20 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)與電氣一次設(shè)計

明　瑞，周少武

（湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

20 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)與電氣一次設(shè)計

明瑞，周少武

（湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

根據(jù)20 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)的工程條件和需求，系統(tǒng)總體方案采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)方式，光伏組件選用260 W多晶硅太陽能組件，光伏陣列運行方式為固定式安裝式，傾斜角為23°，逆變器為500 kW，光伏方陣的南北間距為5.2 m。對電氣一次系統(tǒng)的接入電力系統(tǒng)、電氣主接線和電氣設(shè)備布置進行了設(shè)計。根據(jù)計算結(jié)果可知，該系統(tǒng)的平均年上網(wǎng)電量為17 954 MW·h，年等效滿負荷利用時間為896.4 h，容量系數(shù)為0.102，節(jié)能和環(huán)保效益良好。

光伏發(fā)電；光伏組件；并網(wǎng)逆變器；光伏方陣；電氣一次系統(tǒng)

0　引言

為緩解能源危機，世界各國都在積極開發(fā)利用可再生能源，如太陽能、生物質(zhì)能等。在可使用的能源中，太陽能是一次性轉(zhuǎn)換效率最高的能源，且使用簡單、經(jīng)濟、環(huán)保。因此，近幾年，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)［1］得到了迅速發(fā)展，成為了利用太陽能的主要方式之一。從資源量和太陽能產(chǎn)品的發(fā)展趨勢來看，開發(fā)太陽能光伏發(fā)電項目，將有利于改善電網(wǎng)能源的電力結(jié)構(gòu)，有利于增加可再生能源的比例，有利于優(yōu)化系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)［2］。據(jù)最新統(tǒng)計，全球太陽能市場復(fù)合年均增長率達47.4%。在國家政策的大力支持下，我國太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展，產(chǎn)量和產(chǎn)能不斷增加，2015年我國太陽能發(fā)電量占全球總量1/4。

國內(nèi)外研究學(xué)者對太陽能光伏發(fā)電技術(shù)進行了深入研究。趙爭鳴等［3］研究了大容量并網(wǎng)光伏電站的運行機理與特性，分析了其在光伏陣列、變換器及并網(wǎng)方面存在的問題，闡述大容量并網(wǎng)光伏電站的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢。楊曉紅［4］對鄂爾多斯電網(wǎng)接入光伏系統(tǒng)進行了詳細分析，從技術(shù)和管理方面提出改進措施，以光伏電站20 MWp金太陽屋頂示范工程接入系統(tǒng)進行實例分析；Kim S. K.等［5］采用功率電流控制的逆變并網(wǎng)方式，對系統(tǒng)故障及負荷變化時的電磁暫態(tài)特性進行了分析；M. C. Alonso-Garcia等［6］發(fā)現(xiàn)實際運行條件的不同，會導(dǎo)致光伏組件工作溫度、日照強度的不同，從而達不到理想的光伏陣列組合特性要求，影響了光伏發(fā)電單元的效率。

針對某縣區(qū)域的光伏電站建設(shè)項目要求，本文設(shè)計了20 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)及其接入電力系統(tǒng)方案。該20 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)能合理開發(fā)太陽能資源，可獲得較好的社會、經(jīng)濟、環(huán)境效益，且本文所設(shè)計的電氣一次系統(tǒng)也能滿足項目技術(shù)要求。

1　20 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

在某縣區(qū)域建設(shè)的光伏發(fā)電站總面積約為0.28 km2，供電范圍為市電網(wǎng)。20 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)方案，其由17個光伏發(fā)電單元組成，每個發(fā)電單元與1臺雙分裂箱式變壓器連接，雙分裂箱式變壓器再分接2臺500 kW的并網(wǎng)逆變器，即采用1 MW為一子系統(tǒng)，整個電站由若干個1 MW子系統(tǒng)組成。光伏場區(qū)共裝設(shè)17臺容量1 000 kV·A的 35/0.315-0.315 kV雙分裂式箱式變壓器，箱變低壓側(cè)電壓為0.315 kV；裝設(shè)34臺500 kW并網(wǎng)逆變器，其輸出電壓為315 V，最大效率為98.7%。

本文對20 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組件、光伏組件方陣、逆變器、光伏方陣進行了設(shè)計，并對光伏發(fā)電系統(tǒng)的年上網(wǎng)電量進行計算。

