大型荒漠光伏電站系統優化設計分析

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 劉建全

0 引言

光伏并網發電系統是與電網直接相連并向電網輸送電能的光伏發電系統，可分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的并網發電系統。帶蓄電池的并網發電系統具有可調度性，可根據需要并入或退出電網，還具有備用電源的功能，當電網因故停電時可緊急供電，常安裝在居民建筑；不帶蓄電池的并網發電系統不具備可調度性和備用電源的功能，一般安裝在較大型的系統上。

我國目前能源供應主要以傳統的火電為主，國家能源局最新下發的《2014年能源工作指導意見》，制定了提高能源效率、優化能源結構、增強能源生產能力、控制能源消費等主要目標，要求大力發展光伏分布式電站，已確定2014年新增風電裝機1800萬kW，新增光伏發電裝機1000萬kW，其中荒漠電站占40%。本文著重探討大型荒漠光伏并網發電的設計及優化內容。

1 荒漠電站總體系統設計

大型兆瓦級光伏電站一般采用分塊發電、多支路并網的“積木式”技術方案，將系統分成若干個光伏并網發電單元，每一個光伏發電單元分別經過逆變升壓后經高壓配電裝置并入電網，最終實現將整個光伏并網系統接入電力輸電網的方案。

光伏發電系統整體設計規劃主要包括：廠站用地規劃設計與站區布置設計、光伏組件基礎設計、電氣系統設計、站區給排水設計、站區道路設計、站區管線布置設計、暖通設計、消防設計等。

2 系統設計優化建議

2.1 采用組件最優分選設計

組件分選設計，要求組件供貨廠家對組件按實測參數進行電流、電壓的按檔分選，并由組件廠家按分選方案進行箱、托、車的包裝，并按此分選設計進行組件組串設計、安裝，可降低組串功率損失1%～2%，對于10 MW光伏系統整體發電量來說，采用組件分檔安裝后，每年平均可多發電量約22萬kWh，經濟效益明顯。

2.2 采用較少的進線柜設計

通常光伏區升壓變一般為10 kV/35 kV，而每個1 MWp單元升壓后的輸出電流卻比較小，如果各升壓變單元單獨采用一個進線柜，非常浪費設備容量。建議先采用就近并接，然后匯流進入開關站10/35 kV進線柜,具體并接數量可根據現場實際要求選擇5～10路進行并接[1]，從而減少進線開關柜的數量，為業主方帶來明顯經濟效益。

2.3 混凝土基礎

2.3.1 混凝土條形基礎

可根據電站建設地點的地質、環境等情況，設計合適的光伏支架基礎。目前光伏電站的基礎形式主要有條形基礎、灌注樁、獨立基礎、螺旋樁基礎等。

圖1 條形基礎圖

相對于其他基礎形式，條形基礎具有更廣泛的優點：

1)無需大規模平整土地，場站無需進行基槽開挖和回填，減少土方工程施工量，基礎周圍沒有大量的二次回填土方，基礎與周圍地面結合更加牢固，減少對場站環境的破壞。

2)條形基礎是淺基礎，更適用于土壤持力層分布不均勻的地質條件，地基承載力偏低時較實用，能將集中柱荷載較均勻分散到整個基地面積上，減少不均勻沉降。

3)條形基礎埋地較淺，通常光伏電站條形基礎埋深約為0.2 m，與獨立基礎相比，可大輻減少土方開挖量，甚至有的地方可直接裸露在地表，無需開挖。

4)材料通常采用鋼筋混凝土或素混凝土，條形基礎施工工藝簡單，施工技術成熟。與獨立基礎相比，條形基礎節省大量的鋼筋及混凝土。

5)大戈壁石類地形應選條形基礎，因為此類地形開挖難度很大，螺旋樁和灌注樁也很難打入地下。此外，材料通常采用鋼筋混凝土或素混凝土，與獨立基礎相比，條形基礎可節省大量的鋼筋及混凝土。

6)對于荒漠地區風荷載較大的情況，在設計條形基礎前要充分考慮該影響因素。

2.3.2 條形基礎的設計

對于條形基礎的設計主要以抗風載力為重點：

1)埋深設計：條形基礎埋深深度的控制，對于不同地區的光伏電站，應根據當地的地質條件和氣象條件設計條形基礎的高度，埋深深度范圍一般在100～600 mm。這樣利用天然地基基礎可抵消掉部分動荷載。

