大型光伏電站集電線路的經濟電流密度計算

張彥昌，石巍，王杰，林浩

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院，武漢市 430071)

0 引言

根據“十二五”規劃綱要，新能源產業被列為戰略性新興產業，同時，在相關戰略性新興產業發展專項規劃中也提出了開拓多元化的太陽能光伏光熱發電市場的任務，并制定了一系列引導光伏產業健康高效發展的措施和優惠政策。2011年7月，國家發改委發布的關于完善太陽能光伏發電上網電價政策的通知，規定2011年7月1日后核準的太陽能光伏發電項目，除西藏仍執行1.15元/(kW·h)的上網電價外，其余省(區、市)上網電價均按1元/(kW·h)執行。隨著政策的變化，大型光伏電站迎來了新的發展機遇。

由于上網電價較高，光伏電站內的損耗對投資方的收益有一定的影響，而集電線路的損耗是光伏電站電能損耗中的重要環節。光伏電站中，集電線路的選型一般為電纜型，要降低集電線路的損耗，除了要盡量優化集電線路的路徑進而減少集電線路的長度外，還需增大集電線路截面，但增大集電線截面意味著初始投資的增加，如何在其中尋找一個最佳點，需要借助經濟電路密度來進行選擇。

由于光伏電站所具有的特點和經濟技術發展對經濟電流密度計算參數的影響，原有規范、規程中的經濟電路密度曲線已不能滿足光伏電站集電線路經濟截面的選擇要求。本文結合光伏電站的特點，對大型地面光伏電站的集電線路進行經濟電流密度計算，并通過實例，對集電線路的最佳截面進行了選擇。

1 經濟電流密度的概念

電纜截面影響電纜投資和電能損耗，為了節省初始投資，一般要求電纜截面盡量要小;而為了降低運行期電能損耗，則要求電纜截面盡量要大。在某一截面區間內，兩者之和最少，即總費用最少。計算公式為

式中:CT為總費用;CI為電纜初始投資費用，包括電纜購置費和安裝費;CJ為運行期總損耗費用折算到購買時間點的現值，與負載大小、年最大負荷利用小時、電價、電纜截面、使用費用、經濟壽命、貼現率等因素有關;Imax為最大負荷電流;RL為單位長度電纜交流電阻;F為等效損耗費用系數。

CI是電纜截面變量的遞增函數，可近似看做一個線性函數，CJ是電纜截面變量的遞減函數，因為損耗與電阻成正比，與電纜截面成反比，因此CJ可視為截面的反比函數，兩者疊加，在某一截面Sec處存在最小值，則Sec即為導體的經濟截面，電纜造價與截面關系如圖1所示。

圖1 電纜造價與截面關系Fig.1 Relation of cable cost and section

經濟截面Sec可以通過下列公式求取［1-9］:

式中:j為導體經濟電流密度;A為與導體尺寸有關的單位長度成本可變部分;R為實際單位長度單位面積的視在交流電阻;ρ20為在20℃時銅導體直流電阻率，ρ20=17.54×10－9Ω·m;α20為銅線 20 ℃的電阻溫度系數，α20=0.00393/℃;θm為導體溫度，在經濟電流運行時導體溫度可降低，θm=40℃;B為綜合鄰近效應、集膚效應的系數，取VV型和YJV型電纜的B值平均值為1.006;Np為每回路相線數目，取Np=3;Nc為傳輸同樣型號和負荷值的回路數，取Nc=1;τ為最大負荷損耗時間，h;i為貼現率，即投產后直至電纜經濟壽命終結之間逐年因損耗產生的費用，必須根據銀行利率等因素折算到當前的現值，一般取值為8%;N為電纜的經濟壽命，一般取N=25年;a為負荷增長率，一般取a=0，可以忽略;b為能源成本增長率，一般取b=2%;D為由于線路損耗額外增加的供電容量的成本，取252元/(kW·a);P為電價，對光伏電站，取P=0.855或0.983元/(kW·h)。

由式(3)～(7)可得 R=19.03×10－9Ω，r=0.9444，φ =14.76，F=41(τP+252)，得到:

2 經濟電流密度計算

2.1 τ值的計算

根據文獻［10］的規定，取τ=0.85 T，其中T為最大負荷利用時數，此算式主要針對火電廠出力性質統計，對光伏電站不適用。

光伏電站中有2個日照時間，實際日照時間T1和等效滿負荷日照時間T2，由于光照強度和電池板發出的電流強度可近似為正比關系，則有∑I1T1=∑I2T2，其中I1為實際光照強度下的實際電流，I2為等效光照強度下的滿載電流。為簡化計算，假設日照時數內實際負載電流相同(實際近似正玄波正半周)，則

