光伏電站光伏區(qū)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

文_楊敏 上海能輝科技股份有限公司

并網(wǎng)光伏發(fā)電就是電池板吸收太陽(yáng)光能所轉(zhuǎn)化成的直流電能經(jīng)過并網(wǎng)逆變器逆變成交流電然后與公共電網(wǎng)相連，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度并配電給用戶。

本文針對(duì)并網(wǎng)型光伏發(fā)電項(xiàng)目（預(yù)計(jì)裝機(jī)容量約為100MWp），詳細(xì)介紹了太陽(yáng)能電池板、智能直流防雷匯流箱、并網(wǎng)型集中逆變器等設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型，并對(duì)預(yù)期能力進(jìn)行了展望。

1 光伏組件選型

1.1 單晶硅、多晶硅組件

目前廣泛使用單晶硅、多晶硅電池組件，且國(guó)內(nèi)的光伏組件也主要是以晶硅電池為主。晶硅電池組件有很多優(yōu)點(diǎn)，包括晶體硅光伏組件技術(shù)成熟；產(chǎn)品性能穩(wěn)定；使用壽命長(zhǎng)；電池轉(zhuǎn)換效率高；組件故障率低；運(yùn)行、安裝簡(jiǎn)單方便等。

單晶硅和多晶硅的性能、價(jià)格都比較接近，但從控制工程造價(jià)的角度考慮，選擇性價(jià)比高的多晶硅組件有一定的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)多晶硅比單晶硅更節(jié)省能源，因此采用多晶硅組件更環(huán)保。本項(xiàng)目暫按325Wp 多晶硅電池組件進(jìn)行設(shè)計(jì)。電池組件詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見下表。本項(xiàng)目采用高效325Wp 多晶硅光伏組件307700 塊，總裝機(jī)容量為100002.5kWp，詳見表1。

表1 光伏組件技術(shù)參數(shù)表

短路電流溫度系數(shù) %/K 0.050太陽(yáng)能電池組件效率 %16.8 10 年功率衰降 %≤10 25 年功率衰降 %≤20

1.2 逆變器的選擇

按照容量大小，逆變器可分為集中型逆變器和組串型逆變器兩種，集中型逆變器容量可達(dá)到兆瓦級(jí)別，而組串型逆變器容量一般在幾千瓦到幾十千瓦。兩者的區(qū)別在于，集中型逆變器匯集的組串?dāng)?shù)目較多，一般在逆變器前端配置匯流箱、直流柜等進(jìn)行兩級(jí)分級(jí)，并且所匯集的組串一般只能同時(shí)進(jìn)行最大功率跟蹤；組串式逆變器匯集的組串?dāng)?shù)目較少，前端不需要配置匯流箱可直接接入逆變器。集中型逆變器適合不同組串遮蔽差異很小的情況，因此，本設(shè)計(jì)方案選用集中性逆變器技術(shù)途徑?？紤]光伏組件與逆變器的配合，同一串聯(lián)的組件選用相同的系列。詳見表2。

表2 光伏陣列組串配置表

組件與逆變器的配合：光伏組件的容量一般用峰值表示，峰值即最大的瞬時(shí)輸出功率，實(shí)際的運(yùn)行中，太陽(yáng)能組件的輸出功率值往往小于額定的數(shù)值。逆變器都有一定的過載能力，一般直流側(cè)可超配10%左右，結(jié)合項(xiàng)目所在地的輻射、溫度等條件，盡可能利用逆變器的容量。本項(xiàng)目暫時(shí)按照2MW集中型逆變器選擇。

為使直流側(cè)的光伏板盡量接近100MW，各方陣逆變器所接組串?dāng)?shù)不相同，詳細(xì)配置如下：

逆 變 器 N 0 1 ～ N 2 6 ：2 0 片 ×3 3 4 串×325Wp=2,171,000Wp；

逆 變 器 N 2 7 ～ N 3 7 ：2 0 片 ×3 3 5 串×325Wp=2,177,500Wp；

逆 變 器 N 3 8 ～ N 4 3 ：2 0 片 ×3 3 6 串×325Wp=2,184,000Wp；

逆變器N44：20 片×330 串×325Wp=2,145,000Wp；

逆變器N45： 20 片×333 串×325Wp=2,164,000Wp；

逆變器N46：20 片×337 串×325Wp=2,190,500Wp；

組件安裝的總?cè)萘浚篜=26×2171000Wp+11×2177500Wp+6×2184000Wp+1×2145000Wp+1×2164000Wp+1×219050 0Wp=100,002.5kWp。

2 光伏電站陣列設(shè)計(jì)

