水上光伏電站電氣設(shè)計(jì)方案優(yōu)化分析

王雪

摘 要：隨著我國(guó)光伏發(fā)電工程項(xiàng)目的快速建設(shè)和發(fā)展，土地資源日趨飽和，水上光伏電站正以農(nóng)光互補(bǔ)、漁光互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)占據(jù)集中光伏發(fā)電的市場(chǎng)。本文依托丹東東港市廉家壩水庫(kù)光伏發(fā)電項(xiàng)目，著重分析以東北為代表的較為寒冷城市建設(shè)水上光伏電站的電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其優(yōu)化方案，為工程建設(shè)提供思路。

關(guān)鍵詞：水上光伏發(fā)電;雙玻組件;組串式逆變器

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）13-0147-02

0 引言

近幾年來(lái)，隨著光伏發(fā)電工程項(xiàng)目的建設(shè)和發(fā)展，以及國(guó)家有關(guān)部門(mén)出臺(tái)的一些對(duì)光伏發(fā)電的優(yōu)惠政策，極大的加快了我國(guó)光伏發(fā)電工程的項(xiàng)目建設(shè)。目前，可利用的土地資源日趨飽和，光伏行業(yè)各項(xiàng)技術(shù)也日漸成熟，各發(fā)電公司考慮轉(zhuǎn)型發(fā)展水上光伏項(xiàng)目，以達(dá)到節(jié)約資源，促進(jìn)漁光、農(nóng)光互補(bǔ)，改善區(qū)域景觀風(fēng)貌，推動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的效果。受我國(guó)地理環(huán)境限制，由于南方水域眾多且氣候適宜，所以大多水上光伏項(xiàng)目分布在南方。北方，尤其是東部地區(qū)冬季寒冷，即便是存在可利用的水域資源，受凍脹問(wèn)題的影響也少有大規(guī)模的水上光伏項(xiàng)目。廉家壩水庫(kù)光伏項(xiàng)目位于遼寧省東港市境內(nèi)，水庫(kù)控制面積約43.4平方公里，項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模300MW，一期項(xiàng)目60MW已于2017年6月30日前并網(wǎng)發(fā)電，二期項(xiàng)目240MW于2018年并網(wǎng)發(fā)電，系目前我國(guó)規(guī)模最大的單體水上光伏發(fā)電項(xiàng)目。本文依托此項(xiàng)目，著重分析以東北為代表的較為寒冷城市建設(shè)水上光伏電站的電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其優(yōu)化方案，為工程建設(shè)提供思路。

1 主要設(shè)備選型及設(shè)計(jì)

1.1 光伏組件選型

廉家壩水庫(kù)一期60MW光伏項(xiàng)目采用單玻多晶硅270wp光伏組件;二期光伏240MW光伏項(xiàng)目采用雙玻多晶硅275wp光伏組件。由于雙玻組件發(fā)展迅速，截至2018年其市場(chǎng)已經(jīng)與單玻光伏組件基本持平，考慮到組件固定方式，各大組件廠家雙玻組件每Wp單位造價(jià)約高于單玻組件3-8分錢(qián)。在組件選型上二期較一期更為優(yōu)化，雙玻組件在光伏電站的實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具體如下[1]。

1.1.1 單雙玻組件結(jié)構(gòu)對(duì)比

單雙玻組件結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1、圖2所示。

單玻結(jié)構(gòu)：玻璃-EVA-電池片-EVA-有機(jī)背板-鋁邊框。雙玻結(jié)構(gòu)：玻璃-EVA-電池片-EVA-玻璃。

單玻的結(jié)構(gòu)缺陷：（1）單玻背面采用有機(jī)背板，透水氣容易水解、紫外老化產(chǎn)生黃變、開(kāi)裂等問(wèn)題。（2）單玻有邊框，強(qiáng)制接地，易產(chǎn)生PID;易積灰。（3）單玻電池片正反面結(jié)構(gòu)受力不均，易產(chǎn)生隱裂。

