益陽(yáng)北港長(zhǎng)河100MW 漁光互補(bǔ)型光伏電站電氣優(yōu)化設(shè)計(jì)

翟程遠(yuǎn)

（ 上海寰蔚電力工程有限公司，上海200002）

光伏發(fā)電是一種清潔能源，既不消耗資源，釋放污染物、廢料，同時(shí)也不產(chǎn)生溫室氣體破壞大氣環(huán)境，是一種綠色可再生能源。同時(shí)與相同發(fā)電量的火電相比（根據(jù)2018 年我國(guó)火電供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗312g/KWh），每年可節(jié)約標(biāo)煤4.25 萬(wàn)t，相應(yīng)可減少?gòu)U氣排放量：SO2約1005t，NOx 約1509t，CO2約10.89 萬(wàn)t，節(jié)約用水75.1 萬(wàn)t，并盡可能減少火電站相應(yīng)的污廢水和溫排水等對(duì)水域的污染。

而漂浮式“漁光互補(bǔ)”的光伏電站模式，是利用光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)與漁業(yè)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，在河道水面上鋪設(shè)漂浮式浮體整列，將光伏板布置于浮體之上而不影響浮體下方水中的漁業(yè)養(yǎng)殖。不僅節(jié)約了陸地光伏電站的占地面積，又不影響水域中的漁業(yè)養(yǎng)殖，既能緩解了能源緊張的電力缺口，產(chǎn)生清潔電力，又能帶動(dòng)漁業(yè)養(yǎng)殖行業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)能源與漁業(yè)的綜合開(kāi)發(fā)。

1 項(xiàng)目概況

大唐華銀益陽(yáng)北港長(zhǎng)河100MW 漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目位于湖南省益陽(yáng)市沅江市泗湖山鎮(zhèn)北港長(zhǎng)河水域。項(xiàng)目是典型的江河水域，為西東走向的長(zhǎng)條狀水域，水域面積約2200 畝，河道寬度在125m-245m，平均水深1-4 米，可布區(qū)域河道長(zhǎng)度約8000m。項(xiàng)目總裝機(jī)容量121.992MWp/100MWAC，位于北港長(zhǎng)河水域，建成后并入湖南電網(wǎng)。

2 電氣方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

本工程光伏組件陣列和箱逆變升壓一體機(jī)安裝方式采用水上漂浮式，共設(shè)32 個(gè)發(fā)電單元。光伏組件容量為430-440Wp的單晶大功率組件共279058 塊，采用固定傾角運(yùn)行方式。太陽(yáng)能光伏電站主要由光伏組件陣列、直流匯流箱、集中逆變升壓一體設(shè)備、集電線路、并網(wǎng)升壓站、送出線路等系統(tǒng)組成。

光伏組件經(jīng)日光照射后，形成低壓直流電，光伏組件并聯(lián)后的直流電采用電纜送至匯流箱匯流后，接入箱逆變一體機(jī)，逆變升壓至35kV 通過(guò)4 回集電線路接入本側(cè)升壓站升壓至110kV，通過(guò)29 公里輸電線路送至110kV 草尾變，待110kV 光復(fù)變建成后再重新轉(zhuǎn)接。

2.1 電氣主接線優(yōu)化

本工程項(xiàng)目采用分散發(fā)電、集中控制、單點(diǎn)并網(wǎng)的技術(shù)方案。100MW 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用440Wp 組件，由40 個(gè)2.5MW 方陣，分5 路集電線路接入升壓站。因項(xiàng)目電費(fèi)計(jì)量區(qū)別，其中一個(gè)方陣經(jīng)單母聯(lián)絡(luò)斷路器接入35kV 母線，原主接線如圖1 所示。為考慮升壓站中壓柜總體成本，經(jīng)本文2.2 部分逆變器數(shù)量?jī)?yōu)化以及與供電公司、業(yè)主方溝通后，同意35kV 專(zhuān)線并網(wǎng)單獨(dú)計(jì)量，減少一路集電線路和一臺(tái)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)柜，現(xiàn)主接線圖如圖2 所示。

35kV 側(cè)采用單母線接線方式，經(jīng)接地變后小電阻接地，升壓變1 回，光伏進(jìn)線4 回，SVG 進(jìn)線1 回，接地變兼站用變進(jìn)線1 回。35kV 母線匯流后，經(jīng)一臺(tái)100MVA 主變壓器升壓至110kV，再經(jīng)110kV 組合電器并入電網(wǎng)。

