光伏发电系统的并网技术与优化设计研究

0引言

在全球能源危机与环境污染问题日益严峻的背景下,太阳能作为一种清洁、可再生能源,在能源结构中的地位愈发重要。光伏发电技术凭借其无噪声、无污染、维护简便等优势,得到了广泛的应用与快速的发展。截至2025年,全球光伏发电装机容量已突破1 500 GW,我国作为全球最大的光伏市场,装机容量占比超过35%。然而,随着光伏发电规模的不断扩大,其并网运行所面临的技术挑战也逐渐凸显,如并网稳定性控制、电能质量优化、系统安全防护等问题,成为制约光伏发电高效利用的关键因素。

分布式光伏发电系统通常采用“自发自用、余电上网”的并网模式,这种模式在提高能源利用效率的同时,也对并网技术提出了更高的要求。如何确保光伏发电系统与电网的安全、稳定、高效连接,实现电能的高质量传输与分配,成为当前学术界和工程界研究的热点课题。本文以鹤山市鹤华中学138.65 kWp分布式光伏发电项目为研究对象,深入剖析光伏发电系统的并网技术要点,并从多维度探讨优化设计策略,旨在为同类项目提供可借鉴的技术方案与实践经验。

1 光伏发电系统并网技术分析

1.1 并网模式与标准体系

鹤华中学光伏发电项目采用0.4 kV低压并网方式,遵循“自发自用、余电上网”的运行原则ó该模式下,光伏系统所发电力优先供校内负荷使用,多余电量接入公共电网,既能提高能源自给率,又能减少对传统电网的依赖。项目设置4个并网点,分别接入科学馆、综合教学楼、冯汉柱楼和李佩瑶楼的低压分接箱,通过低压电缆与校内0.4 kV母线连接,这种多点并网方式可有效降低线路损耗,提高系统供电可靠性ó项目设计严格遵循国家相关标准规范。

1.2 并网逆变器技术

项目选用逆变器进行光伏电能转换。 逆变器的选型充分考虑了组件的电气特性,确保在不同光照条件下都能实现最大功率点跟踪(MPPT)。

逆变器采用先进的矢量控制技术,能够实时调整输出电压和频率,使其与电网电压和频率保持同步。同时,具备完善的保护功能,包括过流保护、过压保护、欠压保护、短路保护等,当电网出现异常情况时,能在规定时间内切断与电网的连接,确保设备和人员安全。逆变器最大输入电压Uinverter-max=1 000 V,则每组串最大组件数量N为[1]:

式中:Voc为光伏组件开路电压。

根据计算结果,本项目实际每组串串联18块组件,确保工作电压U=18×51.63=929.34 V<1000 V。逆变器采用扰动观察法实现最大功率点跟踪控制(MPPT),跟踪效率ηMPPT计算公式为:

式中:PMPPT为实际跟踪功率,本项目典型值为585 W;

PSTC为标准测试条件(STC)下的额定功率,PSTC=590 Wó则计算可得ηMPPT≈99.15%。

1.3电能质量控制技术

光伏系统并网时,逆变器的开关动作会产生谐波电流,注入电网后会导致电压波形畸变,影响电能质量。项目在逆变器交流侧安装了高性能的谐波滤波器,可有效抑制各次谐波分量,将谐波含量控制在GB/T14549—1993《电能质量 公用电网谐波》规定的限值以内。此外,合理设计电缆敷设路径,减少谐波在传输过程中的放大效应。LC滤波器谐振频率f0计算公式为:

式中:L和C分别为电感和电容值,L=4mH,C=100 μF。

解得f0≈251.7 Hz,可有效抑制5次谐波(250 Hz)。

当电网电压出现波动或频率偏移时,光伏系统的并网运行会受到影响。项目通过逆变器的自动调节功能,对输出电压和频率进行实时校正。当并网点电压在额定电压的85%~110%范围内时,系统能正常运行;当电压超出该范围时,逆变器会根据GB/T19964—2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》的要求,在规定时间内停止向电网送电。对于频率偏移,当电网频率超出47.5~50.2 Hz范围时,系统能在0.2 s内切断并网连接,确保电网稳定。

