集中式光伏發(fā)電站設備選型要點

陳清，郭培育，周晴，吳麗華

（國電南京自動化股份有限公司，南京，210032）

0 引言

世界能源發(fā)展正處于百年未有的大變革時代。工業(yè)革命以來，化石能源的大規(guī)模開發(fā)有力地推動了人類文明的進步，也帶來資源匱乏、環(huán)境污染、氣候變化、健康貧困等問題。推動世界能源轉型，是實現(xiàn)全人類可持續(xù)發(fā)展的必由之路［1］。從能源行業(yè)發(fā)展趨勢來看，電力在我國終端能源的消費比重將不斷增大，清潔低碳是能源發(fā)展的主要趨勢［2-3］。

近年來，我國風電、光伏發(fā)電持續(xù)快速發(fā)展，成本顯著降低，開發(fā)、建設質量和消納利用水平顯著提升，為建設清潔、低碳、安全、高效的能源體系發(fā)揮了重要作用［4］。各省級能源主管部門應按照國家可再生能源“十三五”相關規(guī)劃和本區(qū)域電力消納能力，按風電和光伏發(fā)電項目競爭配置工作方案確定需納入國家補貼范圍的項目［2］。競爭配置工作方案應嚴格遵循公開、公平、公正的原則，將上網(wǎng)電價作為重要競爭條件，優(yōu)先建設補貼強度低、退坡力度大的項目［4］。

這些政策的出臺，給光伏行業(yè)指引了發(fā)展方向，但電價補貼的降低甚至取消也給建設單位、設計單位等參建單位提出了新的要求。競價上網(wǎng)或平價上網(wǎng)光伏項目規(guī)劃的裝機容量一般都很大，這樣有利于成本分攤。目前青海等西北省份已規(guī)劃出能源基地，并利用特高壓通道，實現(xiàn)電能的大容量集中輸送、遠距離消納。本文根據(jù)西北地區(qū)某光伏發(fā)電站的氣象環(huán)境、設備技術特點，對比了不同的設備組合方案，并結合工程造價分析，比選出該發(fā)電站最優(yōu)的設備方案，供相關設計人員參考。

1 光伏發(fā)電行業(yè)的發(fā)展概況

我國的光伏發(fā)電行業(yè)從20 世紀80 年代開始起步，在“六五”和“七五”期間，中央和地方政府將光伏行業(yè)與扶持資金相結合，使我國小微型太陽能電池企業(yè)得到初步發(fā)展，并通過開展一批示范性工程，拉開了我國光伏發(fā)電的前奏。近10 年來，光伏發(fā)電行業(yè)發(fā)展尤為迅速?！肮饷鞴こ逃媱潯薄敖鹛柺痉豆こ獭薄邦I跑者計劃”“競價（平價）上網(wǎng)”等政策、計劃，促進了光伏技術產(chǎn)品的應用和產(chǎn)業(yè)升級。

得益于政府的扶持及國內外廣闊的市場需求，我國的光伏組件、逆變器等設備在技術及市場占有率方面均走在世界前列。世界各國都在不斷刷新光伏組件轉換效率。近幾年，晶硅組件涌現(xiàn)出疊瓦、半片、黑硅、雙面、多主柵（MBB）、發(fā)射極和背面鈍化電池（PERC）、N 型單晶硅鈍化反射極完全擴散電池（N-PERT）等不同類型。國內某組件廠家近期公布其60型PERC雙面組件的正面轉換效率已達到22.38%［5］，刷新了該項世界紀錄。各種型式的光伏逆變器的單機額定功率、轉換效率、交直流側額定電壓都在不斷提升，以減少電量損耗、提升發(fā)電量。另外，電氣設備的集成度越來越高（例如電站采用預裝式設備）可有效減少設備安裝的成本、工期［6-7］。

