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1、(10)申请公布号 CN 104362937 A(43)申请公布日 2015.02.18CN104362937A(21)申请号 201410459008.4(22)申请日 2014.09.10H02S 10/00(2014.01)(71)申请人长江勘测规划设计研究有限责任公司地址 430010 湖北省武汉市江岸区解放大道1863号(72)发明人赵鑫 刘海波 苏毅 叶任时鱼维娜 张鹏(74)专利代理机构武汉开元知识产权代理有限公司 42104代理人陈家安(54) 发明名称光伏发电单元发电效益最大化布置结构(57) 摘要光伏发电单元发电效益最大化布置结构，包括成排布置的光伏组件串(1)，布置在每排。
2、光伏组件串(1)前方中间位置的汇流箱(2)，同排中的每个光伏组件(11)通过一级汇流电缆(7)与汇流箱(2)连接，位于每排光伏组件串(1)前方中间位置的单个汇流箱(2)通过二级汇流电缆(3)与逆变器(4)连接，所述的逆变器(4)位于场区主干道(6)的一侧，所述的逆变器(4)有二台，每台逆变器(4)连接同侧的一半光伏发电单元(8)，两台所述的逆变器(4)与变压器(5)连接，所述的光伏发电单元(8)逆变器总输出功率1MW。本发明通过综合考虑直流电缆用量、线路损耗、线路压降变化、逆变器功率输出等因素，达到使光伏发电单元发电效益最大化布置的目的。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书7页 附图3。
3、页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书7页 附图3页(10)申请公布号 CN 104362937 ACN 104362937 A1/1页21.光伏发电单元发电效益最大化布置结构，其特征在于：包括成排布置的光伏组件串(1)，布置在每排光伏组件串(1)前方中间位置的汇流箱(2)，同排中的每个光伏组件(11)通过一级汇流电缆(7)与汇流箱(2)连接，位于每排光伏组件串(1)前方中间位置的单个汇流箱(2)通过二级汇流电缆(3)与逆变器(4)连接，所述的多排光伏组件串(1)通过场区主干道(6)等分为左右两部分，所述的左右两部分构成光伏发电单元(8)并布置成正方形。
4、，所述的逆变器(4)位于场区主干道(6)的一侧，所述的逆变器(4)有二台，每台逆变器(4)连接同侧的一半光伏发电单元(8)，两台所述的逆变器(4)与变压器(5)连接，所述的光伏发电单元(8)逆变器总输出功率1MW。2.根据权利要求1所述光伏发电单元发电效益最大化布局结构，其特征在于：所述的逆变器(4)布置在光伏发电单元的几何中心。3.根据权利要求1或2所述光伏发电单元发电效益最大化布局结构，其特征在于：所述的汇流箱(2)的位置与光伏组件串(1)相邻。4.根据权利要求3所述光伏发电单元发电效益最大化布局结构，其特征在于：每台所述逆变器(4)接入的光伏组件装机功率大于逆变器额定功率，小于逆变器最大。
5、允许输入功率。5.根据权利要求1或4所述光伏发电单元发电效益最大化布局结构，其特征在于：所述光伏发电单元(8)装机功率为逆变器(4)额定功率的1.1倍。权 利 要 求 书CN 104362937 A1/7页3光伏发电单元发电效益最大化布置结构技术领域0001 本发明涉及光伏发电技术，具体地指一种光伏发电单元发电效益最大化布置结构。背景技术0002 光伏发电单元是一个光伏电站中基本的组织。通常每个光伏发电单元配置一台变压器和若干台逆变器。在实际工程中，一个光伏发电单元的光伏装机容量没有定式，有以500kWp规模设计光伏发电单元，也有按照1MWp、2MWp等规模设计一个光伏发电单元。部分研究提到光。
6、伏阵列尽量布置成矩形，但是并未对逆变器的合理布置进行分析。0003 光伏电站的总体布置光伏组件需要尽量避免被阴影遮挡，因此逆变器通常布置在整个光伏发电单元的外侧，同时，将多个光伏发电单元的逆变器安放在场区主干道的两侧，从而可以减少场区中道路的建设，降低建设成本。但是，这些设计没有考虑逆变器布置在光伏发电单元外侧可能增加直流电缆用量，而在光伏电站中，直流电缆用量较多，增加电缆用量导致线路损耗和线路压降变大，影响光伏电站整体发电效率(如图3所示)。0004 光伏电站中光伏组件和逆变器的典型配置是使二者功率匹配，即每500kWp的光伏装机容量配置一台500kW的逆变器。但从实际运行状况分析，1MWp。
