大型光伏電站電氣設(shè)計(jì)與分析①

吳瞻

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、科技的不斷發(fā)展，綠色、環(huán)保發(fā)展理念也愈發(fā)的受到重視。傳統(tǒng)火力發(fā)電廠需要消耗大量的煤炭等不可再生資源，同時(shí)還會(huì)排放大量的碳化物和硫化物等，造成環(huán)境污染，不利于環(huán)境友好型社會(huì)的建成。在此情形下，我國(guó)發(fā)電廠結(jié)構(gòu)也開(kāi)始調(diào)整，清潔、可再生能源逐漸占據(jù)重要地位。光伏主要依靠可再生太陽(yáng)能發(fā)電，與傳統(tǒng)的煤炭發(fā)電行業(yè)相比，大規(guī)模的光伏發(fā)電在保證生態(tài)環(huán)境的前提下，可以有效地節(jié)約不可再生資源，減少污染氣體排放，有利于社會(huì)健康、綠色發(fā)展。本文主要對(duì)某大型光伏電站的電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，對(duì)主要設(shè)備和光伏配置進(jìn)行了選型分析，通過(guò)這些以期對(duì)相關(guān)人員有所啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：大型光伏電站;光伏發(fā)電;電氣設(shè)計(jì);

能源工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，新能源產(chǎn)業(yè)集中體現(xiàn)了現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)“高新、低碳、安全”的技術(shù)特點(diǎn)，是未來(lái)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向與技術(shù)制高點(diǎn)新能源、可再生能源的開(kāi)發(fā)利用是國(guó)家能源產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局的重要一環(huán)，2016年國(guó)家就提出了控制能源消費(fèi)中煤炭能源消費(fèi)量的比重，消費(fèi)比重將從66%降低到60%，積極發(fā)展煤炭的替代能源，在“十三五”期間，可再生能源如風(fēng)電、光伏產(chǎn)業(yè)獲得了大發(fā)展的機(jī)遇，國(guó)家對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)政策的支持力度也不斷增大。太陽(yáng)能是世界上分布最廣的可再生能源，光伏發(fā)電廠是以太陽(yáng)能為基礎(chǔ)的發(fā)電廠。但由于光伏組件價(jià)格、陸上集控中心用地以及光伏送出路徑等因素的制約，集中連片開(kāi)發(fā)大型光伏就顯得尤為重要。大型光伏能整合地區(qū)資源優(yōu)勢(shì)，集中送出，減少征地，降低企業(yè)成本，達(dá)到降本增效的目的，也是光伏產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1基本設(shè)備選擇

1.1光伏逆變器

目前逆變器主要分為組串式逆變器和集中式逆變器。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前組串式逆變器容量一般在120～180kW級(jí)，采用多路MPPT進(jìn)行跟蹤，比較適合于大型地面、山地、丘陵和屋頂分布式光伏場(chǎng)址;集中式逆變器容量一般在1000kW～3500kW，采用1～4路MPPT進(jìn)行跟蹤，比較適合于平坦的一般農(nóng)田、戈壁、水上等地形起伏較小的站址。對(duì)于組串式逆變器，如有單機(jī)故障，整體更換，維護(hù)較為方便，對(duì)整體發(fā)電幾乎無(wú)影響;對(duì)于集中式逆變器，一旦故障，造成大面積停電，但逆變器數(shù)量少，維護(hù)方便?？梢愿鶕?jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況選用不同的逆變器。

1.2光伏組件

用于大型光伏電站電氣設(shè)計(jì)的光伏組件主要是晶體硅組件，太陽(yáng)能電池的技術(shù)性能主要考慮成熟度和轉(zhuǎn)換效率兩個(gè)方面。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)光伏組件現(xiàn)狀，選取市場(chǎng)主流組件進(jìn)行比較。單晶硅生產(chǎn)工藝比多晶硅復(fù)雜，成本也比多晶硅高，但性能優(yōu)秀。在衰減率上，單晶硅要優(yōu)于多晶硅。太陽(yáng)能電池板在長(zhǎng)期的高低溫交替中容易出線隱裂，單晶硅要具備更好的機(jī)械性能，抗隱裂會(huì)更好一些。單晶硅相比多晶硅的優(yōu)勢(shì)在于低工作溫度、弱光響應(yīng)、低線損以及低衰減等，故國(guó)內(nèi)光伏電站多采用單晶硅。

1.3電池組件安裝方式

（1）固定式安裝，對(duì)普通的單晶硅太陽(yáng)能電池組件常用的固定布置方式是按當(dāng)?shù)氐淖罴褍A角。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是支架系統(tǒng)簡(jiǎn)單，安裝方便，布置緊湊，節(jié)約場(chǎng)地，缺點(diǎn)是不能對(duì)太陽(yáng)能資源充分利用。（2）傾角季度調(diào)節(jié)式，與固定式類似，不同之處在于其方陣傾角通常設(shè)計(jì)成約15°～65°，在此角度之間可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，每季度設(shè)置一個(gè)檔位。在夏季，正午太陽(yáng)高度角較大，方陣傾角可適當(dāng)減小;而在冬季時(shí)，正午太陽(yáng)高角度較低，方陣傾角可適當(dāng)增大，從而使太陽(yáng)光入射到方陣面上，使其入射光線與方陣面法線間的夾角盡可能小來(lái)提高方陣年發(fā)電量。（3）逐日跟蹤式，針對(duì)組件固定式布置方式存在的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)研制出逐日跟蹤式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)組件陣列面旋轉(zhuǎn)軸的數(shù)量又分為單軸和雙軸跟蹤。逐日跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)雖然能提高組件對(duì)太陽(yáng)能資源利用效率，但是需要增加機(jī)械跟蹤設(shè)備、光學(xué)儀器等，會(huì)增加單位工程造價(jià)。