圖1 原電氣主接線示意圖

圖2 現(xiàn)電氣主接線示意圖

2.2 逆變器及箱變?nèi)萘颗浔仍O(shè)計(jì)優(yōu)化

本項(xiàng)目為大型光伏并網(wǎng)電站，若選用組串式逆變器，雖然能提高綜合發(fā)電效率，但電纜與設(shè)備量的增多將顯著抬高EPC成本，所以采用大功率3.125MW 集中型逆變器，并與升壓變一體集成在箱式殼體內(nèi)，極大的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)接線。同時(shí)，項(xiàng)目地點(diǎn)位于河道中，考慮到整體運(yùn)輸、吊裝作業(yè)及水面布置，大功率集中逆變器更有利于現(xiàn)場(chǎng)施工。根據(jù)系統(tǒng)總?cè)萘?00MWAC，可選擇40 臺(tái)2.5MW 的箱逆變，或者32 臺(tái)3.125MW 的箱逆變。在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)比較分析不同容量的箱逆變一體機(jī)數(shù)量與價(jià)格，以及對(duì)集電線路數(shù)量、光伏廠區(qū)直流電纜量的差異，具體如表1所示。

表1 箱逆變選型對(duì)比表

通過(guò)上表對(duì)比可見(jiàn)，采用大容量的箱逆變一體機(jī)，雖然增加了光伏區(qū)域直流電纜的用量，但每瓦設(shè)備價(jià)格，以及集電線路設(shè)備電纜價(jià)格均大幅度降低，約節(jié)約248 萬(wàn)。綜合考慮設(shè)備集成性與先進(jìn)性、施工造價(jià)、度電成本及項(xiàng)目投資內(nèi)部收益率等因素，本工程100MW 分為32 個(gè)3.125MW 單元，采用集中式3.125MW 逆變升壓一體機(jī)32 臺(tái)。

2.3 電氣設(shè)備布置設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.3.1 升壓站電氣設(shè)備布置

本項(xiàng)目除生活樓以外，大量采用預(yù)制艙模式搭建升壓站構(gòu)筑物，35kV 配電間預(yù)制艙、SVG 無(wú)功補(bǔ)償裝置預(yù)制艙、二次設(shè)備預(yù)制艙、監(jiān)控室預(yù)制艙、蓄電池室預(yù)制艙均采用預(yù)制艙。預(yù)制艙是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種箱體結(jié)構(gòu)，其艙體的底座底架一般由型鋼焊接而成，而艙體的骨架通過(guò)焊接裝配成一體式的箱式結(jié)構(gòu)，其外殼采用熱噴鋅防腐或直接采用不銹鋼板，以及良好的密封性能，使其需滿(mǎn)足電氣設(shè)備的散熱、防塵、防腐、防水等各種性能要求，可以確保電站安全穩(wěn)定運(yùn)行25 年以上。

與傳統(tǒng)房屋建筑相比，預(yù)制艙具有高度組合靈活性，在工廠內(nèi)提前制作、配對(duì)、預(yù)安裝，方便的運(yùn)輸遷移到項(xiàng)目地后在現(xiàn)場(chǎng)快速拼裝。不僅節(jié)約了占地面積、土地成本，對(duì)土建基礎(chǔ)的要求降低、對(duì)電力安裝工作的減少都帶來(lái)了有利的影響，使得工期減少的同時(shí)，升壓站的總投資造價(jià)降低3-10 個(gè)百分點(diǎn)。

并且110kV 配電裝置采用GIS 型式，大大縮短了建設(shè)周期，從開(kāi)工到并網(wǎng)僅用了3 個(gè)月左右的時(shí)間。

圖3 升壓站布置示意圖

本項(xiàng)目的升壓站電氣布置如圖3 所示。（序號(hào)1 綜合樓，2回用水池，3 調(diào)節(jié)池，4 事故油池，5 消防泵房，6 風(fēng)機(jī)棚，7.35kV開(kāi)關(guān)柜預(yù)制艙，8 主變壓器，9 接地變、低壓柜，10.SVG 無(wú)功補(bǔ)償室,11 監(jiān)控室，12 二次預(yù)制艙，13 蓄電池室，14 雨水泵房（預(yù)留），15 生活污水處理室。）

2.3.2 光伏場(chǎng)區(qū)電氣設(shè)備布置

光伏廠區(qū)發(fā)電系統(tǒng)由32 個(gè)3.125MW 方陣構(gòu)成，考慮到河道寬度、水位與水流變化對(duì)浮體漂移的影響，以及底部錨固系統(tǒng)的穩(wěn)固性，采用每2 個(gè)方陣組成一個(gè)浮體整列。集中逆變升壓一體機(jī)原布置在兩個(gè)浮體方陣的中央，但顧及到維護(hù)檢修的便利性，在不增加匯流電纜的前提下，決定將其布置在浮體方陣的北側(cè)，如圖4 所示。