7、装机容量的光伏组件无法达到1MW的额定输出，因此，逆变器绝大部分时间在小于额定功率的情况下运行。发明内容0005 本发明的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，而提供一种光伏发电单元发电效益最大化布置结构。0006 本发明的目的是通过如下措施来达到的：光伏发电单元发电效益最大化布置结构，其特征在于：包括成排布置的光伏组件串，布置在每排光伏组件串前方中间位置的汇流箱，同排中的每个光伏组件通过一级汇流电缆与汇流箱连接，位于每排光伏组件串前方中间位置的单个汇流箱通过二级汇流电缆与逆变器连接，所述的多排光伏组件串通过场区主干道等分为左右两部分，所述的左右两部分构成光伏发电单元并布置成正方形，所述的逆。
8、变器位于场区主干道的一侧，所述的逆变器有二台，每台逆变器连接同侧的一半光伏发电单元，两台所述的逆变器与变压器连接，所述的光伏发电单元逆变器总输出功率1MW。0007 在上述技术方案中，所述的逆变器布置在光伏发电单元的几何中心。0008 在上述技术方案中，所述的汇流箱的位置与光伏组件串相邻。0009 在上述技术方案中，每台所述逆变器接入的光伏组件装机功率大于逆变器额定功率，小于逆变器最大允许输入功率。0010 在上述技术方案中，所述光伏发电单元装机功率为逆变器额定功率的1.1倍。0011 本发明结合光伏电站的特点，提出光伏发电单元发电效益最大化设计技术，通过合理规划光伏发电单元布置格局和装机容量。
9、，减少直流汇流电缆用量，降低线路功率损失，最大化单个光伏发电单元的发电效益；通过按照每个合理配置光伏发电单元的装机容量，说 明 书CN 104362937 A2/7页4降低光伏发电单元的单位MW工程建设成本；通过光伏发电单元装机容量略大于逆变器额定容量的配置，以实现逆变器的充分利用。0012 本发明光伏发电单元发电效益最大化布置结构包含如下要点：光伏发电单元尽量布置成准正方形格局，逆变器布置在光伏发电单元的准几何中心，汇流箱布置于每排光伏阵列中间，光伏发电单元光伏组件装机容量以使所有逆变器总输出功率达到1MW为配置原则，单台逆变器光伏组件功率宜按逆变器额定功率的1.1倍配置。0013 本发明基。
10、于“面积一定条件下，圆形周长最短，正方形其次”的基本理论，并考虑施工可行性，首次提出正方形的光伏发电单元布置格局。光伏发电单元中的光伏串列成排布置成一组光伏阵列，若干组光伏阵列构成一个光伏发电单元，根据光伏阵列之间的间距和光伏阵列中光伏组件数量不同，每一个光伏阵列数量可进行调整，但每个光伏发电单元的整体布置为准正方形。虽然布置成圆形时，光伏发电单元中的电缆布线可能比矩形的布置用量少，但在实际工程中，圆形布置的光伏发电单元土地利用率不高。0014 本发明中每个光伏发电单元布置两台逆变器，按照使逆变器总输出功率为1MW的规格配置光伏组件装机功率，光伏组件串布置在逆变器两侧，每侧布置一半光伏组件。由。
11、于每个光伏发电单元的逆变器通常采用集中放置的方案，光伏发电单元的装机规模越大，单位MW光伏的总直流电缆用量越大，将导致建设成本增加。而光伏发电单元的装机规模小于单位MW时，不能体现规模化布置的成本优势。0015 在本发明中逆变器集中布置在光伏发电单元准几何中心，光伏发电单元分成等容量的两组分别布置在两台逆变器两侧，同侧的光伏组件接入同一台逆变器。将逆变器布置在光伏发电单元准几何中心，可以使一个光伏发电单元内，光伏汇流箱至逆变器的汇流电缆的总长度远小于逆变器布置在光伏发电单元外围，既降低电缆用量，也降低线路损耗。与逆变器布置于光伏阵列外围相比，该布置增加部分道路建设成本，但由此减少的电缆用量及降。
