基于特殊場地的光伏并網發電系統設計

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 戴曉亮 潘甲龍 張曉峰 劉丹生 買發軍

陜西昕宇表面工程有限公司 ■ 毛巨朋

0 引言

2014年在全球能源消耗不斷攀升，傳統一次能源總量有限、開采成本不斷提高的背景下，國家能源局下達2014年光伏發電年度新增建設規模14 GW的目標。同時，國務院印發了《國家新型城鎮化規劃》(2014～2020年)，提出要優先使用太陽能等分布式能源。這些都顯示出國家在政策層面推動太陽能產業發展的愿望。

根據目前系統集成發展趨勢，我們計劃在屋頂、山區及風力發電場等特殊地形下，采用組串式逆變器與雙繞組升壓變壓器集成一套實用的光伏并網發電系統。

1 項目概述

目前光伏并網發電項目中，在屋頂、山區及某些特殊地形下，方陣設計不能達到與產品型號相匹配的容量。為此，方陣設計便存在“大馬拉小車”或方陣線損過大，不能滿足電網經濟運行的要求。

為此，我們在這些方陣設計中采用組串式逆變器與雙繞組升壓變壓器。因為組串式逆變器容量小，且雙繞組升壓變壓器容量選擇比較靈活(200 kVA、250 kVA、315 kVA和400 kVA)。這樣可根據地形選擇更加合理的方陣容量來布置方陣，完成升壓，就近接入高壓并網點。

2 系統方案

本方案計劃在特殊地形條件下采用組串式光伏并網逆變器，完成組串(20塊組件為1串)直流匯流及逆變，使用室外交流匯流箱完成交流電能匯集，采用雙繞組升壓變壓器完成系統升壓，實現整個光伏系統并網發電(本次擬以1 MWp建設方案為例進行設計)。

2.1 逆變器選擇

目前國內外市場流行的光伏并網逆變器，發電效率≥98%的型號主要為：10 kW、12 kW、15 kW、20 kW 、30 kW、100 kW、250 kW、500 kW及630 kW。

根據目前逆變器市場價格，1 MWp方案下選用50臺20 kW組串逆變器價格最為合理。

2.2 組件選擇

現今國內主流多晶硅組件為：245 Wp、250 Wp、255 Wp和265 Wp。本方案擬使用4000塊多晶硅組件，容量為250 Wp。

2.3 電纜選擇

本次使用的太陽電池組件為250 W，工作電壓為608 V(30.4 V×20)，工作電流為8.24 A。

1)組件至匯線及至逆變器匯線電纜擬選用PV-1×4(mm2)，按發熱條件選擇電纜截面4 mm2，長期連接負荷允許載流量54 A，需做以下驗證：

根據DL/T-5044-2004《電力工程直流系統設計技術規程》附錄D要求：電纜截面應按電纜長期允許載流量和回路允許電壓降兩個條件選擇。

250 Wp多晶硅組件峰值功率電流Ie為8.24 A，PV-1×4電纜長期允許載流量Ipc為54 A，因此，Ie< Ipc。

式中：Rac為一條直流回路在一定長度下的電阻值；L為電纜長度；S為電纜截面積；ρ為銅芯電纜電阻率。

組串至匯流箱最長線纜約長100 m，則：

250 Wp多晶硅組件峰值功率電壓Ue為30.4 V，20塊組件串聯后U為608 V。

2)考慮到每臺逆變器額定輸出電流為I=20/0.4/1.732=28.87 A；交流輸出電纜至交流匯流箱電纜最長為150 m。

按照《電力工程電氣設計手冊》電氣一次部分要求，短路熱穩定截面選用接近于計算值的電纜：

式中：S為線纜導體截面積，mm2；Q為短路熱效應，kA2·A；C為熱穩定系數。

式中：q為電纜導體的單位熱容量，銅芯為3.4 J/cm2·℃；θm為短路時間內導體允許的最高溫度；θp為短路發生前的電纜導體最高工作溫度，℃，具體算法詳見GB50217-200《電力工程電纜設計規范》附錄E要求。α為20 ℃時電纜導體的電阻溫度系數，1/℃，銅芯為0.00393；ρ20為20 ℃時電纜導體的電阻系數，銅芯為0.0175；K為20℃時電纜芯線的集膚效應系數，根據《電力工程電氣設計手冊》電氣一次部分附表17-11要求，取K值為1.010；η為計入包含電纜導體充填物熱容影響的校正系數，對3～10 kV電動機饋電回路宜取η=0.93，其他情況可按η=1；選取電纜型號為ZRYJV22-0.6/1 kV-4×10(mm2)，且電壓降小于2%。

