关于江苏油田光伏电站组串设计及施工中的一些思考

【摘 要】本课题具体研究从油田光伏电站设计中组串的设计及施工，即组件串联数这一细节入手，探讨其设计及施工中存在的问题并进行优化思考，以有效降低光伏电站的建设成本，助力油田光伏电站建设。

【关键词】光伏组件；串联数

前言

根据中石化集团公司及江苏油田新能源发展工作部署，油服中心自2021年末强力启动新能源自建自用工作。截至目前，油田自建光伏已并网159个电站32.18MW，累计发电2105万度，节约标煤6474.98吨，减排二氧化碳17682吨。当前，提质增效成为油田光伏建设新发展阶段的重要任务。在安全高效前提下，光伏电站设计更应考虑”降低建设成本、提高发电效率”，以提高电站运行质量，推动江苏油田光伏建设有序及高质量发展。

本文将从油田光伏电站设计中组串的设计及施工，即组件串联数这一细节入手，探讨其设计及施工中存在的问题并进行优化思考，以有效降低光伏电站的建设成本，助力油田光伏电站建设。

1、光伏组串的计算依据及设计原则

计算依据：目前，对光伏电站的光伏方阵进行设计时，计算光伏组件串联数通常依据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》中第6.4.2条款。由于 GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》属于国家现行强制性规范，不同于国家推荐规范，设计原则上一般是不能违反国家现行规范的，但是个人认为，行业人员对于该规范的理解存在一些差异。

光伏组件串联数的常规设计原则主要有以下几点：

（1）光伏组件串联后的开路电压应小于直流系统电压，并小于逆变器允许的最大直流输入电压；（对应公式1：光伏组件串联后的最大开路电压低于逆变器的最大接入电压）。

（2）光伏组件串联后的最低工作电压应大于逆变器允许的最低直流输入电压，并小于逆变器MPPT 电压范围的上限；（对应公式2：光伏组件串联后的MPPT电压在逆变器的MPPT电压范围之内）。

（3）系统启动时，光伏组件串联后的最低工作电压应大于逆变器的最小启动电压，以确保系统启动时太阳所需的辐照度最小，从而增加逆变器的全天的工作时长。

2、江苏油田光伏电站组串设计方案

江苏院设计中组件、逆变器等基础参数，计算时，t、t’（光伏组件工作条件下的极限低温/极限高温）直接取的当地气象极限温度。根据（1）～（2）公式进行计算结果如下：

（1）当逆变器采用400V交流输出时：根据（1）式，N≤19；根据（2）式，5≤N≤20；综合（1）（2），5≤N≤19。采用18块光伏组件构成一个光伏组串，每串功率 9.81kW。

（2）当逆变器采用800V交流输出时：根据（1）式，N≤27；根据（2）式，12≤N≤31；综合（1）（2），12≤N≤27。根据计算结果，本工程采用26块光伏组件构成一个光伏组串，每串功率 14.17kW。

3、油田光伏组串设计问题的思考分析

t、t’（光伏组件工作条件下的极限低温/极限高温）的取值问题。传统设计一般取项目所在地的极端气象温度。

对于t，一般气象极限低温均出现在夜间，实际上t应该取工作条件下组件的极端低温，即白天有光照时组件的最低温度。现实中，在组件工作条件下，当阳光照到光伏组件上时，结温会立刻升高，并随着辐照度的增加而增加。因此，计算中取全天的环境极端低温直接计算，显然t值会偏低。

对于t’，取全天的环境极端高温，也是偏低的，光伏组件工作时，其内部温度肯定比环境温度高。公式（1）中Voc（光伏组件的开路电压）的取值问题。

个人认为传统设计公式（1）中的Voc（光伏组件的开路电压）与t（光伏组件工作条件下的极限低温）取值都偏保守。这2个取值都与光伏组件工作时的辐照值有关。

关于组件开路电压Voc，组件厂家给的数值是在STC条件（辐照度1000W/㎡，组件温度25℃，空气质量AM1.5）下的取值。而实际运行条件下，在环境温度最低时的辐照度肯定达不到STC条件下的1000W/㎡。一般一天中的最低温出现在凌晨日出前后，即在最低温时并不是辐照量最高的时刻，最低温与最高辐照值不会同时出现。即此刻极限低温时，辐照度肯定达不到1000W/㎡，且小得多。此时组件Voc（光伏组件的开路电压）的取值也不是STC条件下的值，应以实际的辐照度进行修正，即传统设计中的组件开路电压Voc取值也是偏大了。