1.1光伏組件

太陽能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心器件。太陽能電池組件種類繁多， 有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅薄膜太陽能電池、碲化鎘薄膜太陽能電池等。由于單晶硅、多晶硅太陽能電池的制造技術(shù)成熟、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、使用壽命長、光電轉(zhuǎn)化效率較高，因此，被廣泛應(yīng)用于大型并網(wǎng)光伏電站［7］。根據(jù)電站周圍的自然環(huán)境、光資源狀況、施工條件、交通運輸狀況和光伏電站年發(fā)電量，本系統(tǒng)選用多晶硅太陽能電池組件。

由于20 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件用量大，占地面積廣，組件安裝量大，故優(yōu)先選用單位面積功率大的電池組件，以減少占地面積，降低組件安裝量。目前在大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，多晶硅太陽能組件的規(guī)格主要在250～320 W之間。綜合考慮組件價格、效率、技術(shù)成熟性、市場占有率，以及采購訂貨時的可選擇余地，本系統(tǒng)選用260 W多晶硅太陽能組件77 044塊。

1.2光伏組件方陣

光伏組件方陣的運行方式對系統(tǒng)接收到的太陽總輻射量有很大影響，從而影響光伏供電系統(tǒng)的發(fā)電能力。光伏組件的運行方式有固定安裝式和自動跟蹤式2種［8］。

對于自動跟蹤式系統(tǒng)，其傾斜面上能最大程度地接收太陽總輻射量，從而增加發(fā)電量，但有以下問題［8］：1）裝置復(fù)雜，電池陣列的同步性對機電控制和機械傳動構(gòu)件要求較高，初始成本和維護成本都較高；2）本系統(tǒng)采用的電池組件多，場址占地面積比固定式安裝要大；3）自動跟蹤式系統(tǒng)本身要消耗一部分電量，其逆變器多采用并聯(lián)分散式布置，不便于集中控制，同時相對固定式逆變器投資加大。安裝跟蹤裝置獲得額外的太陽能輻射產(chǎn)生的效益，無法抵消其所需要的綜合成本。因此，本系統(tǒng)光伏組件方陣采用固定安裝式。

光伏陣列的安裝傾角對光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率影響較大，因此，需先計算固定式電池陣列的最佳傾角，即光伏發(fā)電系統(tǒng)全年發(fā)電量最大時的傾角［7］。本文采用所選工程代表年的太陽輻射數(shù)據(jù)，利用PVSYST模擬軟件計算斜面上各月平均太陽輻射量，不同角度下傾斜面太陽輻射變化曲線如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)組件方位角為0°（朝正南方向），傾角為23°時，全年平均太陽總輻射量最大。該傾斜面在工程代表年的各月太陽輻射值如表1所示。由表可知，斜面上太陽年總輻射量為4 617.2 MJ/m2。

圖1　不同傾斜面上太陽輻射變化曲線Fig. 1　Variation curve of solar radiation on different inclined planes

表1　傾斜面上工程代表年各月的太陽輻射值Table 1　Monthly values of solar radiation on in clined planes in there presentat ive year of the project MJ/m2

1.3逆變器

逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置［7］。本系統(tǒng)規(guī)模較大，根據(jù)目前市場占有率和產(chǎn)品成熟程度，本文選擇較大容量的并網(wǎng)型光伏逆變器，采用34臺500 kW逆變器，其輸出電壓為315 V，最大效率為98.7%，其主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖可知，并網(wǎng)逆變電源通過三相橋式變換器，將光伏陣列輸出直流電壓變換為高頻的三相斬波電壓，再通過濾波器濾波變成正弦波電壓并入電網(wǎng)發(fā)電。為了使光伏陣列以最大功率發(fā)電，在直流側(cè)采用先進的MPPT算法。

圖2　并網(wǎng)逆變器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig. 2　The topological structure of main circuit of grid connected inverter

1.4光伏方陣

光伏方陣設(shè)計包括組件陣列平面布置、方陣間距設(shè)計。

1）組件陣列平面布置

光伏組件支架采用固定式的安裝式，傾斜角為23°，每個支架由22塊光伏組件串聯(lián)組成 1個直流回路，總?cè)萘繛? 720 W；每個光伏發(fā)電單元裝設(shè)206個光伏組件支架。光伏組件以 2×11（縱向×橫向）方式排列，每塊光伏組件規(guī)格為1 640 mm×992 mm， 2塊組件之間東西向和南北向的間距都為25 mm 。因此支架包含22塊光伏組件的規(guī)格為3 305 mm×11 162 mm，如圖3所示。

圖3　單個支架光伏組件陣列的平面布置Fig. 3　The plane layout of photovoltaic modules array of single bracket