導體在短路時的發熱量：

式中：θ0為電纜所處環境的溫度最高值，℃；θH為電纜的額定負荷的電纜導體允許最高工作溫度，℃；IP為電纜實際最大工作電流，A；IH為電纜的額定負荷電流，A。!

Q 值確定方式，應符合下列規定：

①對火電廠3～10 kV廠用電動機饋線回路，當機組容量為100 MW及以下時：

②對火電廠3～10 kV廠用電動機饋線回路，當機組容量大于100 MW 時，Q的表達式查閱表E.1.3-1。

③火電廠3～10 kV廠用電動機饋線外的情況：

其中：t為短路持續時間，s。

3)為保證逆變器主箱變電纜電壓降小于2%且滿足載流量要求，選擇交流匯流箱至升壓變交流電纜型號為：ZR-YJV22-0.6/1 kV-3×240(mm2)。

2.4 交流匯流箱設計方案

根據以上設備選型，得出交流匯流箱設計方案：

表1 發電系統結構圖

1)選擇匯流箱總出線斷路器為塑殼式斷路器，額定電流為350 A；

2)選擇匯流進線斷路器為塑殼式斷路器，額定電流為50 A；

3)匯流箱按照8回進線，1回出線設計。

2.5 升壓變壓器設計方案

升壓變壓器設計方案為：

1)采用油侵式雙繞組變壓器；

2)容量按照1000 kVA考慮；

3)高壓側配置3只高壓熔絲，低壓側安裝8臺額定電流為350 A塑殼斷路器。

3 系統比較

3.1 配置方案比較

本方案擬通過兩種1 MW方陣建設方案進行比較，對比組串式方案的優越性，見表2～3。兩種方案采用相同的組件、支架。

表2 1 MW集中式逆變器建設方案配置

表3 1 MW組串式逆變器建設方案配置

通過兩種方案比較，得出以下結論：

1)組串式逆變器不再采用直流匯流箱，減少系統故障點。

2)1×4 mm2光伏專用電纜用量大幅降低，只在組件到逆變器部分使用，且距離較短，降低直流系統損耗；由于這部分電纜在設計時不用埋入地下，出現故障時，更容易排查。

3)采用組串式逆變器，與集中式逆變器相比較，組件規格可根據廠家供貨進行調整，可多種型號混用；且MPPT檢測更加精確，延長弱光時的系統發電時間。

4)無需采用雙分裂繞組變壓器，只需用普通雙繞組變壓器即可完成升壓，且變壓器容量可根據方陣容量自由配置。

5)減少土建工程的工程量，無需逆變器室或逆變器基礎。

3.2 經濟性比較

根據表2和表3得出：除去組件及支架采購、安裝量，實施1 MW方案采用組串式逆變器的造價約為128.9萬元；采用集中式逆變器的造價約為156.3萬元；投資成本節約27.4萬元。

3.3 總體方案比較

結合上述兩節參數所述，得出結論見表4。

表4 方案建設數據階段對比表

4 結語

本文通過在特殊場地使用組串式逆變器，除發揮組串式逆變器方陣方案能靈活組織的優點外，在整體方案設計中去除直流匯流箱的使用，降低系統損耗，減少故障點；減少系統投資，進而為光伏并網發電系統集成設計提出一條新的設計思路。

[1] GB 50797-2012，光伏發電站設計規范[S].

[2] GB 50217-2007，電力工程電纜設計規范[S].

[3] GB 50054-2011，低壓配電設計規范[S].

[4] DL/T 5044-2004，電力工程直流系統設計技術規程[S].

[5]《電力工程電氣設計手冊》-電氣一次部分[S].