季节太阳不同辐射量的情况，再进行损失分析，发电量统计，最终得出整个电站的全年发电量等数据。
表2 电站发电数据
3.1 发电量预测
使用PVsyst仿真分析，可以得到阵列的输出电量、整个电站的年发电量以及系统效率。表2为建模所获得的光伏电站发电数据，其中GlobHor 为水平面总辐射量 、DiffHor 为水平面散射辐射量 、T_Amb 为环境温度、GlobInc为入射采光面上的总辐射 、GlobEff 为修正遮挡和 IAM 损失后的有效总辐射、EArray 为阵列输出的有效能量、E_Grid 为并网电量、PR为系统效率。
图5所示为合肥地区每kWp组件的分月单日发电量，计算值为3.15kWh/kWp/day。光伏组件的效率受温度影响很大，从图5可以看出，6月、7月、8月三个月，太阳光辐射本来是最强的时间段，但是由于温度的升高引起电压损失和功率损失，功率损失相对于其他月份明显增大，进而造成系统效率较低，相对于5月和9月，发电量并没有明显提升。
图5 每kWp组件分月单日发电量
3.2 发电系统效率分析
影响光伏电站发电量的因素主要是不同区域的太阳辐射量、光伏阵列的倾斜角度、光伏组件的转化效率以及发电系统的能量损失等。光伏电站在实际应用中，其发电性能受自然环境的影响很大。在考虑辐照度强度、温度、组件品质损失、失配损失、直流电缆线损后，阵列在最大功率点输出的能量相对于阵列标称发电量损失了约8.5%。而逆变器运行导致的损失一般在2%左右（见表3）。表中的采光面上有效辐射量=倾斜面辐射量*采光面面积47785㎡；
阵列标称发电量=采光面有效辐射量*组件效率。
表3 系统能量流向
由系统能量流向可以看出，三个城市中银川的光伏条件最好，昆明次之，但在2021年，安徽光伏新装机3.37GW,宁夏为1.868GW，云南仅为0.63GW，而截至2021年底，云南省的光伏装机量总计也仅为3.971GW，光伏资源未得到有效利用。
本文以合肥、银川和昆明10MWp 地面光伏电站为例，分析了光伏发电系统的结构，给出了设计方案。使用 PVsyst仿真软件对光伏电站整体进行仿真，计算光伏电站发出的电能，得到了太阳辐照量、光伏阵列发电量、逆变器输出电量、系统效率与损耗分析等内容，并对三个城市的电站参数进行了比较。该设计对实际并网光伏地面电站的建设具有一定的参考价值。
[1]邵玺.基于PVsyst回归分析的双面光伏组件年发电增益模型[J].太阳能学报,2021,42(5):209-213．
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[11]中华人民共和国住房和城乡建设部.光伏发电站设计规范(GB50797-2012)[S].北京:中国计划出版社,2012.
Simulation of 10MW Ground Photovoltaic Power Station
YU Maoquan，JIN Ming，ZHANG Lei
(Anhui Water Conservancy Technical College, Hefei,Anhui 231603,China)
According to the meteorological characteristics of different cities, a 10MW ground photovoltaic power station is designed, the photovoltaic modules and inverters are selected and configured, the capacity ratio and photovoltaic array spacing are calculated, and the photovoltaic power station system design is completed. The system modeling and simulation are completed by using pvsyst software. Taking Hefei, Yinchuan and Kunming as examples, the engineering parameters with reference value such as the optimal inclination angle, comprehensive power generation efficiency and annual power generation of photovoltaic power generation systems in different regions are obtained. Finally, the feasibility of ground photovoltaic power station projects in different regions is comprehensively evaluated based on the annual power generation and economic benefits
PVsyst; photovoltaic power generation; simulation design
TM914.4
A
1672-4437（2022）04-0067-04
2022-05-18
安徽省高校优秀青年骨干人才国内外访学研修重点项目(gxgnfx2021207)，安徽省高校自然科学研究项目(2022AH052284)。
余茂全（1986―），男，安徽淮南人，安徽水利水电职业技术学院讲师，硕士，主要研究方向：电气自动化；
金明（1973―），男，安徽合肥人，安徽水利水电职业技术学院讲师，硕士，主要研究方向：电气自动化；
张磊（1986―），男，河南信阳人，安徽水利水电职业技术学院助教，硕士，主要研究方向：电力电子技术。