12、低线损带来的发电收益远高于道路成本0016 在本发明中每一侧同一排光伏组件串共用一个光伏汇流箱，光伏汇流箱布置在每一排光伏组件串的中间。采用此种布置，光伏组串至光伏汇流箱的电缆总长度小于光伏汇流箱布置在一排光伏组件串的外侧时的电缆用量，可降低电缆用量。0017 在本发明中每台逆变器所接的光伏组件峰值功率大于逆变器的额定输入功率，同时小于逆变器的最大允许输入功率，以光伏组件接入峰值功率为逆变器额定输入功率1.1倍为宜。光伏电站中光伏组件和逆变器的典型配置是使二者功率匹配，即每500kWp的光伏装机容量配置一台500kW的逆变器。但从实际运行状况分析，1MWp装机容量的光伏组件无法达到1MW的额定。
13、输出，因此，逆变器绝大部分时间在小于额定功率的情况下运行。采用本设计方案多配光伏组件，可提高逆变器的实际输出功率，充分利用逆变器的输出能力，而且相同规模的光伏组件所需的逆变器数量更少，降低工程造价。本发明打破常规逆变器输入功率不超配的固定思维，在提高逆变器、变压器等设备的利用率的同时降低了工程造价，提高了光伏发电单元发电效益。附图说明0018 图1为本发明光伏电站的光伏发电单元平面布置图。0019 图2为本发明光伏发电单元中光伏组件串和汇流箱的接线示意图。说 明 书CN 104362937 A3/7页50020 图3为现有技术中变压器和逆变器布置在光伏发电单元外围的结构示意图。0021 图4为。
14、光伏阵列的输出功率特性P-U曲线图。0022 图5为光伏逆变器的效率曲线图。0023 图中：1.光伏组件串，11.光伏组件，2.汇流箱，3.二级汇流电缆，4.逆变器，5.变压器，6.场区主干道，7.一级汇流电缆，8.光伏发电单元。具体实施方式0024 下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，但这并构成对本发明的限制，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解，0025 参阅附图可知：本发明光伏发电单元发电效益最大化布置结构，其特征在于：包括成排布置的光伏组件串1，布置在每排光伏组件串1前方中间位置的汇流箱2，同排中的每个光伏组件11通过一级汇流电缆7与汇流箱2连接，位于每排。
15、光伏组件串1前方中间位置的单个汇流箱2通过二级汇流电缆3与逆变器4连接，所述的多排光伏组件串1通过场区主干道6等分为左右两部分，所述的左右两部分构成光伏发电单元8并布置成正方形，所述的逆变器4位于场区主干道6的一侧，所述的逆变器4有二台，每台逆变器4连接同侧的一半光伏发电单元8，两台所述的逆变器4与变压器5连接，所述的光伏发电单元8逆变器总输出功率1MW。0026 所述的逆变器4布置在光伏发电单元的几何中心。0027 所述的汇流箱2的位置与光伏组件串1相邻。0028 每台所述逆变器4接入的光伏组件装机功率大于逆变器额定功率，小于逆变器最大允许输入功率。0029 所述光伏发电单元8装机功率为逆变。
16、器4额定功率的1.1倍。0030 本发明布置结构的要点：0031 一、光伏发电单元布置成准正方形0032 光伏发电单元根据现场条件，通常可布置成正方形、矩形和圆形，以及其他不规则形状。从设计、施工及美观角度考虑，尽量将光伏发电单元布置成规则图形。根据理论分析，在面积一定的条件下，圆形的周长最短，正方形其次。布置成圆形时，光伏发电单元中的电缆布线可能比矩形的布置用量少，但是从实际工程角度考虑，圆形布置的光伏发电单元施工不便，且相邻光伏发电单元之间的空地都被浪费。因此，光伏发电单元尽量布置成规则的正方形格局(如图1)。0033 二、变压器和逆变器布置在光伏发电单元准几何中心0034 在图1中，光伏。
17、发电单元整体呈准正方形布置，逆变器4和变压器5布置在光伏发电单元的准几何中心，光伏阵列成排布置在逆变器两侧，每侧光伏组件装机容量相等。0035 图3中，光伏发电单元整体呈准正方形布置，逆变器4和变压器5布置在光伏发电单元的外侧。0036 按照图1布置光伏发电单元，需要额外建设主干道通往变压器及逆变器的场区主干道6。按照图3布置光伏发电单元，逆变器4和变压器5可直接布置在场区主干道6旁，减少了道路建设成本。0037 为便于比较，假定图1和图3中的光伏发电单元为1MWp，每一横排光伏组件之间的说 明 书CN 104362937 A4/7页6间距为5m。则可以估算出按照图3布置光伏电站每MW发电单元。