2）方陣間距設(shè)計

太陽能陣列必須考慮前后排的陰影遮擋問題。本文通過計算來確定陣列間的距離。當(dāng)光伏陣列傾斜角為23 °時，經(jīng)計算得到冬至日方陣各時刻電池組件的陰影長度隨時間變化的曲線如圖4所示。由圖可知，方陣南北間距至少為D=5.2 m，陰影長度為L=2.1 m時，才能保證冬至日早晨9:00至下午15:00（真太陽）時，太陽能陣列不會被遮擋。因此，本文設(shè)置光伏陣列的南北間距D為5.2 m。

圖4　冬至日不同時刻組件陰影長度變化圖Fig. 4　The length variation of module shadow at different times of the winter solstice

1.5光伏發(fā)電系統(tǒng)年上網(wǎng)電量計算

1.5.1計算條件

由上文可知，某縣區(qū)20 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝了77 044塊峰值功率為260 W的多晶硅電池組件，當(dāng)光伏組件傾斜角為23°時，斜面上太陽年總輻射量為4 617.2 MJ/m2。

該系統(tǒng)年上網(wǎng)電量的主要參數(shù)設(shè)置如下：陰影遮擋折減系數(shù)為98%，平均溫度效率折減系數(shù)為93.8%，逆變器綜合效率為98.4%，變壓器效率折減系數(shù)為98%，站用電效率折減系數(shù)為99%，直流與交流集電線路線損折減修正系數(shù)取為98%，灰塵折減修正系數(shù)為99%，不匹配折減修正系數(shù)為97%，檢修及其他不確定因素折減修正系數(shù)為97%。

1.5.2計算結(jié)果

根據(jù)上述計算條件，通過PVSYST模擬軟件進行計算，得出本系統(tǒng)光伏電站年上網(wǎng)電量計算結(jié)果見表2，運營期（25 a）各年上網(wǎng)電量計算結(jié)果見表3，各年等效滿負荷利用時間見表4。

表2　光伏電站年上網(wǎng)電量計算結(jié)果Table 2　Calculation results of annual on-grid energy of photovoltaic power station　MW·h

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，本系統(tǒng)安裝77 044塊260 W多晶硅光伏組件，光伏電站總?cè)萘繛?0.03 MW，電站運營期內(nèi)平均年上網(wǎng)電量為17 954 MW·h，年等效滿負荷利用小時896.4 h，容量系數(shù)為0.102。

表3　光伏電站運營期各年上網(wǎng)電量計算結(jié)果Table 3　Calculation results of annual on-grid energy of photovoltaic power station in the operating period MW·h

表4　運營期內(nèi)各年等效滿負荷利用時間Table 4　Annual utilization hours of equivalent full load in the operating period h

2　電氣一次設(shè)計

光伏發(fā)電電氣一次系統(tǒng)是承擔(dān)電能的輸送和電能分配任務(wù)的高壓系統(tǒng)［4］。

2.1接入電力系統(tǒng)

本系統(tǒng)建設(shè)地點位于某縣區(qū)，考慮對側(cè)變電站接納能力、變電站與電站場址之間的距離等要求，本光伏電站接入系統(tǒng)方案為：以1回35 kV架空線路送入110 kV網(wǎng)嶺變電站，導(dǎo)線型號為LGJ-185，輸送容量為20 MW，輸送距離為11 km。

2.2電氣主接線

電氣一次35 kV開關(guān)站的電氣主接線設(shè)計如圖5所示。電氣一次35 kV開關(guān)站電氣主接線包括開關(guān)站35 kV側(cè)接線、35 kV箱式變電站、光伏電站集電線路、站用電源。

1）開關(guān)站35 kV側(cè)接線。接入系統(tǒng)電壓等級為35 kV，開關(guān)站35 kV側(cè)接線方式為單母線接線方式，35 kV母線上共安裝6面35 kV高壓開關(guān)柜，即1面總出線開關(guān)柜、2面集電線路開關(guān)柜、1面無功補償裝置開關(guān)柜、1面站用接地變開關(guān)柜、1面PT柜。

2）35 kV箱式變電站。雙分裂箱式變電站高壓側(cè)電壓等級為35 kV，有17個光伏發(fā)電單元，每個發(fā)電單元容量為1178.32 kW。每個發(fā)電單元配一臺容量為1 000 kV·A 的雙分裂箱式變壓器，箱變低壓側(cè)電壓為0.315 kV?？芍夥鼒鰠^(qū)共裝設(shè)17臺容量為1 000 kV·A的35/0.315-0.315 kV雙分裂式箱式變壓器。

3）光伏電站集電線路。輸電線路可選擇電纜或架空線。架空線的美觀性較差，且會對光伏組件產(chǎn)生陰影影響，易出現(xiàn)遭雷擊、絕緣子污閃等故障，后期維護成本高，損耗也比電纜方案大［9］，故本光伏電站集電線選擇電纜，采用2回35 kV集電線路。