2光伏发电系统优化设计策略

2.1 系统配置优化设计

2.1.1光伏组件选型与布局优化

项目选用590 wp单晶硅组件,该组件转换效率高达22.8%,在标准测试条件下(STC:1000w/m2,25 ℃),额定功率为590 w,开路电压Voc=51.63 V,短路电流Isc=14.38A。组件尺寸为2278mm× 1 134mm×30mm,重量为31.8 kg,采用钢化玻璃面板和阳极氧化膜铝合金边框,具有良好的耐候性和机械强度。

在组件布局方面,充分考虑了建筑屋面的结构特点和日照条件,采用阵列式支架安装形式,确保各排、列之间的布置间距能保证每天09:00—15:00(当地真太阳时)时段内前后左右互不遮挡。

2.1.2逆变器配置优化

根据组件的串并联方式和装机容量,合理配置逆变器的数量和容量。项目共使用235块590wp组件,总装机容量138.65kwp。选用两台20kw、一台40 kw和一台50 kw的组串式逆变器,总容量为2×20+40+50=130 kw,与装机容量匹配度较高,能充分发挥逆变器的效率。同时,将组件分成若干组串,每组串的组件数量根据逆变器的输入参数确定,确保逆变器工作在最佳效率区间。

2.2电气设计优化

2.2.1 电缆敷设优化

对于电缆选型与截面计算,根据各回路的电流大小和传输距离,合理选择电缆型号和截面。以40 kw逆变器回路为例,电流I计算为:

式中:P为回路功率,P=40000w;U为额定 电压 ,U=400 V;cos φ为功率因数,cos φ=0.95。

选择ZC-YJV22-0.6/1kV-3 ×25+1 ×16铜芯电缆,其载流量为70 A≥60.8 A,该电缆的压降公式为:

式中:ΔU为压降;R为导线电阻;P为铜电阻率,P=0.0172Ω.mm²;L为电缆长度;S为导体截面积,S=25mm²。

电压降4.18 V<5%U=20 V,满足载流量要求的同时控制电压降在合理范围内。

对于电缆敷设路径规划,要优化电缆敷设路径,尽量缩短电缆长度,减少弯曲次数,降低线路损耗。在屋面采用桥架敷设方式,桥架选用不锈钢材质,规格为50 mm×50 mm×2.0 mm,槽式直通桥架底部开散热孔,便于电缆散热。桥架敷设时,严格遵循GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》要求[2],桥架的填充率控制在50%以内,光伏电缆可双层堆放,同一槽盒内的电力电缆不宜多层排放。

电缆需采取保护措施,对于直埋敷设的电缆,埋深不小于0.7 m,在电缆上下方各铺设100 mm厚的软土或细沙层,再覆盖混凝土板或砖块保护。电缆穿过建筑物基础、道路等部位时,采用保护管敷设,保护管内径不小于电缆外径的1.5倍,埋深约0.7 m,保护管两端做好密封处理,防止水分和杂物进入。

2.2.2防雷接地系统优化

光伏系统的防雷与建筑物原有防雷措施相结合,利用屋面安装的光伏组件金属框架作为接闪器,其金属支撑结构通过扁钢与原有建筑物接闪带可靠连接,光伏阵列区域与原屋顶接闪带连接点不少于4处,间距不大于25 m。在逆变器直流侧输入及交流侧输出端均设置电涌保护器(SPD),光伏监控系统线路设置信号电涌保护器,防止雷电过电压损坏设备。

接地设计采用联合接地系统,接地电阻不大于4Ω。利用建筑物原有接地系统,若接地电阻不满足要求,则在建筑物室外增打人工接地极[3]。人工接地极采用2.5 m长的5号角钢作为垂直接地体,40 mm×4 mm的热镀锌扁钢作为水平接地体,形成网格状接地网。所有电气设备外壳、组件边框、电缆桥架等金属物体均可靠接地,确保人员和设备安全。图1为本项目的防雷接地系统图。

2.3 结构设计优化

2.3.1光伏支架优化设计

项目采用Q355镀锌铝镁钢支架,具有较高的强度和耐腐蚀性。支架结构经过详细的力学计算,确保在风荷载、雪荷载和自重等作用下保持稳定。主要支架构件包括前柱、中立柱、后立柱、斜梁方管、檩条方管等,其构造如图2所示。