圖4 浮體方陣布置示意圖

2.4 光伏場(chǎng)區(qū)接地系統(tǒng)優(yōu)化

接地系統(tǒng)是所有電氣設(shè)備、光伏電站的安全保障，由于本項(xiàng)目光伏場(chǎng)區(qū)的組件、匯流箱、逆變器升壓變都布置在漂浮式浮體上，其布置空間分散、占地面積巨大，所以接地材料的選擇對(duì)接地網(wǎng)而言至關(guān)重要。普通接地網(wǎng)中常采用鍍鋅扁鋼作為接地材料，在水面光伏區(qū)域，由于水汽和鹽漬等因素引起的腐蝕問(wèn)題尤為突出，需要面臨更多的維護(hù)工作。所以在設(shè)計(jì)中，選用一種耐腐蝕性能良好的接地材料須引起重視。

對(duì)于耐腐蝕性而言，Cu 銅與ARC 鋁合金材料都是理想的接地材料。經(jīng)過(guò)綜合比較，ARC 接地合金利用鋁材的原生高耐蝕特性，耐腐蝕性是鍍鋅鋼的6 倍，而造價(jià)ARC 接地合金較銅包鋼接地降低20%，全壽命成本ARC 接地合金是鍍鋅鋼接地的1/4，一次投入成本ARC 接地合金是銅接地的50%此外，銅、覆銅鋼均采用熱熔焊方式，鍍鋅鋼采用普通焊接+防銹涂料方式,而ARC 接地合金可采用氬弧焊、火焰焊或機(jī)械連接。在面對(duì)各種不同的施工條件時(shí)，ARC 接地網(wǎng)的施工過(guò)程更快捷、高效，即使其表面發(fā)生氧化時(shí)，仍然可以保持較好的電氣導(dǎo)通性能。從免維護(hù)、耐腐蝕的角度，更適合在水面光伏電站應(yīng)用。

本工程選用ARC 鋁合金材料作為主要接地體，在光伏組件支架之間以接地線（AWG12）相互連接后，再與主接地網(wǎng)相連。在各光伏方陣內(nèi)設(shè)置連接各光伏組件和逆變器等電氣設(shè)備的均壓網(wǎng)，不少于兩點(diǎn)與主接地網(wǎng)可靠連接，光伏區(qū)域因一個(gè)方陣浮體面積較大，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分割成多個(gè)接地網(wǎng)，配置水下垂體。獨(dú)立的接地網(wǎng)接地電阻不大于4Ω，每個(gè)獨(dú)立接地網(wǎng)至少有2 處引入水中。

2.5 無(wú)功補(bǔ)償與電能質(zhì)量?jī)?yōu)化

新能源電站的發(fā)電功率與天氣、氣溫等自然因素緊密相連，具有極大的不確定性、隨機(jī)性和波動(dòng)性。這種不穩(wěn)定性在電力系統(tǒng)中，會(huì)對(duì)并網(wǎng)電壓與電能質(zhì)量造成影響。以往通常采用靜止電容器作為無(wú)功補(bǔ)償裝置，但隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度、調(diào)節(jié)精度提出了更高的要求。目前，新能源電站大量采用SVG 裝置作為無(wú)功補(bǔ)償調(diào)節(jié)裝置，SVG 通過(guò)IGBT 模塊調(diào)節(jié)電壓與電流的角度，能迅速、精準(zhǔn)的輸出無(wú)功功率，響應(yīng)電力系統(tǒng)對(duì)無(wú)功的需求。一般分為直掛式SVG 與降壓式SVG，在大于8Mvar 以上時(shí)，無(wú)論從性能還是經(jīng)濟(jì)角度，都是直掛式更占優(yōu)勢(shì)。

本工程無(wú)功補(bǔ)償計(jì)算分為廠內(nèi)部分與系統(tǒng)部分，系統(tǒng)根據(jù)接入系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)報(bào)告，線路正常運(yùn)行時(shí)需補(bǔ)償?shù)母行詿o(wú)功損耗約為6.77Mvar。升壓站內(nèi)主變滿(mǎn)載時(shí)無(wú)功損耗約為10.5Mvar；一體機(jī)升壓變?yōu)?26.6Kvar，共32 臺(tái)為4.76Mvar。北港長(zhǎng)河光伏電站主變與箱變之間35kV 集電線路為三芯電纜，線路總長(zhǎng)約12.91km。按最大導(dǎo)體截面的單位電感為0.346mH/km,總感性無(wú)功損耗為0.41Mvar。按最大導(dǎo)體截面的單位每相電容為0.211uF/km,總充電功率為1.2Mvar。