18、比图1的布置方式减少道路约270m。相应的节省道路建设成本约5000元。0038 但是，对比图1和图3布置方式中的电缆用量，假定一级汇流电缆7全部采用26mm2的光伏专用电缆，汇流箱2和逆变器4之间的二级汇流电缆3采用150mm2的电力电缆，则可计算得到电缆用量分别如表1所示。0039 表1 MW光伏发电单元电缆用量比较0040 0041 从表1中可以看到，逆变器4放在光伏发电单元外围主要增加了汇流箱2至逆变器4的二级汇流电缆3的用量，每MW发电单元增加约2300m的汇流电缆。这带来两个问题：0042 (1)增加的电缆用量带来的成本增加远大于少建道路带来的成本减少。0043 (2)按照光伏组件。
19、满功率运行考虑，汇流电缆上的电流约为96A，而150mm2汇流电缆的电阻率为0.387/km，因此每MW光伏发电单元因为增加电缆用量带来的功率损耗约为：9620.3872.38203W，按照1MWp光伏发电功率计算，线路上的损失约增加0.82。0044 因此，综合考虑，将逆变器4和变压器5布置在光伏发电单元的准几何中心，经济性更好，电站发电效率更高。0045 三、光伏发电单元装机容量优先采用1MW规模0046 根据逆变器4和变压器5尽可能布置在光伏发电单元几何中心的原则，按照每个光伏发电单元逆变器总输出功率500kW、1MW、2MW、3MW布置4个光伏发电单元。光伏发电单元的布置形式如图1所示。
20、，仅在规模上有差别，不另附图。0047 1.对成本的影响0048 1)电缆成本对比0049 假定一级汇流电缆7全部采用26mm2的光伏专用电缆，二级汇流电缆3采用150mm2的电力电缆，则不同光伏发电单元的电缆用量及等效单位MW电缆用量计算如下：0050 表2不同规格光伏发电单元电缆用量统计表0051 说 明 书CN 104362937 A5/7页70052 从表2中可以看到，不同装机容量的光伏发电单元直流电缆用量几乎相当，因为虽然光伏发电单元容量不同，但是每个光伏支架上的光伏组件数量基本相同，而且每个汇流箱的位置在光伏发电单元中的位置基本一致，因此一级汇流电缆7用量基本一致。不同光伏发电单元。
21、的电缆用量差异主要体现在二级汇流电缆3用量上。0053 根据目前150mm2电力电缆价格30元/m计算，1MWp光伏发电单元电力电缆成本约为44.4万元，0.5MWp、2MWp、3MWp光伏发电单元等效每MW电力电缆成本相比1MWp光伏发电单元变化分别为(1240-1480)30-0.7万元、(2410-1480)302.79万元、(3333-1480)305.56万元。即光伏发电单元规模越大，电缆用量越大。0054 2)变压器成本对比0055 不同光伏发电单元可采用不同容量的升压变压器，即0.5MW、1MW、2MW、3MW光伏发电单元分别可采用0.5MVA、1MVA、2MVA、3MVA变压器。
22、。根据当时市场价格推算，这四种变压器的价格分别约为12万元、21万元、37万元、50万元，对应单位MW光伏装机容量的变压器成本分别为24万元、21万元、18.5万元、16.33万元。即变压器容量越大，单位MW的成本越低。0056 综合比较，以1MW光伏发电单元的成本为基础，不同规模的光伏发电单元主要单位MW电缆成本及变压器成本对比如下表所示：0057 表3不同规模光伏发电单元单位MW的150mm2电缆和变压器成本对比0058 规模0.5MW 1MW 2MW 3MW电缆成本(万元) -0.7 44.4 +2.79 +5.56变压器成本(万元) +3 21 -2.5 -4.670059 从表3中可。
23、以看到，MW级光伏发电单元在150mm2电缆和变压器上的综合成本差异很小，经济性相当，其中0.5MW规模的光伏发电单元单位MW成本最高，主要在于无法体现光伏电站布置的规模化优势。0060 2.对发电量的影响0061 1)线损对比0062 由于单位MW光伏发电单元的一级直流电缆用量相当，因此线损也相当，主要线损差别体现在二级汇流电缆上。0063 根据150mm2汇流电缆的电阻率为0.387/km计算和表2的统计，不同规模的说 明 书CN 104362937 A6/7页8光伏发电单元单位MW装机容量的二级汇流电缆(3)上的功率损耗分别为：0064 0.5MW规模：9620.3871.244422W。
