大規(guī)模并網(wǎng)光伏電站逆變器室供電方案探討

郭延軍，王少波，何震

（上海環(huán)保工程成套有限公司，上海 200070）

大規(guī)模并網(wǎng)光伏電站逆變器室供電方案探討

郭延軍，王少波，何震

（上海環(huán)保工程成套有限公司，上海 200070）

該研究以內(nèi)蒙古巴彥淖爾市某30 MW光伏電站為研究對象，針對大規(guī)模并網(wǎng)光伏電站占地面積大、逆變器室布局分散的特點(diǎn)，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度對這3種供電方案進(jìn)行了對比分析，得出了分散供電方案更適用的結(jié)論。

大規(guī)模并網(wǎng)光伏電站；逆變器室；集中供電；分散供電

近年來，隨著國家對光伏新能源行業(yè)的大力支持，尤其是2009年“金太陽示范工程”的實(shí)施，國內(nèi)目前已建成一批大規(guī)模集中式光伏電站[1]。此類電站的容量一般在8 MW以上，占地面積較大，電站內(nèi)可劃分為升壓站（開關(guān)站）和光伏場區(qū)兩大部分。

光伏場區(qū)中，除光伏組件、支架和匯流箱外，以并網(wǎng)逆變器為核心的電氣設(shè)備均可放于室內(nèi)，光伏電站中可簡稱該室為逆變器室。此外，還可將就地升壓變壓器及配套的高、低壓開關(guān)柜做成一個(gè)整體的箱式變電站[2]（以下簡稱“箱變”）放在逆變器室旁。

目前，為逆變器室及周邊電氣設(shè)備提供輔助電源的方案有以下3種：1）全場集中供電；2）區(qū)域性集中供電；3）就地分散供電。其中，前兩種為集中供電方式[3]，既可提供光伏自發(fā)電又可提供公用電網(wǎng)的電（或簡稱“市電”），第三種方案則只能提供光伏自發(fā)電。

自2013年8月起，大規(guī)模光伏電站均施行上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼政策[4]，各類地區(qū)的光伏上網(wǎng)電價(jià)均高于市電價(jià)格。因此為逆變器室供電時(shí)，采用集中供電還是分散供電，將直接影響到電站的投資和運(yùn)維成本。

1 供電方案淺析

對于將逆變器輸出電壓直接升至10 kV或35 kV并網(wǎng)的一級升壓光伏電站，無需設(shè)置升壓站，僅設(shè)開關(guān)站即可。對于先將逆變器輸出電壓升至10 kV或35 kV，經(jīng)集電線路[5]匯集后再升壓至110 kV及以上電壓等級并網(wǎng)的二級升壓光伏電站[6]，還需設(shè)置專門的升壓站。

無論升壓站還是開關(guān)站，均屬于光伏電站的樞紐區(qū)域，為確保該區(qū)域的供電可靠性，需在中心配電房內(nèi)設(shè)置400 V雙電源切換柜，其輸入分別來自2臺配電變壓器（簡稱“站用變”）。其中一臺取自光伏自發(fā)的10 kV或35 kV母線，另一臺取自附近的10 kV或35 kV市電，該變壓器可在項(xiàng)目建設(shè)期間提供施工電源。

本研究的對象——內(nèi)蒙古巴彥淖爾市某30 MW光伏電站占地面積約1 100畝，內(nèi)設(shè)一座35 kV開關(guān)站，電氣一次采用單母線方案。光伏場區(qū)共有30個(gè)分散的逆變器室和配套的歐式箱變（內(nèi)置干式變壓器），光伏自發(fā)電經(jīng)3條35 kV/10 MW集電線路匯集至35 kV開關(guān)站，最終以35 kV并網(wǎng)。