各构件的规格和数量根据屋面荷载要求和组件布置方案确定。例如,前柱采用30mm×40mm×2.0 mm的方管,长度300 mm,共89根,单根重量3.77 kg,总重量约335.53kg;中立柱也采用30mm ×40mm ×2.0mm的方管,长度553mm,共59根,单根重量6.95kg,总重量约410.05kg。支架的连接采用螺栓连接和焊接相结合的方式,确保连接牢固可靠,同时便于安装和拆卸。

2.3.2屋面结构适应性设计

在设计光伏支架时,充分考虑了屋面的结构形式和承载能力。对于彩钢瓦屋面,采用专用的夹具与屋面连接,避免破坏屋面防水层;对于混凝土屋面,通过预埋件或膨胀螺栓固定支架底座,确保支架与屋面的可靠连接。同时,优化支架的安装高度和倾角，使光伏组件既能获得最佳的日照条件，又不影响屋面的排水和美观。

3 工程案例应用与分析

3.1 项目概况

鹤山市鹤华中学分布式光伏发电项目装机容量为138.65 kwp,安装235块590 wp单晶硅组件,采用“自发自用、余电上网”的0.4 kV并网模式，共设置4个并网点，分别接入科学馆、综合教学楼、冯汉柱楼和李佩瑶楼的低压分接箱。项目由江门电力设计院有限公司设计,鹤山市耀晖能源科技有限公司负责建设,旨在为学校提供清洁电力,降低用电成本,同时起到节能减排的示范作用。图3所示为光伏组件4个布置地点。

3.2 并网技术实施要点

严格按照设计图纸安装并网逆变器、并网计量柜、电涌保护器等并网设备。逆变器安装在通风良好、便于操作和维护的位置，底部距离地面不小于1.2 m，确保散热良好。并网计量柜安装在并网点附近，便于电力计量和监控，计量表选用0.25级多功能电能表，能准确计量正、反向有功及四象限无功电量，并具有非接触式停电抄表功能。

电气连接与调试中电缆连接时，严格按照相序和极性进行接线，确保电气连接正确可靠。连接完成后，对系统进行绝缘测试和耐压试验，确保绝缘电阻符合要求，无漏电现象。调试过程中，逐步检查逆变器的启动、并网、功率调节等功能，测试电能质量指标，确保各项参数符合并网标准。

3.3优化设计实施效果

通过优化设计，项 目的发电效率和稳定性得到显著提升。根据初步运行数据统计，系统的年利用小时数可达1 025 h，年发电量E约为:

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

式中:Ptotal为装机容量,Ptotal=138.65 kw;H为年利用小时数,H=1 025h。

相比传统设计方案，发电量提高了约8%。逆变器的平均运行效率达到98% 以上 ，MPPT效率超过99.5%，确保了太阳能的高效利用。项目总投资约120万元，根据当前电价和补贴政策0.6元/(kw.h)计算，预计投资回收期T如下:

由于采用了优化设计,减少了电缆、桥架等材料的用量，项目降低了建设成本5%~8%。同时,系统的高效运行和低维护成本进一步提高了项目的经济性。

4 结束语

本文围绕鹤山市鹤华中学138.65 kwp分布式光伏发电项目，对光伏发电系统的并网技术与优化设计展开研究。通过构建组件串联数量计算、电缆载流量计算等数理模型，结合工程实践，形成了一套量化设计方法。研究表明，优化后的系统年利用小时数达1025h，年发电量约14.21万kw.h,电压降控制在4.18 V以内，接地电阻不大于4 Ω，各项指标均满足国家标准，显著提升了系统的稳定性、经济性和安全性。该研究为分布式光伏项目的设计与实施提供了可借鉴的技术方案，对推动光伏发电技术的应用与发展具有重要意义。

[参考文献]

[1]张兴,曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].2版.北京:机械工业出版社,2018.

[2] 电力工程电缆设计标准:GB 50217—2018[S].

[3]马盈盈.光伏发电设备防雷接地系统设计优化研究[J].电气技术与经济,2024(8):229-231.

《机电信息》2025年第19期第2篇