24、0065 1MW规模：9620.3871.485278W0066 2MW规模：9620.3872.418596W0067 3MW规模：9620.3873.3311877W0068 可见，由于规模越大的光伏发电单元汇流电缆用量越多，因此线损也越大。线损的增加降低了光伏电站的能量转换效率，从提高太阳能利用效率的角度对比，采用较小规模的光伏发电单元单元更有利于提高光伏电站的发电量；其中，0.5MW与1MW规模二级直流汇流线损差别较小；仅与2MW规模发电单元比较，1MW规模发电单元线损减少约0.33。0069 2)对光伏逆变器最大功率跟踪(MPPT)效果的对比0070 光伏阵列的输出功率特性P-U曲线。
25、如图4所示为单凸峰形曲线，当光伏阵列的工作电压U为Umax时，光伏阵列的输出功率P为最大功率Pmax，即为曲线的最大功率点。为此，光伏阵列必须实现最大功率点跟踪控制，以便阵列在任何条件下不断获得最大功率输出。MPPT的实现实质上是一个自寻优过程，即通过测量电流、电压和功率，判定出当前工作点与峰值点的位置关系，并调节工作点电压(或电流)，使其向峰值功率点靠拢，使光伏阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率Pmax。0071 装机容量越大的光伏发电单元，占地面积越大，距离逆变器4最远的汇流箱2比最近的汇流箱2远得多。在每根汇流电缆上电流量一样的情况下，越长的汇流电缆上的电压降越大。从。
26、而导致不同汇流箱在逆变器端的出口电压相差较大。而逆变器工作时只能有一个工作点，这样会导致部分汇流箱所接的光伏组件的工作点偏离最大功率输出点太远，从而降低了这些光伏组件的输出功率，影响发电量。0072 对比0.5MW、1MW、2MW和3MW的光伏发电单元，最短的二级汇流电缆3长度均为21m，最长的二级汇流电缆3分别为45m、54m、98m和145m。按照汇流电缆规格为150mm2，其电阻率为0.387/km计，最大的电压降落分别为1.7V、2V、3.6V、5.4V左右。由此可见，光伏发电单元规模越大，汇流箱至逆变器端口间的电压差别越大，那么难以工作于最大功率跟踪点附近的光伏组件就越多，从而影响整。
27、个光伏电站的总发电量。0073 因此，从MPPT跟踪控制的角度说，光伏发电单元的规模越小，越有利于提高单位MW光伏装机容量的发电量。0074 综上所述，光伏发电单元的规模越小，越有利于提高单位MW光伏组件的发电量。但是，0.5MW光伏发电单元的工程成本太高，因此，本工程采用逆变器总出口功率1MW的光伏发电单元能在发电量和工程造价之间取得良好的平衡。0075 四、光伏组件和逆变器容量配比优化0076 光伏电站中光伏组件和逆变器的典型配置是使二者功率匹配，即每500kWp的光伏装机容量配置一台500kW的逆变器。0077 但从实际运行状况分析，1MWp装机容量的光伏组件无法达到1MW的额定输出，因。
28、此，逆变器绝大部分时间在小于额定功率的情况下运行。0078 查阅逆变器的说明书可知，光伏逆变器的输入功率允许大于其额定功率，即500kW的逆变器正常运行的输入功率不超过560kW即可，而根据逆变器的效率曲线(如图5所示)分析，光伏逆变器的输出功率在超过50以后，其效率变化很小，基本稳定同一个值，即在说 明 书CN 104362937 A7/7页9安全情况下增加逆变器输入端的光伏组件装机容量，不会降低逆变器的工作效率。因此，按照每台500kW逆变器配置550kWp光伏组件，即使光伏组件因为效率的限制达不到额定功率，逆变器的总输出功率也大于只配置500kWp光伏组件时的输出功率，且不会损坏逆变器。0079 根据500kW逆变器配置550kW光伏组件装机容量计算，一个光伏发电单元共可安装1.1MWp光伏组件。此种设计比常规同等容量的光伏电站节约了逆变器和变压器的数量。0080 综上所述，采用光伏装机容量为逆变器额定功率1.1倍的方式配置光伏组件，在提高逆变器输出功率的同时降低了工程造价，从而降低了光伏电站的度电成本。0081 其它未详细说明的部分均为现有技术。说 明 书CN 104362937 A1/3页10图1图2说 明 书 附 图CN 104362937 A10。