1.1 全場集中供電

全場集中供電是指從中心配電房內(nèi)的400 V饋線柜敷設(shè)電纜至各分散的逆變器室，通過站用變向各逆變器室供電[7]，如圖1所示。

圖1 全場集中供電方案Fig.1 Overall scheme of centralized power supply

1.2 區(qū)域集中供電

根據(jù)逆變器室的分布特點(diǎn)，將全場的30個(gè)逆變器室劃分為3個(gè)區(qū)域，然后在各區(qū)域的某個(gè)逆變器室內(nèi)設(shè)置一臺配電變壓器[8]，此變壓器為該區(qū)域的10個(gè)逆變器室供電。由于市電價(jià)格低于光伏自發(fā)電，故選用市電作為輔助電源，如圖2所示。

圖2 區(qū)域集中供電方案Fig.2 Regional centralized power supply scheme

1.3 分散供電

分散供電是指在每個(gè)逆變器室旁的箱變內(nèi)設(shè)一臺小容量配電變壓器，該變壓器僅為本區(qū)域供電，箱變的系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 箱變系統(tǒng)原理圖Fig.3 System schematic of the box-type substation

2 方案比較

本研究將從初始投資、運(yùn)行費(fèi)用、供電質(zhì)量與可靠性、檢修調(diào)試4個(gè)方面對3種供電方案進(jìn)行比較。

2.1 初始投資

初始投資主要包括配電線路、配電變壓器、開關(guān)設(shè)備3方面的投資。

2.1.1 線路投資

全場集中供電時(shí)，為減小投資，配電線路不宜采用放射式或環(huán)網(wǎng)式，而是選用較為經(jīng)濟(jì)的樹干式接線方案[9]。

經(jīng)核算各逆變器室區(qū)域的負(fù)荷需求，并考慮后期為小型電焊機(jī)等設(shè)備提供檢修電源，每個(gè)逆變器室的視在計(jì)算負(fù)荷按10 kV·A考慮。若采用0.4 kV為各逆變器室單獨(dú)供電，則線路的計(jì)算電流為

若單條配電線路上的10個(gè)逆變器室同時(shí)滿負(fù)荷，則中心配電房至第1個(gè)逆變器室的干線計(jì)算電流為14.4 A×10=144 A?？紤]負(fù)荷同時(shí)率，選用YJY23-0.6/1-3×50+35電纜即可滿足要求。為簡潔起見，下面提到的低壓電纜中省去“YJY23-0.6/1”。

根據(jù)樹干式供電方案的特點(diǎn)，接下來各逆變器室之間的電纜截面可酌情減小。同時(shí)，為減小線路壓降和降低線損，在滿足載流量的前提下，電纜截面不宜過小。單條配電線路的敷設(shè)路徑如圖4所示，電纜敷設(shè)時(shí)，與35 kV集電線路同溝直埋即可。

圖4 樹干式電纜敷設(shè)路徑Fig.4 Cabling schematic diagram of trunk topology

表1 配電線路投資統(tǒng)計(jì)Tab.1 Investment statistics of the distribution line

區(qū)域集中供電時(shí)，需從開關(guān)站敷設(shè)10 kV電纜至區(qū)域配電變壓器，由于供電半徑縮小，低壓電纜可選用3×35+25、3×25+16和3×16+10 3種規(guī)格。由于選擇最短路徑，10 kV及0.4 kV配電線路均不再與35 kV集電線路同溝敷設(shè)，需采用鋪砂蓋磚方式直埋，電纜敷設(shè)路徑可參見圖4，此處不再復(fù)述。

若分散供電，三相負(fù)載可選用4×2.5電纜，單相負(fù)載可選用2×2.5電纜，線纜沿預(yù)留管道敷設(shè)。

綜上可知，3種配電線路的投資比較見表1。

2.1.2 變壓器投資

3種方案的變壓器投資對比見表2。

2.1.3 開關(guān)設(shè)備投資

3種供電方案的低壓開關(guān)設(shè)備投資相差不大，區(qū)域集中供電還需增加一臺10 kV開關(guān)柜，價(jià)格約8萬元。

2.2 運(yùn)行費(fèi)用

運(yùn)行費(fèi)用主要包含兩部分：1）逆變器室及配套箱變散熱風(fēng)機(jī)的運(yùn)行電費(fèi)；2）變壓器、線路的損耗電費(fèi)。

