光伏電站增容計(jì)算

馬彰勛

(協(xié)鑫能源工程有限公司， 江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

2020年9月，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布，中國(guó)CO2排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。數(shù)據(jù)顯示，能源燃燒是我國(guó)主要的CO2排放源，占全部CO2排放的88%左右，電力行業(yè)排放又約占能源行業(yè)排放的41%[2]，因此推動(dòng)高耗碳發(fā)電向綠色發(fā)電轉(zhuǎn)型是一個(gè)重要的發(fā)展方向。隨著近年來(lái)光伏電站的快速建設(shè)，規(guī)模化可利用“優(yōu)質(zhì)”地面愈發(fā)緊促，根據(jù)PVsyst軟件計(jì)算，在我國(guó)中緯度地區(qū)，100 MW規(guī)模級(jí)別的光伏電站有效占地愈133 hm2，高緯度地區(qū)或山地丘陵地形地區(qū)的數(shù)值將大幅增加，可見(jiàn)在不考慮電力接入的情況下，僅僅占地這一環(huán)節(jié)便束縛著大型地面電站的建設(shè)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)勘及了解發(fā)現(xiàn)，許多已建成電站周邊尚存許多可利用地塊，本文結(jié)合已投運(yùn)項(xiàng)目，以充分利用本部分地面為基礎(chǔ)，從技術(shù)角度進(jìn)行研究、計(jì)算并形成了結(jié)論。

1 可行性及方案介紹

根據(jù)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，在電力接入、土地以及與原設(shè)計(jì)深度契合等邊界條件下，提出了一種基于已投運(yùn)電站條件擴(kuò)容的生產(chǎn)模式及計(jì)算，主要依托于四點(diǎn)：

1)光伏電站的設(shè)計(jì)中，考慮產(chǎn)品的序列性，線纜及部分電氣元件的選型基本都會(huì)有一定的裕量，具備有限擴(kuò)容的條件；

2)對(duì)于以往的光伏電站，容配比基本為1:1左右，但根據(jù)2020年典型地區(qū)不同容配比LCOE的計(jì)算結(jié)果，其容配比最大已至1.8：1[2]；

3)根據(jù)設(shè)計(jì)及運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)效率鮮有超過(guò)85%的項(xiàng)目，因此相較于核準(zhǔn)容量，尚有15%以上的有效缺額；

4)作為組件固有屬性，光致衰減(首年2%～3%，之后0.55%～0.8%)為擴(kuò)容出力提供了更大的空間。

因此，條件限額擴(kuò)容基本不影響電力系統(tǒng)的接入，兼有可利用土地的情況下，在技術(shù)上具備可行性。

面向補(bǔ)貼電站的增容應(yīng)分系統(tǒng)計(jì)量并劃分好產(chǎn)權(quán)分界，做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)量清晰、分界明確?；诖颂岢?種擴(kuò)容方案：

方案一，新增光伏發(fā)電方陣，含就地升壓變，其出口并入原系統(tǒng)，接入點(diǎn)配置計(jì)量表計(jì)；

方案二，在原系統(tǒng)方陣的基礎(chǔ)上增加光伏組件陣列，含逆變器/匯流箱，其對(duì)應(yīng)出口并入原系統(tǒng)，接入點(diǎn)配置計(jì)量表計(jì)；

方案三，新增光伏發(fā)電子陣、匯集線路及接入柜(升壓站內(nèi))，接入柜內(nèi)配置計(jì)量表計(jì)。

考慮普適性，本文主要就方案一結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

2 項(xiàng)目情況

項(xiàng)目地位于徐州，已于2016年實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。遠(yuǎn)景建設(shè)規(guī)模為20 MW，一期實(shí)際裝機(jī)容量10.8427 MWp。建設(shè)35 kV開關(guān)站1座，35 kV采用單母線接線形式，包括：1回出線，2回光伏匯集線路進(jìn)線，1個(gè)無(wú)功補(bǔ)償間隔，1個(gè)接地變兼站用變間隔，1個(gè)PT間隔，1個(gè)計(jì)量間隔。其中無(wú)功補(bǔ)償容量為5 Mvar。測(cè)控保護(hù)方面， 匯集進(jìn)線斷路器配置常規(guī)線路保測(cè)一體裝置，35 kV出線柜至對(duì)側(cè)配置光纖差動(dòng)保測(cè)一體裝置。