但是對于競價（平價）上網(wǎng)項目，是不是設備技術越先進越好？筆者認為不一定。作為競爭配置項目的重要競爭條件，平價上網(wǎng)項目的上網(wǎng)電價按所在地燃煤標桿電價執(zhí)行，因此控制工程造價、降低度電成本是關鍵。各種設備都有各自最適用的條件范圍，要綜合考慮技術先進性及工程造價。

2 各逆變器類型分析及選型要點

行業(yè)內主流光伏并網(wǎng)逆變器有集中式逆變器、集散式逆變器、組串式逆變器3種類型，2018年在我國的占比分別為34.6%，5.0%，60.4%［6］，單價約為0.130，0.180，0.200 元∕W。光伏發(fā)電站的建設規(guī)模、地形地貌、環(huán)境溫度、相對濕度、海拔高度、地震烈度、污穢度及鹽霧情況是決定其組件布置及設備選型的關鍵。以西北地區(qū)某電站設備選型為例，此地土地成本較低、地勢平坦，擁有多路最大功率點追蹤（MPPT）的組串式逆變器雖然能極大程度地避免組串失配導致的發(fā)電量損失，但其價格劣勢會被放大，宜選擇價格優(yōu)勢較大的集中式逆變器。

目前市場主流類型逆變器直流側輸入最大電壓和配套組件的最大電壓1.0 kV：集中式逆變器單機功率630 kW，交流側輸出電壓360 V；集散式逆變器單機功率1.00 MW，交流側輸出電壓520 V；組串式逆變器單機功率125 kW，交流側輸出電壓500 V。

隨著逆變器行業(yè)及技術的發(fā)展，目前逆變器直流側最大輸入電壓可達1.5 kV：集中式逆變器的單機額定功率最大可達3 125 kW；集散式逆變器的單機額定功率可達3 150 kW；組串式逆變器的單機額定功率可達225 kW。較1.0 kV 的逆變器，1.5 kV的逆變器最大單機額定功率更大、直流側每串組件數(shù)量更多、交流側輸出電壓更高、線損較小，而兩者價格相差很小。所以從技術角度分析，大型集中式光伏發(fā)電站宜選用1.5 kV的逆變器。

根據(jù)目前光伏行業(yè)的發(fā)展情況，美國、印度、中國將是2.00 MW 以上逆變器的主要市場。隨著地面電站廣泛采用1.5 kV的系統(tǒng)，預計2022年上述三大市場的1.5 kV 逆變器在全球的占比將超過65%，且需求量均將超過5 GW。

3 就地升壓變壓器選型要點

大型光伏發(fā)電站逆變器交流側低壓電需通過就地升壓變壓器升至10 kV或35 kV電壓等級，然后通過集電線路接至升壓站（開關站）。就地升壓變壓器型式原則上推薦采用箱式變壓器（以下簡稱箱變），目前常用的箱變類型有美式箱變、歐式箱變、華式箱變3種，適用范圍及優(yōu)缺點如下。

（1）美式箱變結構緊湊體積小、安裝方便，箱體具有散熱性能好、適用性強、運行維護簡單、價格低等優(yōu)點，適用于大型地面電站、山地電站等大部分類型的光伏發(fā)電站。

（2）歐式箱變采用各單元相互獨立的結構，安裝方便、性能可靠、防護能力強。發(fā)生故障時，單元更換方便，可通過高壓負荷開關遙控操作。它是三者中價格最高的，適用于全部類型的光伏發(fā)電站，特別適用于例如漁光互補型、分布式等對防火及環(huán)保要求高的光伏發(fā)電站。

（3）華式箱變集合了美式和歐式升箱變的優(yōu)點，構緊湊體積小、安裝方便，性能可靠、箱體散熱性能好，高壓負荷開關可進行遙控操作，價格介于美式箱變和歐式箱變之間，適用于大型地面電站、山地電站等大部分類型的光伏發(fā)電站。