以上因素造成在利用常规算法进行组串计算和设计时，存在极端温度取值偏低、开路电压偏大、组件串联数取值偏保守等问题。组件串联数偏小会导致在同样的设计容量下组串数增多，从而使组串汇流电缆增多、逆变器用量增加，最终建设成本增加。因此，在实际设计过程中，我们可以考虑在传统算法的基础上，根据实际运行环境对t、t’（光伏组件工作条件下的极限低温/极限高温）、Voc（光伏组件的开路电压）的取值进行修正优化计算，使油田光伏电站组串设计更加合理。

4、组串设计优化的思路

设计优化的主要思路还是对t、t’（光伏组件工作条件下的极限低温/极限高温）、Voc（光伏组件的开路电压）的取值进行合理修正，使组件串联数量取值更加合理。

据统计，江苏油田油区的极端气象温度：最高气温43℃，最低气温-16℃。对于t（光伏组件工作条件下的极限低温），一般气象极限低温出现在夜间，第二天白天在组件工作条件下，气温有所回升，再加上组件工作自身发热，建议光伏组件工作条件下的极限低温取-7～-8℃。对于t’（光伏组件工作条件下的极限高温），最高的气象气温下，光伏组件工作时，其内部温度比环境温度高17～22℃，建议光伏组件工作条件下的极限高温取60～65℃。

组件厂家STC条件（辐照度1000W/㎡，组件温度25℃，空气质量AM1.5）下Voc的取值为50.1V。而实际运行条件下，在环境温度最低时的辐照度肯定达不到STC条件下的1000W/㎡。一般一天中的最低温出现在凌晨日出前后，即在最低温时并不是辐照量最高的时刻，最低温与最高辐照值不会同时出现。即此刻极限低温时，辐照度肯定达不到1000W/㎡，且小得多。此时参照右图光伏组件的I-V曲线，当辐照度下降，开路电压变化变化不大但还是有小幅下降。建议辐照度按照200W/㎡进行修正，Voc取值修正约为48V。

代入计算结果如下：

（1）当逆变器采用400V交流输出时：根据（1）式，N≤21；根据（2）式，6≤N≤21；综合（1）（2）， 6≤N≤21。

（2）当逆变器采用800V交流输出时：根据（1）式，N≤28；根据（2）式，16≤N≤32；综合（1）（2）， 16≤N≤28。

修正后的组串与传统设计比较分析，可以发现，修正后N每串可多串2～3个组件，若按优化后方案实施，可在一定程度上节约项目建设成本、提升整体系统的效率。

4、项目建设成本分析

以设计1MW光伏方阵为例，采用545W光伏组件计算：原设计26块光伏板串联，则1MW光伏方阵共需1846块光伏组件，即需要71串光伏组串，装机容量1.00607MW；按修正后28块串联，则1MW光伏方阵共需1848块光伏组件，即需要66串光伏组串，装机容量1.00716MW。对比可知，每MW光伏阵列可减少5串光伏组串支路。在较大光伏项目中，一个支路的光伏组件串的越多，并联支路数量越少，可以减少优化逆变器的用量、组件-逆变器光伏专用电缆的用量，从而降低一定的建设成本，而且设计的装机容量还有所提升，相应的度电成本进一步降低。

可以发现，采用修正后的串联方式可以使组串电压分别提高11.1%和7.7%，损耗减少23.5%和15.9%，系统发电效率提升约0.48%和0.33%。因此，在同等辐照度和相同装机容量下，修正后的算法可有效提升发电效率和发电量。

5、结束语

本文从江苏油田光伏电站中组件串联数这一细节入手，提出光伏组件串联数计算取值修正优化的新思路，再结合现场施工中遇到的一些问题加以思考，使江苏油田光伏设计更加精细化、规范化，更有效地指导现场施工，降低光伏电站的建设成本，提高电站发电效率，促进油田新能源建设更高质量发展！