2.1 光伏方陣設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目總?cè)萘繛?00MWp，初步設(shè)計(jì)由46 個(gè)光伏子陣組成，每個(gè)方陣按2 臺(tái)1000kW 并網(wǎng)逆變器配置，根據(jù)對(duì)光伏組件安裝方式經(jīng)濟(jì)性的分析和把控項(xiàng)目成本的同時(shí)，本次設(shè)計(jì)采用固定式支架安裝。

2.2 光伏子方陣設(shè)計(jì)

逆變器采用2MW 集中型逆變器為主，根據(jù)逆變器的參數(shù)，在極端溫度下，滿足逆變器運(yùn)行要求的情況下，選用325Wp 多晶硅組件，串聯(lián)級(jí)數(shù)10 ～22，根據(jù)溫度、濕度變化情況進(jìn)行修正，確定選擇325Wp 多晶硅太陽(yáng)能組件，級(jí)數(shù)為20 塊/串。整個(gè)工程光伏陣列由46 個(gè)光伏子陣構(gòu)成，為防止直流側(cè)超配，每個(gè)子方陣組件安裝數(shù)量不同，總?cè)萘繛?00,002.5kWp。

在采用325Wp 電池板的情況下，固定安裝的光伏子陣的單體模塊由4 排組成，80 塊組件的單體模塊可以組成4 并組串，每MW 光伏子陣包含的組串?dāng)?shù)不同，總的組串?dāng)?shù)為15385 串。

2.3 支架安裝形式和樁基礎(chǔ)的選擇和安裝

太陽(yáng)能光伏組件陣列支架形式為三角門型支架，采用表面強(qiáng)化處理，防腐壽命不低于20 年。支架和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)依據(jù)光伏組件規(guī)格型號(hào)、組件數(shù)量、組串布置形式來確定方陣的結(jié)構(gòu)尺寸；同時(shí)根據(jù)工程地理位置及季節(jié)變化，確定太陽(yáng)能光伏板的角度變化情況。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)考察確認(rèn)該項(xiàng)目可使用螺旋狀基礎(chǔ)。施工方便的同時(shí)也能降低項(xiàng)目成本。

其前后排方陣的間距及傾角如圖1所示。

圖1 光伏支架典型布置圖

前后排方陣的間距及傾角如圖2 所示。

圖2 方陣間距及傾角

方陣前后的間距可以根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中L—陣列傾角面長(zhǎng)度；

D—兩排陣列間間距；

β—陣列傾角；

φ—當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

其中公式(1)的最佳安裝傾角β可以根據(jù)中國(guó)的《光伏電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中計(jì)算公式得出，本項(xiàng)目的最佳傾角是通過PYsyst 軟件反復(fù)模擬，最終得到傾角在27°的時(shí)候發(fā)電量是最高的，與當(dāng)?shù)氐木暥认嘁恢拢员驹O(shè)計(jì)中傾角選擇27°。

2.4 陣列行、列距的選擇

為充分接收太陽(yáng)能能源，太陽(yáng)能光伏陣面法線朝南，傾斜角度為27°。光伏方陣中列與列之間預(yù)留1m 寬的通道，以便于組件的搬運(yùn)和以后的運(yùn)行維護(hù)。為確保全面至少6 個(gè)小時(shí)的光照時(shí)間，本階段前后兩排光伏單列間距通過公式(1)計(jì)算出為2.5m。場(chǎng)區(qū)中需要設(shè)置6m 的行車道路來方便逆變器等大型設(shè)備的運(yùn)輸，方便運(yùn)輸檢修。

2.5 方陣接線方案設(shè)計(jì)

防雷匯流箱選用16 進(jìn)1出的匯流箱級(jí)數(shù)方案。一個(gè)方陣中共21 個(gè)匯流箱，10 個(gè)接入1 個(gè)1000W 逆變器，另外11 個(gè)接入另一個(gè)1000W 逆變器，共同組成2MW 的光伏方陣。其中組件至匯流箱小線及匯流箱至逆變器電纜均采用套管直埋的方式。本工程共配置46 臺(tái)2000kW 逆變器。

3 電氣方案設(shè)計(jì)

3.1 光伏場(chǎng)內(nèi)主要電氣設(shè)備選擇

3.1.1 并網(wǎng)逆變器及就地升壓設(shè)備

本工程選用2000kW 并網(wǎng)預(yù)制式箱體布置逆變器。采用一體式結(jié)構(gòu)，節(jié)省占地，安裝簡(jiǎn)便，施工周期短。

3.1.2 場(chǎng)內(nèi)升壓設(shè)備的選擇

為節(jié)省占地、縮短工期及安裝方便，本光伏區(qū)內(nèi)升壓設(shè)備采用箱式變電站模式，箱變內(nèi)配置高壓、低壓柜，自用變及節(jié)能型升壓變。箱變進(jìn)出線均采用電纜方式。其設(shè)備參數(shù)如下：