表2 配電變壓器投資Tab.2 Investment in distribution transformers

2.2.1 風(fēng)機(jī)運(yùn)行費(fèi)用

逆變器室區(qū)域的主要耗電設(shè)備是散熱風(fēng)機(jī)（均可根據(jù)溫度情況自動(dòng)啟停），其他電氣設(shè)備的耗電量較小，可忽略不計(jì)?？紤]陰雨天和冬季等氣候影響后，各類風(fēng)機(jī)的耗電量統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 散熱風(fēng)機(jī)耗電量統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics on energy consumption of cooling fans

由表3可知，30個(gè)逆變器室在25年運(yùn)行周期內(nèi)的總耗電量為25×30×2 448=1 836 000 kW·h。此外，該光伏電站采用的是內(nèi)置干式變壓器的歐式箱變，如采用內(nèi)置油浸式變壓器的美式箱變，還可省去箱變的散熱風(fēng)機(jī)耗電量。

折算到電費(fèi)時(shí)，市電價(jià)格約0.6元/kW·h，光伏自發(fā)電為1元/kW·h（含稅價(jià)），可認(rèn)為市電比光伏自發(fā)電便宜0.3元/kW·h，則集中供電比分散供電在運(yùn)行電費(fèi)方面可節(jié)省0.3×1 836 000=55.1萬元。

2.2.2 變壓器損耗費(fèi)用

變壓器的有功功率損耗為

式中：ΔPT、ΔP0、ΔPs分別為變壓器的有功功率損耗、空載有功損耗、負(fù)載有功損耗；Sj、Se分別為變壓器的視在計(jì)算負(fù)荷和視在額定容量。

變壓器的空載、負(fù)載有功損耗基本上與變壓器的額定容量成正比[10]，3種方案的變壓器額定視在總?cè)萘俊芐e均為300 kV·A，可認(rèn)為∑ΔP0、∑ΔPs相差不大。另外，無論集中還是分散供電，光伏場區(qū)用電設(shè)備的總視在計(jì)算負(fù)荷∑Sj相同，由式（2）可知，3種方案的變壓器有功功率損耗∑ΔPT相差不大。

2.2.3 線路損耗費(fèi)用

配電線路的有功損耗為

式中：ΔPl為線路的有功損耗；Ij為線路的計(jì)算電流；R為電纜的交流電阻，R=r0l，其中r0為電纜單位長度的交流電阻，與電纜的截面成反比，l為電纜的長度。

由式（3）可知，線路有功損耗與線路計(jì)算電流的平方成正比，與線路長度成正比，與電纜截面成反比。

集中供電時(shí)，電纜截面較大，但線路較長且電流較大；分散供電時(shí)，電纜截面較小，但線路較短且電流較小。

另外，由于全場和區(qū)域集中供電均采用了樹干式供電，其分支上的三相負(fù)載不平衡幾率較大，進(jìn)而導(dǎo)致三相四線制供電的中性線上電流增大，加大了線損。

綜上可知，集中供電時(shí)的線路損耗大于分散供電。經(jīng)粗略估算，25年內(nèi)集中供電的線損費(fèi)用比分散供電多約5萬元。

通過以上分析，可得出3種供電方案的綜合費(fèi)用比較，如表4所示。

表4 3種供電方案費(fèi)用對比Tab.4 Cost comparison of the three power supply schemes

由表4可知，全場集中供電的綜合費(fèi)用比分散供電多約63+5+5-1.5-55.1=16.4萬元，區(qū)域集中供電的投資比分散供電多約52.5+8+5-1.5-55.1=8.9萬。另外，此費(fèi)用方面尚未考慮電站25年壽命期間的通貨膨脹率，如考慮后，分散供電的投資優(yōu)勢更加明顯。