2光伏系統(tǒng)配置

大型光伏電站光伏系統(tǒng)配置時(shí)應(yīng)考慮光伏組件的安裝方式、組件性能、溫度和輻射系數(shù)、串結(jié)構(gòu)、角度和間距等因素，選擇合適的配置方案可以優(yōu)化大型光伏電站的電氣設(shè)計(jì)，減少工程投資，同時(shí)還能增加發(fā)電量。

3光伏發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)

3.1電氣主接線

（1）光伏方陣配電系統(tǒng)，多個(gè)電池組件串聯(lián)成一個(gè)電池組件，多個(gè)組件接入一臺(tái)逆變器，多個(gè)逆變器接入一套箱變，經(jīng)箱變升壓至35kV，通過(guò)35kV集電線路送至升壓站。（2）集電線路，根據(jù)光伏陣列的布置位置情況，每6～7個(gè)光伏陣列組成一個(gè)集電線路單元，根據(jù)回路最大電流選擇導(dǎo)線載流量，并考慮降容系數(shù)。35kV集電線路采用電纜連接。若采用架空線，桿塔勢(shì)必會(huì)對(duì)組件布置產(chǎn)生陰影，且會(huì)站用一部分光伏用地。地塊中布置較為緊湊，采用電纜的用量相對(duì)來(lái)說(shuō)不大，綜合考慮采用電纜有較大的優(yōu)勢(shì)。（3）配電系統(tǒng)主要電氣設(shè)備，光伏電站配電系統(tǒng)主要電氣設(shè)備有升壓變電站和35kV集電線路，升壓變壓器選用箱變，容量2500kVA;箱變高壓側(cè)采用電纜連接方案，箱變之間采用35kV電力電纜直埋敷設(shè)連接。根據(jù)回路最大電流選擇導(dǎo)線載流量，并考慮降容系數(shù)。

3.2主要電氣設(shè)備選型

（1）短路開(kāi)斷電流水平選擇，35kV開(kāi)關(guān)設(shè)備短路開(kāi)斷電流按31.5kA進(jìn)行選擇，箱變高壓側(cè)負(fù)荷開(kāi)關(guān)設(shè)備短路開(kāi)斷電流按25kA進(jìn)行選擇，箱變低壓側(cè)斷開(kāi)電流按50kA進(jìn)行選擇。（2）110kV配電裝置選擇，110kV配電裝置常用的型式有兩種：常規(guī)屋外敞開(kāi)式布置和GIS形式布置。考慮到升壓站占地面積以及檢修維護(hù)性，綜合考慮建議采用戶內(nèi)GIS配電裝置。（3）無(wú)功補(bǔ)償裝置選擇，逆變器可以保證的功率因數(shù)在0.98以上，根據(jù)此特點(diǎn)，光伏組件及逆變器本身無(wú)需再進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，光伏電站的無(wú)功補(bǔ)償主要集中在35kV箱變、集電線路、主變和送出線路無(wú)功損耗上。（4）站用電選擇，根據(jù)站用負(fù)荷統(tǒng)計(jì)用電設(shè)備功率，選用干式變壓器，電源從35kV配電裝置引接，站用電380V配電裝置選用MNS型低壓配電柜，采用電纜饋出至用電負(fù)荷。

3.3升壓站一次設(shè)備布置

（1）升壓站110kV配電裝置采用戶內(nèi)GIS設(shè)備布置，主變壓器采用戶外布置方式。主變壓器高壓側(cè)采用鋼芯鋁絞線與110kV屋外GIS配電裝置相連，低壓側(cè)采用絕緣管母線與35kV配電裝置相連。在110kV 屋外配電裝置出線處設(shè)置門(mén)型構(gòu)架，便于架空導(dǎo)線引出。（2）35kV開(kāi)關(guān)柜布置在各升壓站35kV配電室內(nèi)，開(kāi)關(guān)柜采用單排布置。（3）站用配電裝置布置本工程站用接地變與接地變布置在戶外，低壓開(kāi)關(guān)柜布置在綜合樓繼電器室內(nèi)。（4）35kV無(wú)功補(bǔ)償裝置的布置，35kV無(wú)功補(bǔ)償裝置采用集裝箱成套設(shè)備，布置于戶外。

3.4防雷、接地、過(guò)電壓保護(hù)

（1）光伏電場(chǎng)逆變器設(shè)有防浪涌保護(hù)，防止感應(yīng)雷和操作過(guò)電壓。光伏電池組支架與支架之間，支架與接地體之間通過(guò)扁鋼焊接成電氣通路，實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)光伏電池支架電氣接地;箱變35kV側(cè)采用無(wú)間隙的氧化鋅避雷器作為過(guò)電壓保護(hù)器;站區(qū)接地需結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)條件，選用經(jīng)濟(jì)合理的接地方案。（2）主、輔建（構(gòu)）筑物的防雷主要由避雷針和避雷器來(lái)進(jìn)行保護(hù)。（3）在匯流箱、逆變器及35kV箱式變電站內(nèi)逐級(jí)裝設(shè)浪涌保護(hù)器或者避雷器。35kV及以下電氣設(shè)備以避雷器標(biāo)稱放電電流5kA時(shí)雷電過(guò)電壓殘壓為基礎(chǔ)進(jìn)行配合，滿足規(guī)范要求。在110kV出線，35kV母線以及廠用電線路終端均裝設(shè)氧化鋅避雷器。

結(jié)論

太陽(yáng)能是潔凈無(wú)污染的能源，大型光伏電站能整合區(qū)域資源，改善當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)的多元化。提高電網(wǎng)中可再生能源發(fā)電的比例，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，減少常規(guī)能源發(fā)電帶來(lái)的環(huán)境影響，推動(dòng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

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