雙玻結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：（1）雙玻背面采用玻璃，抗紫外/抗?jié)駸?抗劃傷、無(wú)水汽透過(guò)，無(wú)蝸牛紋;防火等級(jí)class A。（2）雙玻無(wú)邊框，無(wú)需接地，避免PID;無(wú)邊框設(shè)計(jì)，減少積雪積灰，易清洗管理，運(yùn)維成本低。（3）雙玻結(jié)構(gòu)對(duì)稱，電池片正反面受力均勻，靜載荷后電池片無(wú)隱裂、動(dòng)態(tài)載荷后功率衰減小、TC循環(huán)中功率衰減小。

1.1.2 雙玻組價(jià)十大優(yōu)勢(shì)

雙玻組價(jià)十大優(yōu)勢(shì)如表1所示。

1.1.3 安裝方式

根據(jù)對(duì)各廠家雙玻組件的調(diào)研，目前各廠家雙玻組件固定方式略有不同，主要分為壓塊固定和螺栓固定2種方式。有的組件廠家還可以在組件上預(yù)裝導(dǎo)軌，可以滿足原支架螺栓固定的安裝條件。

（1）壓塊安裝，圖3所示。

使用合適的壓塊和最佳安裝位置，組件載荷滿足：正面5400Pa/背面2400Pa。壓塊通過(guò)IEC老化試驗(yàn)，滿足長(zhǎng)期使用要求。壓塊成本約0.05元/Wp。

（2）螺栓安裝，圖4所示。

在雙玻組件上加金屬邊框，可使用螺栓安裝。組件載荷滿足：正面2400Pa/背面2400Pa。邊框+螺栓成本約0.19元/Wp。由于目前電站持有方按度電計(jì)算投資回報(bào)率，所以組件的長(zhǎng)期可靠性、耐候性成為光伏組件廠首先需要考慮的，而雙玻組件從各個(gè)角度分析都更為適應(yīng)水上光伏項(xiàng)目。

1.2 逆變器選型

廉家壩水庫(kù)一期60MW光伏項(xiàng)目采用50kW組串式逆變器;二期光伏240MW光伏項(xiàng)目采用70kW組串式逆變器。以2MW規(guī)模為發(fā)電單元，分別采用上述2種組串式逆變器進(jìn)行工程量及造價(jià)對(duì)比，其他設(shè)備及系統(tǒng)條件與一期一致：光伏組件采用多晶硅270wp，其最大系統(tǒng)電壓為1000V DC，當(dāng)?shù)貥O限最低氣溫取-35℃，計(jì)算得出光伏組件最多可以21個(gè)組一串。兩期工程按照21個(gè)光伏組件組成一串分別設(shè)計(jì)如下[2]：

（1）光伏支架采用2×21形式設(shè)計(jì)方案，即每個(gè)光伏支架單元安裝42塊光伏組件，分2排布置，每個(gè)支架單元采用5根樁;（2）每個(gè)組串容量為270X21=5670wp，每9串接入一臺(tái)50kW組串式逆變器，則每臺(tái)逆變器接入容量為51.03kW;每12串接入一臺(tái)70kW組串式逆變器，則每臺(tái)逆變器接入容量為68.04kW。（3）每2臺(tái)50kW組串式逆變器接入1臺(tái)交流開(kāi)關(guān)盒;70kW組串式逆變器無(wú)需經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)盒直接接入箱變低壓側(cè)。

根據(jù)上述2種設(shè)計(jì)方案，并考慮各子陣所需組件、支架、樁基、逆變器、交流開(kāi)關(guān)盒、箱變、電纜及通信設(shè)備等工程量，計(jì)算得出經(jīng)濟(jì)對(duì)比見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，二期工程方案較一期工程造價(jià)更為經(jīng)濟(jì)。