2.3 供電質(zhì)量與可靠性

2.3.1 供電質(zhì)量

配電線路的電壓降為

式中：ΔU為線路電壓降；P、Q為線路傳輸?shù)挠泄Αo功功率；R、X為線路的電阻和電抗。

對樹干式供電而言，干線上傳輸?shù)挠泄蜔o功功率較大且線路最長，因此全場集中供電方案的電壓降最大，區(qū)域集中供電方案采用的是放射式和樹干式結(jié)合的供電方式且線路較短，電壓降次之；分散供電的線路傳輸功率小，供電半徑短，因此電壓降最小。

2.3.2 供電可靠性

樹干式供電的可靠性較差，干線上任一處發(fā)生故障，都會跳低壓總出口開關(guān)，導(dǎo)致整條供電線路失電；同時(shí)，由于線路較長，故障點(diǎn)的定位和排除難度增大，供電恢復(fù)時(shí)間較長。

分散供電時(shí)，線路發(fā)生故障僅影響該逆變器室區(qū)域，其他區(qū)域可照常運(yùn)行，從而有效縮小了故障范圍并減少了發(fā)電量損失。

2.3.3 供電持續(xù)性

大規(guī)模光伏電站一般地處偏僻，附近的公用電網(wǎng)多屬農(nóng)網(wǎng)改造線路，其可靠性不如光伏電站的專用中、高壓并網(wǎng)線路。同時(shí)，為使并網(wǎng)逆變器每天清晨能自動(dòng)并網(wǎng)且避免頻繁投切高壓開關(guān)，無論發(fā)電與否，均要求就地升壓變壓器處于運(yùn)行狀態(tài)[11]。因此，只要箱變投運(yùn)，其內(nèi)的配電變壓器就可從10 kV或35 kV集電線路倒取電，因此分散供電方案的供電持續(xù)性較高。

綜上可知，分散供電的供電質(zhì)量和可靠性均優(yōu)于集中供電。

2.4 檢修調(diào)試便利性

逆變器室配套的箱變投運(yùn)前或檢修停運(yùn)時(shí)，無法就地分散供電。相比之下，采用市電進(jìn)行集中供電有利于設(shè)備的檢修、調(diào)試。但對分散供電而言，可在逆變器室和箱變內(nèi)加配UPS以彌補(bǔ)輔助電源暫時(shí)無法獲取的不足。

2.5 方案比較結(jié)論

經(jīng)以上分析可知，無論在經(jīng)濟(jì)性還是供電性能方面，分散供電方案最優(yōu)，區(qū)域集中供電次之，全場集中供電最差。

3 結(jié)論

本研究從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度對3種逆變器室供電方案進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析，指出分散供電更適用于大規(guī)模光伏電站。由于本研究僅以內(nèi)蒙古巴彥淖爾市某30 MW光伏電站為研究對象，并未考慮到國內(nèi)其他大規(guī)模光伏電站的情況差異性，供電方案的一些技術(shù)細(xì)節(jié)仍需探索。

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Discussions on Power Supply Scheme of Inverter Chamber in Large-Scale Grid-Connected Photovoltaic Power Plant

GUO Yanjun，WANG Shaobo，HE Zhen
（Shanghai Environment Protection Co-Plant Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200070，China）

With a 30 MW photovoltaic power plant in Bayannur of Inner Mongolia as the research object，and considering the fact that large-scale photovoltaic power plant covers large area and the layout of the inverter room is disperse，this paper makes comparisons of the three schemes from technical and economic perspectives，and obtains the conclusion that distributed power supply is the most suitable scheme.

large-scale grid-connected photovoltaic power plant；inverter chamber；centralized power supply；distributed power supply

2015-12-10。

郭延軍（1984—），男，碩士，工程師，主要從事光伏發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)研究。

（編輯 徐花榮）

1674-3814（2016）05-0118-05

TM615

A

上海市優(yōu)秀技術(shù)帶頭人計(jì)劃項(xiàng)目（16XD1421300）。

Project Supported by Project of Shanghai Outstanding Technical Leader（16XD1421300）.