光伏場(chǎng)區(qū)配套建設(shè)9臺(tái)箱變，包括1臺(tái)容量為2 000 kVA的箱變和8臺(tái)1 000 kVA的箱變，其通過(guò)一回35 kV集電線路以直埋敷設(shè)接入35 kV開關(guān)站，35 kV匯集線連接方式及電纜規(guī)格選擇見(jiàn)表1。

表1 35 kV集電線路連接方式及電纜規(guī)格

3 設(shè)備核算

本項(xiàng)目光伏場(chǎng)區(qū)35 kV電纜選用兩種規(guī)格：ZR-YJHLV22-26/35 kV-3×95 mm2和ZR-YJHLV22-26/35 kV-3×120 mm2，以直埋方式敷設(shè)，敷設(shè)間距不小于0.25 m，其載流量見(jiàn)表2。

表2 35 kV鋁合金電纜載流量

電纜直埋敷設(shè)計(jì)算載流量時(shí)需考慮土壤溫度校正系數(shù)、土壤熱阻校正系數(shù)及并列敷設(shè)校正系數(shù)的影響[3]。根據(jù)項(xiàng)目地情況及電纜敷設(shè)現(xiàn)狀，綜合校正系數(shù)為

k1=k11×k12×k13[4]

(1)

式中：k11—溫度校正系數(shù)，取0.96；

k12—土壤熱阻系數(shù)，取0.93；

k13—并列敷設(shè)系數(shù)，取0.92。

因此，綜合校正系數(shù)為0.8214， 規(guī)格為ZR-YJHLV22-26/35 kV-3×120 mm2的電纜實(shí)際載流量為197 A。考慮35 kV匯集線額定電流為165 A，可知電纜約束下，可增配的容量約為2 MW。

4 繼電保護(hù)定值現(xiàn)狀

按照新增2 MW裝機(jī)容量，根據(jù)繼電保護(hù)現(xiàn)狀，方案涉及1號(hào)匯集進(jìn)線和出線繼保裝置的定值設(shè)定。

目前1號(hào)匯集進(jìn)線、出線的保護(hù)功能投、退及定值設(shè)定見(jiàn)表3、表4。

②過(guò)流Ⅰ段、Ⅲ段電流為投入狀態(tài)，過(guò)流Ⅱ段電流為退出狀態(tài)。

5 繼電保護(hù)定值核定與計(jì)算

參照項(xiàng)目接入系統(tǒng)方案，按短路電流實(shí)用計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算[5]，將新增的2 MW納入考慮后，短路電流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

5.1 匯集進(jìn)線保護(hù)定制核定與計(jì)算(PSL641U部分)

5.1.1 過(guò)流I段保護(hù)

過(guò)流I段保護(hù)動(dòng)作電流按避越變壓器外部故障的最大短路電流計(jì)算[6]，即

Idz=Kk×Id.max

(2)

式中：Kk—可靠系數(shù)，取1.6；

Id.max—變壓器外部故障的最大短路電流。

因此，增容前整定計(jì)算值為414 A，增容后整定計(jì)算值為417 A，實(shí)際整定值為450 A。可知，增容前后計(jì)算整定值相差不大，因此本部分保持不變。

5.1.2 過(guò)流III段保護(hù)

過(guò)流III段保護(hù)動(dòng)作電流應(yīng)與相鄰的延時(shí)段或過(guò)電流保護(hù)配合整定，同時(shí)，電流定值還應(yīng)躲過(guò)最大負(fù)荷電流，最大負(fù)荷電流應(yīng)考慮常見(jiàn)運(yùn)行條件下可能出線的最嚴(yán)重情況[7]，即：

Idz=Kk/Kf×Ifh.max

(3)