總而言之，所選用的35kV 水冷直掛式±24Mvar 靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVG），可以為全范圍連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償裝置，該無(wú)功補(bǔ)償裝置能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)的連續(xù)調(diào)節(jié)以控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓，并滿(mǎn)足電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的要求。同時(shí)，SVG 無(wú)功補(bǔ)償裝置可有效治理13次諧波，提高電能質(zhì)量。

3 效果分析

綜上所述，在初始方案中電氣主接線經(jīng)優(yōu)化后，減少了2 臺(tái)35kV 開(kāi)關(guān)柜及相應(yīng)預(yù)制艙的空間，節(jié)約費(fèi)用25 萬(wàn)。另一方面，選擇大容量的集中性逆變器，雖然增加了電纜用量，但降低了每瓦造價(jià)，亦減少了一條集電線路，整體降低約248 萬(wàn)。接地系統(tǒng)材料的選擇在初期投資雖高，但后期維護(hù)費(fèi)用的降低及便利性，足以抵消最初的投資差額，具有更高的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)。無(wú)功補(bǔ)償方面，SVG 的選用已成為新能源電站達(dá)成的共識(shí)，其冷卻方式（風(fēng)冷/水冷）及模式(直掛/降壓）對(duì)價(jià)格影響較大，而其容量8Mvar 則是選擇何種冷卻方式與模式的分水嶺，往往需通過(guò)計(jì)算后確定。

最后益陽(yáng)北港長(zhǎng)河100MW 漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目在建成后第一年光伏電站年平均上網(wǎng)電量13419.1 萬(wàn)kWh，年等效滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)約為1100h，在運(yùn)行期二十五年內(nèi)的光伏電站年平均上網(wǎng)電量12569.7 萬(wàn)kWh，年等效滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)約為1030.4h。

4 思考與體會(huì)

在光伏電站建設(shè)過(guò)程中，如何選用設(shè)備匹配整個(gè)系統(tǒng)，使得系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)，以及在最小的投資下獲得最大的收益（發(fā)電量），設(shè)備選型是首要考慮的問(wèn)題。同時(shí)光伏組件的選擇，逆變器的選擇，集電線路電纜或架空線的選擇，也都關(guān)系到整個(gè)發(fā)電廠效率及收益。

而對(duì)于漁光互補(bǔ)光伏項(xiàng)目，由于漂浮于水面，光線通過(guò)水面反射到一定面積的光伏面板，并且大面積的水域環(huán)境可有效降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的平均溫度，綜合效益可使發(fā)電量較相同容量的地面光伏電站增加5%左右的發(fā)電量。

同樣還需要注意的是，在新能源項(xiàng)目的升壓站里，相較于以往的火電和核電工程，一般發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)在0.8～0.85，對(duì)于廠用電來(lái)說(shuō)，無(wú)功容量足夠，無(wú)需另外再補(bǔ)充無(wú)功。而光伏項(xiàng)目，因?yàn)槟孀兤鞯墓β室驍?shù)可達(dá)99%以上，所以廠用電、升壓站、及送出線上需要補(bǔ)充無(wú)功容量以滿(mǎn)足電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的需求。而無(wú)功容量、電能質(zhì)量的需求，也無(wú)疑給今后新能源電站提出了新的要求與挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論

本文主要介紹了益陽(yáng)北港長(zhǎng)河100MW 漁光互補(bǔ)光伏電站電氣優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，具體從主接線、逆變器箱變?nèi)萘颗浔?、電氣設(shè)備布置、接地系統(tǒng)、無(wú)功補(bǔ)償?shù)确矫嬲归_(kāi)，重點(diǎn)進(jìn)行方案對(duì)比并計(jì)算了相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)光伏新能源電站的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)火電機(jī)組有著很大的不同，需要精益求精，因其整體投資、單位造價(jià)低于傳統(tǒng)火電廠，所以即使在設(shè)備上的部分優(yōu)化也會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)產(chǎn)生顯著的變化，影響整體決策。故最后，在此也希望通過(guò)本文的研究能為后續(xù)的水面漂浮式電站電氣方案設(shè)計(jì)提供重要借鑒。