35kV分布式光伏發(fā)電配套輸變電工程設(shè)計(jì)方案研究

楊超

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司）

0 引言

光伏發(fā)電是基于半導(dǎo)體器件的“光生伏特”效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換，再將電能提供給供電區(qū)域內(nèi)的用戶，對(duì)于緩解環(huán)保壓力，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有一定的推動(dòng)作用，經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值都較高[1-2]。存在光伏電站發(fā)出的電能超過(guò)供電區(qū)域的負(fù)荷需求，就需要將多余的電能送入電網(wǎng)，配給到供電不足的區(qū)域，因此就必須要根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際負(fù)荷即潮流分布情況綜合考慮，對(duì)光伏電站的輸變電配套工程展開(kāi)深入研究[3-4]。

1 光伏發(fā)電原理

光伏電池的實(shí)質(zhì)就是半導(dǎo)體器件PN 結(jié)，當(dāng)太陽(yáng)光照射到PN 結(jié)上的時(shí)候，太陽(yáng)能被PN 結(jié)吸收，太陽(yáng)能就是通過(guò)PN 實(shí)現(xiàn)到電能的轉(zhuǎn)換，這一轉(zhuǎn)換過(guò)程被稱(chēng)之為“光生伏特效應(yīng)”[5]。

半導(dǎo)體PN 結(jié)中的電子-空穴對(duì)是由太陽(yáng)能所激發(fā)的。基于PN 結(jié)當(dāng)中電子-空穴對(duì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成了電勢(shì)差，電動(dòng)勢(shì)便在PN 結(jié)中形成了，由于電動(dòng)勢(shì)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PN 結(jié)固有的壁壘電場(chǎng)，從而PN 結(jié)中的P 區(qū)會(huì)由于空穴的積累呈現(xiàn)正極性，N 區(qū)由于電子的積累呈現(xiàn)負(fù)極性，從而PN 結(jié)的P 區(qū)與N 區(qū)之間形成了“光生伏特效應(yīng)”[6-7]。

光伏電池的對(duì)外輸出特性可以等效為一個(gè)恒流源和一個(gè)正向并聯(lián)二極管的組合電路。如下圖所示。

圖 光伏電池等效模型

其輸出特性方程如式（1）所示：

式中，Isc為光伏電池內(nèi)部的光生電流；IVD為二極管反向飽和電流；IL為光伏電池的輸出電流；UL為光伏電池的輸出電壓；Rs為光伏電池內(nèi)部的等效串聯(lián)電阻（通常不會(huì)大于1Ω）；Rsh為光伏電池內(nèi)部的等效旁路電阻（通常阻值大于1kΩ）[8]。

Rs阻值較小，Rsh阻值較大，理想化的光伏電池模型將這兩個(gè)電阻都忽略掉。在實(shí)際應(yīng)用中為了提高輸出電壓和輸出電流，會(huì)將多個(gè)光伏電池根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行串并聯(lián)組合，以陣列組的形式存在[9-10]，光伏電池陣列組的輸出特性方程如式（2）所示：

2 項(xiàng)目概況

某35MW 光伏發(fā)電項(xiàng)目位于某省某市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，項(xiàng)目占用面積約為40 萬(wàn)m2，最終裝機(jī)容量達(dá)到35 MW[11]。項(xiàng)目完全建成后，所能夠產(chǎn)生的電能全部供給本地電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷。該項(xiàng)目利用完全不存在污染的太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電，發(fā)出的電能完全能夠滿足本地負(fù)荷需求，對(duì)于地區(qū)環(huán)保壓力的緩解具有促進(jìn)作用，并且區(qū)域經(jīng)濟(jì)進(jìn)步也有助力作用，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。該項(xiàng)目計(jì)劃分為分成兩階段進(jìn)行，第一階段（18MW）光伏發(fā)電站和第二階段（17MW）光伏發(fā)電站[12]。

1）該變電站終期建設(shè)2 臺(tái)容量50MVA 三卷式變壓器和1 臺(tái)50MVA 的兩卷式變壓器，已完成其中兩臺(tái)50MVA 容量等級(jí)的變壓器建設(shè)。110kV 電壓等級(jí)線路采用了GIS 布置方式，最終實(shí)現(xiàn)6 回出線，目前已實(shí)現(xiàn)2 回出線；35kV 電壓等級(jí)線路長(zhǎng)期計(jì)劃采用單母線兩分段接線方式，最終實(shí)現(xiàn)8 回出線，當(dāng)前已實(shí)現(xiàn)2 回出線；10kV 電壓等級(jí)線路長(zhǎng)期計(jì)劃采用單母線三分段接線方式，最終實(shí)現(xiàn)32 回出線，目前已實(shí)現(xiàn)14 回出線。

2）輸電部分全部采用電纜敷設(shè)接入方式長(zhǎng)度約1km，電纜型號(hào)為YJV22-26 / 35 kV-1×630mm2；變電部分是基于原有變電站內(nèi)35kV 配電裝置擴(kuò)展而來(lái)的35kV 出線柜。

3 系統(tǒng)接入方案

3.1 一次接入方案

光伏電站以35kV 的電壓等級(jí)接入到電力系統(tǒng)，實(shí)施方案為：首先對(duì)光伏電站的輸出電壓進(jìn)行升壓，新建1 回35kV 電壓等級(jí)的線路并通過(guò)變壓器接入到110kV 線路，線路長(zhǎng)度約為大約1km，線路導(dǎo)線采用銅芯電纜，導(dǎo)線截面積約為630mm2。