4）站用電源。本光伏電站工程站用電采用380/ 220 V三相四線制接地系統(tǒng)，2回低壓交流進線。380/ 220 V站用電系統(tǒng)為單母線分段接線，正常分列運行，站用電系統(tǒng)設(shè)2臺250 kV·A站用變，每臺站用變各帶一段母線，重要負荷分別從兩段母線雙回電源引取，其中1臺從35 kV母線引取，另一臺采用外接10 kV電源。站用電備自投功能，由交直流一體化電源系統(tǒng)實現(xiàn)。

圖5　電氣一次35 kV開關(guān)站電氣主接線Fig. 5　The main electrical connection of 35 kV switch station of electric primary system

2.3電氣設(shè)備布置

電氣設(shè)備布置包括電纜布置，35 kV配電裝置、站用接地變成套裝置布置，35 kV無功補償裝置布置，站用電設(shè)備布置。

1）電纜布置。35 kV集電電纜采用直埋敷設(shè)，直埋敷設(shè)的埋深為800 mm，溝底鋪細砂或篩過的土，且沿全長以磚或水泥板遮蓋。

2）35 kV配電裝置、站用接地變成套裝置布置。35 kV配電裝置采用戶內(nèi)成套裝置KYN61-40.5開關(guān)柜；站用接地變壓器成套裝置采用干式無油化設(shè)備。35 kV開關(guān)柜和接地變壓器成套裝置集中布置在設(shè)備樓一層的35 kV配電裝置室內(nèi)。

3）35 kV無功補償裝置布置。35 kV無功補償裝置采用降壓型SVG型無功補償裝置，集中布置在開關(guān)站的北側(cè)。

4）站用電設(shè)備布置。本系統(tǒng)35 kV站用變壓器布置在站用配電室內(nèi)，10 kV站用變壓器采用預(yù)裝箱式變壓器，布置在戶外。

3　結(jié)論

1）本20 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)方案。通過技術(shù)與經(jīng)濟性綜合比較，光伏組件采用260 W多晶硅電池組件，光伏場區(qū)共裝設(shè)34臺500 kW并網(wǎng)逆變器，最大效率為98.7%，光伏組件方陣運行方式采用固定安裝式，光伏陣列南北間距D=5.2 m。光伏陣列最佳傾角為23 °時，斜面上太陽年總輻射量為4 617.2 MJ/m2。

2）對電氣一次系統(tǒng)的接入系統(tǒng)、電氣主接線、電氣設(shè)備布置進行了設(shè)計。接入系統(tǒng)采用以1回35 kV架空線路送入110 kV網(wǎng)嶺變電站，導(dǎo)線型號為LGJ-185，輸送容量為20 MW，輸送距離為11 km。

3）該系統(tǒng)選擇節(jié)能型設(shè)備和產(chǎn)品，平均每年可為電網(wǎng)提供清潔電能17 954 MW·h，年等效滿負荷利用時間為896.4 h，容量系數(shù)為0.102。該系統(tǒng)既節(jié)能又環(huán)保。

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（責(zé)任編輯：鄧彬）

Design of 20 MW Photovoltaic Power Generation System and Electric Primary System

MING Rui，ZHOU Shaowu
（School of Information and Electrical Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China）

According to the engineering conditions and requirements of 20 MW photovoltaic power generation system， the mode of block power generation and centralized grid connection is used in the overall scheme of the system. The 260 W polysilicon solar modules is chosen， the fixed installation method is adopted in operation mode of photovoltaic array， and the inclined angle of photovoltaic array is 23°， 500 kW grid connected inverters are put to use， and distance between the North and South is 5.2 m in photovoltaic arrays. The design of access power system， main electrical connection and electric equipment configuration are carried out in electric primary system. The calculation results show that annual average on-grid energy is 17 954 MW·h， annual utilization hour of equivalent full load is 896.4 h， capacity coefficient is 0.102，and the energy-saving and environmental benefit are well.

photovoltaic power generation；photovoltaic module；grid connected inverter； photovoltaic arrays；electric primary system

TM615+.2

A

1673-9833（2016）02-0026-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.02.005

2016-02-10

國家自然科學(xué)基金資助項目（51577057）

明瑞（1992-），男，湖南株洲人，湖南科技大學(xué)碩士生，主要研究方向為電力系統(tǒng)控制與設(shè)計，E-mail：mxz9036@126.com

周少武（1964-），男，湖南湘潭人，湖南科技大學(xué)教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)優(yōu)化控制方面的研究，E-mail：shaowuzhou@163.com