(1)高壓設(shè)備

技術(shù)途徑選擇“負(fù)荷開關(guān)+熔斷器”這一成熟方案，可作操作電器使用，又可斷開短路電流，能有效保護(hù)升壓變壓器。在升壓變出口處配置帶電顯示器及避雷器，均安裝在開關(guān)柜內(nèi)。

(2)低壓設(shè)備

低壓設(shè)備配置三相斷路器，三相電流互感器。另外配置浪涌吸收裝置、電流表、電壓表等。

(3)自用變壓器

自主要用于升壓設(shè)備內(nèi)部操作電路、逆變器室照明、通風(fēng)及檢修電源等分系統(tǒng)的能源供給。

(4)升壓變壓器

升壓箱式變壓器采用分裂變壓器，油浸式，容量為2000kVA，型號(hào)S11-2000/33，聯(lián)結(jié)組別為D，y11，y11，阻抗電壓為6.5%。

3.2 防雷、接地及過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能光伏陣面工作于自然環(huán)境中，雷電成為重點(diǎn)防護(hù)手段，主要通過防雷保護(hù)機(jī)構(gòu)、匯流環(huán)等組件，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)雷的有效防護(hù)。

逆變器安裝于逆變箱房?jī)?nèi)，其輸出端設(shè)置防雷裝置，同時(shí)箱變的高低壓側(cè)均配置避雷器或過電壓保護(hù)器，可實(shí)現(xiàn)防止雷電侵入波、操作過電壓等故障。

光伏場(chǎng)區(qū)內(nèi)應(yīng)形成覆蓋整個(gè)場(chǎng)區(qū)的主接地網(wǎng)，主接地網(wǎng)輪廓與光伏場(chǎng)區(qū)范圍一致，且成閉合環(huán)狀，并由橫向和縱向的水平接地體形成接地網(wǎng)網(wǎng)格，在接地網(wǎng)邊緣及內(nèi)部應(yīng)均勻敷設(shè)垂直接地體。

逆變房與箱變周圍需敷設(shè)一圈均壓接地網(wǎng)，并應(yīng)與光伏場(chǎng)區(qū)主接地網(wǎng)不少于兩點(diǎn)連接。箱變自帶金屬外殼，多處與均壓接地網(wǎng)可靠連接，逆變房?jī)?nèi)所有屏柜均應(yīng)可靠接地。

3.3 集電線路方案

本工程集電線路采用電纜連接方式。經(jīng)過4 條集電線路連接到升壓站中；4 條集電線路分別為：方陣1-12 為第一路；方陣13-24 為第二路；方陣25-35 為第三路；方陣36-46 為第四路。場(chǎng)區(qū)內(nèi)電纜采用直埋方式敷設(shè)，根據(jù)光伏場(chǎng)內(nèi)主接線串接逆變單元的數(shù)量以及逆變單元之間連接段的輸送容量、經(jīng)電纜載流量的計(jì)算分別確定不同截面的電纜，截面規(guī)格分別采用95mm2、185mm2、240mm2、400mm2。 33kV 電纜選用交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套鋼帶鎧裝三芯電力電纜。

本工程由每臺(tái)箱變之間環(huán)接，最終接入升壓站的進(jìn)線柜中。按短路情況熱穩(wěn)定校驗(yàn)，本工程33kV 電纜選用交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套鋼帶鎧裝多芯電力電纜。同時(shí)，為了考慮站內(nèi)電纜的防火要求，選擇33kV 電力電纜為阻燃型電纜。

3.4 場(chǎng)內(nèi)通訊

為滿足光伏場(chǎng)內(nèi)的通訊要求,在電纜敷設(shè)時(shí)同時(shí)敷設(shè)一根非金屬光纜用于保證每組逆變單元之間與中央控制室保持通訊聯(lián)絡(luò)，以滿足通訊的要求，推薦場(chǎng)內(nèi)非金屬光纜采用12芯光纖，該規(guī)格可滿足光伏場(chǎng)內(nèi)逆變單元的通訊需要。

4 結(jié)語(yǔ)

方案設(shè)計(jì)完成后，基于太陽(yáng)能光伏組件的折舊速率，對(duì)該項(xiàng)目預(yù)期的發(fā)電量進(jìn)行了理論計(jì)算：首年度的光伏電站發(fā)電量約為17.3 萬(wàn)MWh，后續(xù)逐年遞減，20 年后理論值約為14.2 萬(wàn)MWh，20 年平均值約為15.7 萬(wàn)MWh。