梁靖 孙起超
华能新能源蒙西分公司 内蒙古呼和浩特市010010
摘要：在能源危机的今天，光伏发电技术和产业发展迅速。基于此，本文论述了光伏发电系统优化设计的经济性和可靠性。
关键词：光伏发电系统；优化设计；经济性；可靠性
在社会发展的推动下，我国能源产业得到了迅速的发展，其中，作为重要的能源供给行业之一，光伏产业凭借其固有的优势受到了业内从业人员的一致好评。然而，目前我国的光伏发电技术仍需进行更深入的研究与探索，从而使系统优化设计的经济性及可靠性得以进一步的发展，进而为光伏发电技术日后的推广与应用发挥更大的作用。
一、光伏产业发展现状
1939年法国学者贝克勒尔发现光伏效应，1954年美国贝尔实验室的三位科学家率先制成实用的单晶硅太阳电池，由此进入光伏时代。近年来，光伏产业以每年超30％的速度增长，跻身全球发展速度最快的行业之一。
我国的光伏发电技术起步较晚，1958年开始研制太阳能电池，1959年诞生了第一个有实用价值的太阳能光伏电池。2000年，我国国家发展与改革委员会带头，花费10年时间用风电、光电和其他可再生能源技术解决2300万户无电地区居民的生活、铁路信号、边防哨所、微波通信、公路道班和石油管道等用电问题，这就是目前为止国家组织的最大可再生能源推广项目——“光明项目”。该项目得到了日本、德国、荷兰、美国等国家及一些国际组织和企业的支持。根据“中国电池行业协会”研究报告指出：我国光伏产业正以每年30％的速度增长。在国家各部委的推动下，目前我国实验室光伏的电池效率已达21％，商业化光伏阵列效率大约15％。
二、光伏发电系统原理及基本结构组成
光伏发电系统是指通过半导体具有的光伏特征，将光能直接转化为电能的技术。相比于传统的火力发电，光伏发电具有诸多优势，如不制造废气废水、无污染、无噪音、安全可靠、建设成本低、使用范围广、使用寿命长、易于保养与维护等。
1、光伏阵列。光伏发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的光伏电池将太阳能转化为电能。光伏电池单体用于光电转换的最小单元，一个单体产生的电压大约为0.45V，工作电流约为20～25mA/cm2，将光伏电池单体进行串、并联封装后，就成为光伏电池组件。实际光伏发电系统可根据需要，将若干光伏电池组件经串、并联，排列组成光伏阵列，满足光伏系统实际电压和电流需要。光伏电池组件串联，要求所串联组件具有相同的电流容量，串联后的阵列输出电压为各光伏组件输出电压之和，相同电流容量光伏电池串联后其阵列输出电流不变；光伏电池组件并联，要求所并联的所有光伏电池组件具有相同的输出电压等级，并联后阵列输出的电流为各个光伏电池输出电流之和，而电压保持不变。
2、充放电控制器。它控制并规定着蓄电池的充放电条件，能使蓄电池的效率得以提升，并以负载电源需求为标准，控制蓄电池与太阳能电池组件的负载输出，对整个光伏发电系统进行控制。由于太阳能光伏产业一直在快速发展，这促使电网会提出越来越多的要求，然而控制器也会逐渐拥有更强大的功能，有将逆变器、检测与监测系统、传统的控制部分集成的趋势。
3、逆变器。逆变器在光伏电力系统中起着关键作用，其功能是将光伏电源或蓄电池产生或提供的直流电转换成可供交流负载使用的交流电，这样交流负载就能正常工作。若光伏系统是为交流负载提供电力，在系统中必须安装有逆变器。
4、蓄电池(组)。蓄电池(组)是一个储能装置，其功能是贮存光伏阵列将光能转换成的直流电，这样就能在任何时候为直流负载提供电能。