常規(guī)光伏區(qū)發(fā)電單元由1 套逆變器和1 套箱變組成。近幾年，電廠多將逆變器和箱變集成為預裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置，該裝置集成有逆變器、電力變壓器、高低壓開關設備和控制設備等裝置，擁有體積小、集成度高、逆變器和變壓器可統(tǒng)一維護、系統(tǒng)總投資成本低、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點［8-9］。

2008 年，預裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置占比達到80%，預計到2025年，其占比將達到90%［8］。

4 電纜選型要點

根據(jù)GB 50217—2018《電力工程電纜設計標準》第3.1.2 條：電纜導體材質可選用銅導體、鋁導體或鋁合金導體［10］。我國銅資源貧乏，但鋁加工技術發(fā)展迅猛，從技術、價格、安全、資源利用等方面綜合分析，“以鋁節(jié)銅”已成為電纜行業(yè)的大趨勢［11］。相對于比鋁芯電纜，銅芯電纜擁有電阻率低、延展性好、機械強度高、抗疲勞、熔點和穩(wěn)定性高等優(yōu)點；相同載流量的鋁芯電纜價格約為銅芯電纜的1∕3，且在同等載流量下，鋁芯交聯(lián)電纜比銅芯交聯(lián)電纜輕，便于運輸和安裝，可減少人工費用，在橋架等環(huán)境敷設時對機械支撐要求也會降低［12-13］。

大型光伏發(fā)電站占地面積大、直流及交流系統(tǒng)集電線路長、電纜總體造價較高，用鋁芯電纜代替銅芯電纜以節(jié)省可觀的初始投資，進一步降低造價，并且不會降低工程質量。上述材料選擇在容量越大的光伏發(fā)電站方陣優(yōu)勢越明顯。

5 逆變器組合方案的經(jīng)濟分析

5.1 逆變器組合方案

以青海格爾木地區(qū)某3.15 MW 的光伏發(fā)電站為例，綜合比較采用集中式逆變器和組串式逆變器2種方案：集中式逆變器選自S廠，輸入電壓1.5 kV，輸出電壓0.6 kV，MPPT 范圍為875～1 300 V；組串式逆變器選自H 廠，輸入電壓1.5 kV，輸出電壓0.6 kV，MPPT 范圍500～1 500 V。組件均選用J 廠的單晶高效400 Wp組件，最大系統(tǒng)電壓1.5 kV。

根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》6.4.2-1 及6.4.2-2 的公式［14］，計算出光伏組件串的串聯(lián)數(shù)為26塊，方陣布置如圖1所示。

圖1 不同逆變器方陣的布置Fig.1 Layouts of different inverter arrays

5.2 工程造價分析

在不考慮高壓集電線路及雷同設備（組件、支架等）影響時，僅計列不同設備的成本，采用預裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置的集中式逆變器方案與串式逆變器方案的造價對比見表1—2。

表1 采用集中式逆變器方案工程量價格Tab.1 Bill of engineering quantity adopting centralized inverter scheme

表2 采用組串式逆變器方案工程量及價格Tab.2 Bill of engineering quantity adopting centralized inverter scheme

以3.15 MW 的方陣為例，在忽略高壓集電線路影響的情況下，采用組串式逆變器比采用集中式逆變器的方案造價高21.47 萬元，對于一座裝機容量200 MW 的光伏發(fā)電站，總體造價相差約1 352.00萬元，折算單價相差0.067 元∕W。

6 結論

通過以上對比分析，對于大型地面電站等類型電站，逆變器宜優(yōu)先選用1.5 kV 集中式逆變器；就地升壓變壓器選用美式箱變，箱變和逆變器（采用集中式、集散式逆變器適用）宜選用預裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置；電纜可選用鋁芯電纜；光伏方陣可通過技術經(jīng)濟比較選用3.15 MW甚至更大容量。

相對集中式逆變器，集散式及組串式逆變器擁有多路MPPT，技術先進，對組件失配影響最小，具體選型還需根據(jù)項目特點進行，對于就地升壓變壓器能否采用鋁繞組以及方陣采用更大容量能否進一步降低工程造價也值得后續(xù)再研究。