5MW 分布式屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)與電氣一次設(shè)計(jì)

林 淦 俞先鋒 史珍珍

(浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院,浙江 杭州310018)

在當(dāng)今這個科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展迅速的時(shí)代下,人們也越來越意識到長期以來采用的傳統(tǒng)發(fā)電方式的不合理性,于是紛紛開始尋找清潔可持續(xù)的發(fā)電方式,近些年來屋頂光伏發(fā)電技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢而受到關(guān)注,漸漸地形成產(chǎn)業(yè)并帶動經(jīng)濟(jì)發(fā)展,未來必定會成為電力工業(yè)建設(shè)中較為重要且不可缺少的一個部分。本文中,在分析屋頂光伏電站所在地點(diǎn)的地理?xiàng)l件以及太陽能資源的情況下,參考了大量已有的光伏電站設(shè)計(jì)資料以及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,提出了10kV/5MW 分布式屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)與電氣一次的設(shè)計(jì)方案,整個設(shè)計(jì)方案力求規(guī)范、可靠和優(yōu)化性。

1 光伏電站的總體設(shè)計(jì)思路

該屋頂光伏電站位于杭州地區(qū)的某一廠用建筑,該電站的光伏組件均布置在廠房的屋頂,四周無遮擋物,屋頂類型為混凝土屋頂,經(jīng)初步計(jì)算占用廠房屋頂面積約5 萬平方米,電站容量為5MW。

該光伏電站的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。本次設(shè)計(jì)主要分光伏發(fā)電系統(tǒng)和升壓并網(wǎng)電氣一次系統(tǒng)兩部分內(nèi)容,其中光伏系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)主要完成光伏陣列設(shè)計(jì)、直流匯流箱以及組串式逆變器的選型,升壓并網(wǎng)電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要完成低壓側(cè)開關(guān)柜、母線、SVG、主變以及網(wǎng)側(cè)開關(guān)柜相關(guān)設(shè)備選型、短路電路計(jì)算以及防雷接地設(shè)計(jì)等,如圖1。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 光伏陣列設(shè)計(jì)

光伏陣列由一定數(shù)量的光伏組件組串用直流匯流箱并聯(lián)構(gòu)成。近些年來,多晶硅電池在中國的市場變得越來越好。雖然單看電池的轉(zhuǎn)換效率,單晶硅要更優(yōu),但是如果考慮到性價(jià)比,多晶硅是低于單晶硅的[1],權(quán)衡利弊條件,選用280Wp 的多晶硅組件。組件的安裝方式根據(jù)廠方水平混疑土屋頂?shù)臈l件,以及參考文獻(xiàn)[1-3],選用最理想傾角固定安裝方式,朝向正南,傾角為23°[4],為防止產(chǎn)生的陰影影響效率[5],組件間隔為1.17 米。

為確定光伏組件組串?dāng)?shù)量,根據(jù)GB50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》按式(1)和(2)進(jìn)行計(jì)算,得：

圖1 光伏電站總體設(shè)計(jì)框圖

即串聯(lián)光伏組件的數(shù)量N 為：1 3.8 ≤ N≤24.4,因此選擇每組串聯(lián)的組件數(shù)量為22 塊。

整個光伏系統(tǒng)配置48 臺直流匯流箱,每16 路光伏組串接入一個(16 進(jìn)1 出智能直流)匯流箱,每路將串聯(lián)22 塊光伏組件。本設(shè)計(jì)中多晶硅組件的平面布局圖[6]如圖2 所示。

圖2 光伏組件布置圖

2.2 直流匯流箱及電纜

匯流箱在光伏發(fā)電系統(tǒng)中是保證光伏組件有序連接和匯流功能的接線裝置。本次選擇的直流匯流箱如表1 所示。

2.3 逆變器的選型

逆變器需要首選容量較大的設(shè)備,因?yàn)橐慌_大容量的設(shè)備和幾臺小容量的設(shè)備相比,大容量設(shè)備后期維護(hù)成本要低得多,因此考慮到各方面因素,本設(shè)計(jì)方案選用5 臺容量為1MW 的組串式逆變器,逆變器輸出為320V 三相交流。

3 電氣一次設(shè)計(jì)

表1 匯流箱及電纜相關(guān)參數(shù)

表2 短路計(jì)算結(jié)果

3.1 電氣一次主接線

電氣主接線的設(shè)計(jì)最基礎(chǔ)的要求要做到保證可靠性和安全,確保能產(chǎn)出符合要求的電能,同時(shí)也要盡量控制成本。如圖3 所示,光伏發(fā)電系統(tǒng)通過5 臺組串式逆變器逆變,后分5 路經(jīng)低壓側(cè)開關(guān)柜連接320V 母線,然后以單母線接線方式連接1臺主變,經(jīng)升壓至10kV 后,通過高壓電纜連到高壓側(cè)開關(guān)柜內(nèi),并通過開關(guān)柜實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