由于光照强度的变化影响着光伏阵列的输出功率，若系统在光照强度不好(夜间或阴天)时运行，那么光伏阵列的输出功率有可能满足不了负载要求；当系统在阳光充足(白天、晴天)条件下运行时，光伏电池输出功率可能会大于负载所需功率，因此需一个储能装置来贮存多余的电能。光伏电力系统需要的蓄电池(组)要满足以下基本要求：少维护、较大工作范围、价格便宜等，铅酸蓄电池基本符合这些条件，因此当前我国在光伏电力系统中使用的蓄电池以这类电池为主。
三、光伏发电系统设计优化
1、太阳能资源分析优化
1)验证资源条件数据的有效性、可靠性，对比分析项目所在地太阳辐射变化，采用概率统计法选取工程代表年数据。
2)对电站进行环境气候影响分析，确定影响因素和资源损失系数。
3)合理选择公式提高太阳位置参数计算精度，优化阵列面辐射量的计算，避免单一计算软件和参数选取差异造成的结果偏差；辐射量应以实际电站阵列面为基准，并选用合理、可靠的计算模型进行分析计算，其计算成果是发电量、间距计算甚至收益分析的重要参考依据。
2、光伏组件串并联设计优化。由于项目所在地气象和太阳辐射条件的地域性特点，对光伏发电出力变化影响较为显著，应根据所组件和选用逆变器的规格参数，结合项目所在地现有的现场实际测光数据和气象观测数据，进行辐射量与温度双因素条件下复核计算，确保串并联系统设计的有效合理。同时，可分析周边电站发电出力和太阳辐射变化相关性，进一步分析优化串并联计算结果。对光伏组件串并联数优化计算应遵循以下原则：
1)太阳电池组件串联形成的组串，其最高输出电压不允许超过太阳电池组件自身最高允许系统电压，输出电压的变化范围必须在逆变器正常工作的允许输入电压范围内。
2)太阳电池组件的串联数量选择应考虑逆变器的最佳输入电压、当地太阳辐射条件、环境温度条件等因素。太阳电池组件的输出功率与太阳辐射强度成正比，但与环境温度成反比，其变化规律并非简单的直线关系。另外，环境温度一般又与太阳辐射强度成正比。因此，分析太阳电池组件串联后的电压时，应根据光伏电站所在地的气候特点综合考虑上述关系。
3)为降低直流损耗，串联后的太阳电池组串输出电压宜在满足第一条且接线方便的前提下，尽可能取高值。
4)太阳电池组串的并联数量应考虑光伏电站所在地的太阳辐射条件、环境温度条件和其它气象条件，以及直流通路上的损耗对光伏阵列实际输出功率的影响。光伏阵列实际输出功率应与逆变器的直流侧最大输入功率相匹配，同时接入同一逆变器的子阵，筛选组件功率一致，其他性能参数要求相近，相对距离较近的汇流箱接入同一台逆变器，较远的汇流箱接入另一台逆变器，减小组件一致性差异及直流压降对MPPT的影响，提升发电量。
3、光伏阵列最佳倾角优化。对集中式并网光伏电站，若采用固定式安装，则太阳电池组件的安装倾角应选择全年发电量最大时的倾角；若采用斜单轴自动跟踪式安装，则支架转动轴的倾角不但应考虑全年发电量，还应考虑倾角过高引起的风荷载增加对支架结构设计及投资增加的影响。在进行太阳电池组串在支架上的布置方式设计时，应进行多方案比较，综合考虑各项技术及经济指标，选择最优布置方式。
四、系统可靠性分析
优化设计方案引起的系统运行可靠性问题，主要是对电气设备过载能力的考验。设备长期过载会造成以下问题：首先，散热问题，采用优化方案时，设备的通风散热设计比普通1MWp方案需加大力度。其次，设备使用寿命，过载运行会造成设备使用寿命缩短，但逆变器和变压器都有较为成熟的过载保护技术，逆变器和变压器均可具有1.1倍额定负载的长期过载能力，当达到更大负荷时会自动采用有效的保护动作。因此从技术方面，目前的电力电子技术完全可满足电站安全运行的要求；从光伏电站实际运行的发电量数据可知，超发电量情况所占比例较小，均在设备的安全运行和保护范围内。所以优化设计方案能安全可靠运行。
参考文献：
[1]李新宇.光伏发电系统优化设计的经济性和可靠性分析[J].商品与质量,2020(06).
[2]吕丹.光伏发电系统优化设计的经济性和可靠性研究[J].太阳能，2016(17).