1.3 箱式變壓器及其布置

為規(guī)避水上項(xiàng)目油變發(fā)生泄漏污染水體的問(wèn)題，兩期工程箱變均采用干式變壓器，容量為2000kVA，50年一遇洪水位以上樁頂固定安裝。由于水面及水庫(kù)周邊水氣濕氣較重，設(shè)計(jì)箱變整體應(yīng)具備三防工藝：防潮濕、防霉菌和防鹽霧，干變本體的環(huán)境等級(jí)E2級(jí)。箱變應(yīng)設(shè)置溫濕度控器，通過(guò)箱體各室內(nèi)設(shè)置多點(diǎn)探頭式傳感器，設(shè)置數(shù)量應(yīng)滿足實(shí)時(shí)采集箱體內(nèi)溫度及濕度，并顯示在數(shù)顯儀上。其溫度和濕度可設(shè)定，當(dāng)溫度或濕度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)加熱裝置對(duì)箱體進(jìn)行加熱除濕或采取其他有效的除濕措施，直至溫濕度恢復(fù)至設(shè)定范圍以內(nèi)[3]。

由于項(xiàng)目占地面積很大，且光伏組件基本布置在水中，若箱變都布置在岸邊無(wú)水地帶會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)中央光伏組件接入箱變的低壓交流電纜截面深大且長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，難以滿足壓降要求，因此布置在岸邊周圍的光伏陣列箱變安裝在岸邊無(wú)水地帶;距離岸邊約300米以上的光伏陣列箱變就地安裝在陣列周圍的水面上。各水面上的箱變間應(yīng)規(guī)劃滿足條件的航道，以便船只水面吊裝作業(yè)及后期運(yùn)維。

2 電纜敷設(shè)

一期工程大多分布在水庫(kù)灘涂區(qū)域，涉水不多，考慮到偶爾遭遇水中浸泡現(xiàn)象，因此高、低壓交流電纜均采用具有徑向阻水結(jié)構(gòu)的電纜，地下直埋敷設(shè)。二期工程部分分布在水面上，東北冬季較冷，存在冰凍現(xiàn)象，夏季水下施工難度較高，因此二期工程低壓交流電纜采用水面以上普通電纜大跨度電纜橋架敷設(shè)方式;高壓交流電纜水面部分采用電纜橋架，岸邊部分采用電纜直埋，均為具有徑向阻水結(jié)構(gòu)的電纜。由于水庫(kù)面積較大，高壓電纜所帶箱變綿延線路較長(zhǎng)，需要增設(shè)防水型高壓電纜中間接頭。防水接頭無(wú)法長(zhǎng)期浸泡于水中，需在電纜橋架上做特殊結(jié)構(gòu)支撐并固定。

3 接地設(shè)計(jì)

一期工程處于無(wú)水的灘涂地帶，工程設(shè)置以水平接地體為主、垂直接地體為輔的復(fù)合式接地網(wǎng)，場(chǎng)區(qū)接地電阻達(dá)0.5Ω。二期工程光伏組件布置在水中且水庫(kù)面積較大，難以將水庫(kù)放水敷設(shè)接地網(wǎng)，因此考慮延岸邊無(wú)水地帶鋪設(shè)環(huán)形接地網(wǎng)，與一期工程接地網(wǎng)可靠焊接，在環(huán)網(wǎng)內(nèi)無(wú)水地帶鋪設(shè)網(wǎng)格。常年有水地段直接將兩端的光伏支架接地體垂直引下插入水底或采用專門(mén)的集中接地裝置。東西向相鄰支架通過(guò)2根絕緣軟銅線連接。水面上部分沿高壓電纜橋架敷設(shè)接地扁鋼，并與相鄰的支架接地端子連接，構(gòu)成南北向前后排支架的等電位連接。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣華慶.光伏電站設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2014.

[2] 李鐘實(shí).太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[3] GB50797-2012.光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012.