2)荷載計算：設計條形基礎時，根據當地風荷載，計算正向和背面組件支架基礎系統所承受的最大荷載，根據最大荷載來計算出條形基礎所需要的混凝土用量，利用條形基礎本身的自重來抵消掉部分動載荷。

3)基礎選型：對于條形基礎的選型。根據以往工程經驗，單元支架方陣上安裝20個組件電池板，電池板豎向兩排安裝；支架單元方陣下澆筑4條條形基礎，基礎間距一般設計在2.5～3 m之間，基礎尺寸按照300 mm×500 mm×2600 mm設計計算，基礎寬300 mm、高500 mm、長度2600 mm。基礎埋深200～300 mm之間，有100 mm的余量來調節相鄰基礎頂標高。

2.4 分站房的集中設計

目前荒漠電站一般以1 MW為單元進行設計，在分站房位置的選擇方面建議做如下設計：即各分站房以2個或4個為單位，集中放置，如圖2所示。

圖2 分站房集中布置圖

該設計具有的優點為：

1)便于使用多路匯集傳輸方式，降低了輸電線路電纜用量，在各1 MWp單元所發太陽能電力送出時，可由聚集在一起的幾個單元電力匯集后再統一送出，這樣可節省電纜溝數量及輸電電纜的用量。

2)各分站房相對集中，便于道路、照明、監控及維護管理；且集中后周邊空地增多，便于車輛停放，也便于維護人員對電氣設備的集中管理，可提高維護管理效率，降低維護運營成本。

3)分站房建筑及變壓器設備不易對組件造成陰影遮擋，作為太陽能發電系統，分站房高度通常在3 m或3 m以上，可能對周邊太陽電池方陣造成遮擋。為避免遮擋影響發電效率，通常會加大站房和組件方陣的間距，這樣每個分站房均需加大間距。總的來說，各分站房所占用場站面積合起來也較大，在集中放置分站房后，可減小該占用面積，提高場站分布密度，減小場站土地使用量。

2.5 匯流箱布置

建議在場站規劃設計方面充分考慮各太陽電池組串之間走線，以及各組串線路匯至匯流箱的走線問題。考慮到匯流箱出線電纜溝開挖，光伏組串間左右間距約有800 mm，前后間距約有6～7 m，建議左右光伏組串間采用線槽或金屬軟管跨越方式，前后匯流箱盡量布置在一條直線上，可使匯流箱至分站房的電纜敷設所采用電纜溝較少，且走線規律[2-3]，同時既降低了施工成本，又便于施工。匯流箱布置設計如圖3所示。

圖3 匯流箱布置圖

2.6 匯線設計

對于大型荒漠電站建議采取的匯線方式如圖4所示。光伏發電組件與組件的正負電極是用直流電纜首尾相接，最后引出整個組串正負極的頭和尾形成串聯。由于光伏陣列占地面積很大，組件數量極多，所以不合理的排布會導致直流電纜用量極大，并增加系統損耗。設計時采用此最佳的排布及接線方式，充分利用電池板自身所帶的正負極引出線，手拉手形成一個回環[4]，將正負極留在靠近匯流箱的一邊。這樣的設計最大限度地縮短了直流電纜的數量，減少了線路損耗。按照每塊組件寬約為1 m、每串20塊組件計算，如不采用這種設計每串組件將浪費直流電纜至少20 m，10 MW光伏電站約2000串組件，共計浪費2PFG1169-1×4 mm2直流電纜40000 m，并由此帶來約0.1%的發電效率的損耗，同時給業主帶來較大的電纜損耗。

圖4 組串匯線圖

3 總結

隨著我國近年來對新能源的重視，大型荒漠光伏電站建設將成為新能源領域里一個重要的發展方向。本文所采用的這種在大型荒漠光伏電站建設中的優化設計建議，在保證設計安全的要求下，大幅縮短了施工工期，降低了工程成本，可給業主方帶來顯著的經濟效益；同時對以后的大型荒漠光伏并網電站的建設提供了建設性的意見。

[1] 中國航空工業規劃設計研究院. 工業與民用配電設計手冊[M]. 北京: 中國電力出版社, 2005.

[2] GB 50794-2012,光伏發電站施工規范[S].

[3] GB 50794-2012,光伏發電站驗收規范[S].

[4] GB 50797-2012,光伏發電站設計規范[S].