式中：Kk—可靠系數(shù)，取1.2；

Kf—返回系數(shù)，取0.95；

Ifh.max—最大負(fù)荷電流。

因此，增容前整定計(jì)算值為208 A，增容后整定計(jì)算值為250 A，實(shí)際整定值為110 A?？芍?，實(shí)際整定值與計(jì)算整定值不一致，經(jīng)核查歷史記錄，存在實(shí)際運(yùn)行電流為超過(guò)設(shè)定值110 A的情況，已復(fù)核調(diào)整。

5.2 出線保護(hù)定制核定與計(jì)算(NSR618RF-D02部分)

5.2.1 低壓閉鎖過(guò)流保護(hù)

低電壓閉鎖的過(guò)電流保護(hù)定值，與過(guò)電流保護(hù)計(jì)算基本一致，不同的是其最大負(fù)荷電流的計(jì)算可以不考慮負(fù)荷自啟動(dòng)電流。本項(xiàng)目無(wú)功補(bǔ)償容量為5 Mvar，計(jì)算負(fù)荷電流時(shí)應(yīng)按全容量投入考慮。經(jīng)計(jì)算，增容前整定計(jì)算值為234 A，增容后整定計(jì)算值為271 A，實(shí)際整定值為240 A，與增容前計(jì)算基本一致，因此增容后，其值宜修整為280 A。

5.2.2 差動(dòng)保護(hù)電流

差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流應(yīng)躲避合閘時(shí)的最大充電電流，并可靠躲過(guò)區(qū)外故障時(shí)的最大不平衡電流。通常按照電容電流乘以一定的系數(shù)整定(投入電容電流補(bǔ)償時(shí)，取較低系數(shù)；不投時(shí)取較高系數(shù))，一般不小于0.1～0.2In[8]。

5.3 充電功率計(jì)算

光伏站內(nèi)匯集線路充電功率：

(4)

式中：C1—單位長(zhǎng)度35 kV電纜電容，取0.146 μF/km；

L1—35 kV電纜長(zhǎng)度。

因此，增容前計(jì)算值為0.14 Mvar(電纜長(zhǎng)度為2.5 km)，增容后計(jì)算值為0.168 Mvar(電纜長(zhǎng)度為3 km)。

送出線路充電功率：

(5)

式中：C2—單位長(zhǎng)度35 kV架空線路電容，取0.905 μF/100 km；

L2—35 kV架空線路距離，取4.2 km。

因此，增容前后對(duì)應(yīng)的充電電流分別為2.43，2.89 A。

5.4 區(qū)外不平衡電流

區(qū)外故障時(shí)，最大不平衡電流為

Ig=Kf×Ifh.max

(6)

式中：Kf—分流系數(shù)，取0.3；

Ifh.max—最大負(fù)荷電流。

因此，增容前整定計(jì)算值為55.5 A，增容后整定計(jì)算值為59.4 A，實(shí)際整定值為80 A?？芍?，增容前后計(jì)算整定值相差不大，實(shí)際整定值均滿足需求。

5.5 儲(chǔ) 能

隨著以風(fēng)、光為代表的新能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，其對(duì)于電力系統(tǒng)的滲透率逐漸增加。為了提升電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力、促進(jìn)新能源的消納和能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，對(duì)于新建設(shè)的集中式風(fēng)電、光伏發(fā)電應(yīng)按地方要求結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況配套建設(shè)一定容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

6 結(jié)論與展望

在“碳達(dá)峰、碳中和”的背景下，基于一種新的光伏電站建設(shè)模式，完成了典型增容方式下的過(guò)程計(jì)算。在該模式下，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、產(chǎn)權(quán)清晰、功能齊備，響應(yīng)了國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于光伏電站的最新要求，同時(shí)，在基本不增加基礎(chǔ)設(shè)備的情況下，通過(guò)微調(diào)部分保護(hù)定值即可釋放一定的產(chǎn)能。

截至2020年底，全國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量約253.4 GW，其中光伏電站占比69%，約174.7 GW。一般在原建設(shè)容量的基礎(chǔ)上擴(kuò)容10%左右具有較高的可行度，按照光伏電站裝機(jī)容量50%具備擴(kuò)容條件的前提下，可擴(kuò)容裝機(jī)規(guī)模約9 GW，具有非常好的市場(chǎng)和社會(huì)價(jià)值。