3.2 二次接入方案

光伏電站至變電站35kV 電壓等級(jí)線路必須配置微機(jī)保護(hù)設(shè)備。新建光伏電站與變電站一般采用24芯光纜進(jìn)行通信。光伏電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)需要接入到調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，分別送往不同級(jí)別的電力調(diào)度控制中心，并且運(yùn)行數(shù)據(jù)的種類(lèi)和數(shù)量需要達(dá)到電力調(diào)度的基本需求。

4 線路設(shè)計(jì)方案

4.1 輸電線路部分

本設(shè)計(jì)方案的主要技術(shù)指標(biāo)如下表所示。

表 主要技術(shù)特性指標(biāo)

（1）電纜型號(hào)

根據(jù)實(shí)際運(yùn)用要求，該項(xiàng)目新建的輸電線路采用單芯電纜，運(yùn)用的輸電線路電壓等級(jí)為35kV，電纜截面積為630mm2，電纜型號(hào)為YJV22- 26 /35 kV-1×630mm2。

（2）電纜配套附件

電纜的配套附件主要涵蓋了變電站內(nèi)部的避雷器，電纜線路轉(zhuǎn)接所需的電纜轉(zhuǎn)接頭，電纜線路兩端的終端接頭，中間交叉互聯(lián)箱，電纜線路兩端的直接接地箱和保護(hù)接地箱，以及與之相配套的同軸電纜和接地電纜。

（3）電纜的保護(hù)套接地方式

該工程的電纜金屬保護(hù)套采用了交叉互聯(lián)的接地方式。

（4）電纜的鋪設(shè)方式

該工程在采用了電纜地溝、電纜埋管、電纜托管過(guò)河相結(jié)合的方式，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況以及施工規(guī)范的具體要求，電纜之間的距離、電纜與管道、電纜與建筑物之間的距離必須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（5）電纜防火要求

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程，再結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)該工程的電纜線路提出了防火阻燃要求：①新架設(shè)電纜線路，在電纜之間交接位置，電纜裸露部分，電纜表面需要涂刷滿足安全防護(hù)要求的耐火涂料或纏繞其他阻燃物件進(jìn)行防火預(yù)處理；②電纜接頭位置并兩側(cè)延展2m 長(zhǎng)度，并且相鄰電纜線路都必須進(jìn)行阻燃處理；③耐火涂料和其他材料必須為滿足安全防護(hù)要求的不燃或阻燃材料。

（6）對(duì)通信線路的保護(hù)

根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)的具體要求，需要對(duì)電纜線路走行路徑附近一定范圍內(nèi)的通信電纜線路進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)分析：①對(duì)于與本電纜線路相鄰近的埋地、架空通信電纜，其干擾和安全影響忽略不計(jì)，不予考慮，對(duì)于距離電纜線路路徑100m 開(kāi)外的移動(dòng)通信基站，其干擾和安全影響忽略不計(jì)，不予考慮；②當(dāng)電纜線路發(fā)生單相接地故障或相間短路故障時(shí)，如果臨近的一級(jí)、二級(jí)通信電纜線路感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的值在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，則不需要采取額外的防護(hù)措施。

4.2 變電線路部分

（1）電氣一次側(cè)主接線

主變壓器最終需要配置為2×50MVA+1×50MVA，已完成2×50MVA（分別為1#號(hào)和2#號(hào)主變壓器），采用了三相三繞組有載變壓，電壓等級(jí)均可調(diào)，電壓等級(jí)為110kV、35kV、10kV，其中在35kV 電壓等級(jí)一側(cè)的一條母線上新增1 回出線。

（2）電氣設(shè)備平面布置

110kV 電壓等級(jí)的配電設(shè)備采用GIS 布置方式；35kV 電壓等級(jí)的配電設(shè)備采用戶內(nèi)開(kāi)關(guān)柜雙層排列布置，在35kV 電壓等級(jí)的母線側(cè)增加一個(gè)出線柜連接到光伏發(fā)電站；10kV 配電設(shè)備采用戶內(nèi)開(kāi)關(guān)柜單層排列布置。

（3）電氣設(shè)備選型

擴(kuò)建的35kV 開(kāi)關(guān)柜采用了手車(chē)式戶內(nèi)開(kāi)關(guān)柜，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的設(shè)備主要包括了斷路器、接地開(kāi)關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器等。

（4）防雷裝置與接地裝置

該變電站已配置有避雷針，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)直擊雷的防護(hù)，多個(gè)避雷針的相互間隔距離以及針尖高度都能夠滿足相應(yīng)的防護(hù)要求，采用多個(gè)避雷針進(jìn)行多層次配置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)直擊雷的高效防護(hù)。變電站采用縱向接地和橫向接地結(jié)合的方式構(gòu)建接地網(wǎng)，配電設(shè)備的柜體外殼，通過(guò)接地線連接到組合式接地網(wǎng)實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)。變電站新增加的配電設(shè)備的柜體同樣需要與組合式接地網(wǎng)可靠連接。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所研究的35kV 分布式光伏電站主要基于廠房屋頂進(jìn)行光伏電站的建設(shè)，給出了具體的分布式光伏電站配套輸變電工程的設(shè)計(jì)方案，預(yù)計(jì)該工程完成后，能夠?qū)S區(qū)提供清潔、高效的能源，既具有經(jīng)濟(jì)性又具有環(huán)保性，不僅能夠?qū)l(fā)出的電能用于區(qū)域內(nèi)負(fù)荷，還能夠?qū)⒍嘤嗟碾娔茌斔偷诫娋W(wǎng)上。