圖3 電氣一次主接線圖

3.2 短路電流計(jì)算

如圖4 所示,建立等值網(wǎng)絡(luò)圖,圖中標(biāo)注了k1、k2、k3 三個不同的短路點(diǎn)。根據(jù)等值網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行短路電流計(jì)算。

因?yàn)橹髯冾~定容量5MVA,阻抗電壓Ud=8%,線路L1長6km,L2長0.5km,L3長0.3km。經(jīng)過計(jì)算[1]得出如表2 所示數(shù)據(jù)。

3.3 主要設(shè)備選型

實(shí)際情況中設(shè)備的選型要根據(jù)具體的設(shè)備工作條件來決定,但設(shè)備選型的基本要求本質(zhì)(按正常情況選擇,按短路情況校驗(yàn))是一致的。

3.3.1 主變壓器的選型

圖4 等值網(wǎng)絡(luò)圖

在選擇變壓器的時(shí)候要考慮到變壓器的大小是否合理,情況允許可以選擇盡量大容量的變壓器。該光伏電站的總裝機(jī)容量為5MW,因?yàn)楣夥娬镜呢?fù)荷率低,逆變器的功率因數(shù)為1左右,可以選擇等于光伏電站容量的主變壓器。因?yàn)樘柲茈姵亟M件輸出的電能大小是根據(jù)太陽光照射強(qiáng)度決定的,所發(fā)無功也是瞬時(shí)變化的,這樣會引起升壓站母線電壓波動,對電站的運(yùn)行不利,所以主變采用有載調(diào)壓方式。綜上所述,本設(shè)計(jì)方案選用1 臺容量為5MVA、有載調(diào)壓、阻抗電壓為8%的三相戶外式油浸升壓電力變壓器。本設(shè)計(jì)要求變壓器低壓側(cè)的電壓為320V,需要與廠家溝通定制。

3.3.2 10kV 母線選型

3.3.2.1 按長期允許電流來選擇,母線的最大可持續(xù)電流為288.68A。選用型號為ZRC-YJV22-6/10-3*240 的鋼帶鎧裝阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜,其質(zhì)地較硬,在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境25℃下導(dǎo)體溫度70℃時(shí)的長期允許載流量為353A。導(dǎo)體長期允許載流量為 296.52A 大于288.68A 故符合要求。

3.3.2.2 按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇,J 取1.65,經(jīng)計(jì)算應(yīng)盡量接近174.96 平方毫米的截面。

3.3.2.3 熱穩(wěn)定校驗(yàn)

主保護(hù)動作時(shí)間tp=0.05s,斷路器全斷開時(shí)間tb=0.15s,則計(jì)算時(shí)間為tk=tp+tb=0.2s。

滿足熱穩(wěn)定要求。

所以本設(shè)計(jì)選用型號為ZRC-YJV22-6/10-3*240 的鋼帶鎧裝阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜,標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境載流量為353A,長期允許載流量為296.5A。

3.3.3 0.32kV 母線選型

本次項(xiàng)目0.32kV 母線選用型號為為涂漆的LF21 鋁錳合金管,標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境載流量為11230A,長期允許載流量為9433A。(選型方法同10kV 母線)

3.3.4 開關(guān)柜主要設(shè)備選型

開關(guān)柜主要設(shè)備選型如表3 所示。

表3 開關(guān)柜主要設(shè)備相關(guān)參數(shù)

3.4 無功補(bǔ)償裝置選型

配置無功補(bǔ)償容量必須考慮一定的裕度,且經(jīng)過計(jì)算[8]推薦本電站配置一組-47.8kvar～+575kvar 的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置SVG,動態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)大于30ms。

3.5 防雷與接地

本設(shè)計(jì)的所在地出現(xiàn)雷暴的時(shí)間較少,雖然太陽能組件安裝的高度較高,但受到直擊雷打擊的可能性還是很低,故在光伏組件方陣內(nèi)不安裝避雷針和避雷線等防直擊雷的設(shè)備。

由于光伏組件采用鋁合金支架,因此受到感應(yīng)雷的破壞的幾率會比較大。為預(yù)防這種情況發(fā)生,要確保每一組支架與接地網(wǎng)的焊接要可靠,在匯流箱和配電柜里都要設(shè)置正負(fù)極對地過電壓保護(hù)器。在升壓站內(nèi)設(shè)置獨(dú)立避雷針對主變、配電裝置以及母線進(jìn)行保護(hù)[9]。

4 結(jié)論

上述對廠房屋頂分布式光伏發(fā)電站基本按照光伏電站設(shè)計(jì)流程和規(guī)范完成設(shè)計(jì),依據(jù)屋頂可利用面積和電站容量確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成以及設(shè)備選型,然后對電站升壓并網(wǎng)部分的電氣一次部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。整個設(shè)計(jì)內(nèi)容和方案可以為分布式屋頂光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)提供一個較好的參考。