對T2的取值，需根據各地光資源情況具體分析。本計算擬按文獻［11］中太陽能資源豐富程度等級表中的分界值進行計算，分別取 T2為1750、1400、1050 h，則 τ值分別為1050、840、630 h。

2.2 P值的計算

由于光伏電站的電能是電網公司必須全額收購的，收購電價按國家標桿電價執行，因此P值的確定如下:

(1)工程所在地為西藏，則P=0.983元/(kW·h);

(2)其余省(區、市)，則P=0.855元/(kW·h)。

2.3 A值的計算

A為與電纜截面尺寸有關的單位長度成本可變部分，假定電纜單位安裝費用相同，電纜的購置費用可分為不變部分和可變部分，不變部分主要是電纜的絕緣部分和制作成本，可變部分則主要體現在電纜銅芯的成本價差上。

YJV22－26/35型與YJV22－8.7/10型電纜的價格，如表1～2所示。

以上電纜報價以銅價為58000元/t為前提。

可變成本為

式中:yi為單價;si為截面。

經計算得 YJV22－26/35型電纜的 A值為2500元/(km·mm2);YJV22－8.7/10型電纜的 A值為2030元/(km·mm2)。

將以上計算結果代入式(8)，得到2種型號電纜的經濟電流密度如表3～4所示。

若銅價變化較大引起A值或τ值的變化較大，則可采用式(8)直接計算。

得到經濟電流密度j后，可根據式(3)得到電纜經濟電流截面，由于電纜截面非連續，計算得出的經濟截面不一定等于電纜的制造截面，因此在選擇經濟電流截面時，應按“接近”原則，選出最接近Sec的電纜截面，確定為經濟電纜截面。

3 實例應用

以新疆某50MW光伏電站為例，光伏電站的概況如下:光伏電站光伏組件最佳傾角傾斜面上年總輻射為1723.3 kW·h/m2;光伏電站以110 kV線路接入系統，110 kV配電裝置按變壓器—線路接線;設置1臺50 MVA的變比為110/10.5 kV的升壓變壓器，變壓器低壓側對應一段10 kV母線段。10 kV集電線路采用地埋電纜型式，每回并接5個1 MWP的光伏方陣，輸送容量設為5 MW。

對其截面選擇按以下幾方面考慮:

(1)動穩定截面計算。10 kV側短路電流為25.6 kA，選用ZN28-A型真空斷路器，斷路器最低操作電壓下的分閘時間不超過80 ms，主保護為速斷保護，最大動作時間不超過20 ms，因此短路電流持續時間按0.1 s考慮。銅芯電纜熱穩定系數 C取171［11］，算得導體動穩定校驗截面為 47.3 mm2。

(2)載流定截面選擇。每回集電線路將5個光伏方陣并聯串接引至升壓站10 kV配電室，集電線路的載流量隨并接光伏方陣的數量增加而成比例增加。電纜載流量需考慮環境溫度系數、土壤熱阻系數和多個并聯直埋敷設校正系數［12］，綜合取為0.75。

(3)經濟截面的選擇。光伏電站光伏組件的最佳傾角傾斜面上年總輻射為1723.3 kW·h/m2，則T=1723 h。經濟截面結果見表5。

表5 經濟截面結果Tab.5 Economic section

4 結論

按經濟電流密度選擇導體截面是國際電工學會推薦方法，但由于經濟電流密度計算影響因素較多，當影響因素變化較大時，相應的曲線及結論無法使用。

由于光伏電站的上網電價較高、等效運行小時數等參數變化較大，加上銅價變化的影響，現有的手冊、標準和規范上的經濟電路密度曲線已不能滿足光伏電站經濟電流截面的選擇。本文通過對以上幾個因素的分析，考慮相關因素的影響，通過計算得出光伏電站集電線路的經濟電路密度，進而根據集電線路的載流量選擇其經濟截面。同時通過實例計算，對光伏電站集電線路的截面選擇進行全面的介紹并選出合適的截面。本文僅就10 kV電壓等級集電線路的選擇進行實例計算，經驗證，采用手冊原有老經濟電流密度曲線與本文的計算結果相比差別較大，因此本文的結論為今后進行光伏電站集電線路截面選擇提供了參考。

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