分布式光伏電站電氣一次設計研究

陳 林

（湖南動力源電力勘測設計有限公司，湖南 長沙 410021）

0 引 言

隨著全球經濟的發展，全社會對能源的消耗量日益增加，世界各國都在尋求新的能源替代戰略，以求得可持續發展和在日后的發展中獲取優勢地位，加大對清潔可再生能源的發展力度已成為現行國家節能減排目標的重要手段之一[1]。在可再生新能源中，太陽能發電是一次性轉換效率最高的能源，且使用簡單、環保、經濟[2-4]。截至2020年底，我國太陽能光伏發電裝機容量達到2.53×108kW，位居世界第一。預計我國“十四五”期間年新增裝機容量將在70～90 GW內，故太陽能光伏發電的未來市場和發展空間還很大。

本文以湖南省常德市水沐堰20 MW光伏電站項目為設計案例，基于該光伏電站的實際情況，主要從電力接入系統、電氣主接線、主要電氣設備選擇、電氣設備布置以及防雷接地等幾個方面進行分析，確定本光伏電站開關站35 kV電氣一次設計方案，為我國光伏發電企業在類似項目設計上提供一定的參考[5]。

1 電力接入系統

水沐堰光伏電站周邊僅有如東35 kV變電站、向陽橋～如東35 kV線路以及夢溪～如東35 kV線路，其到如東變的直線距離約1.5 km，到向陽橋～如東35 kV線路的直線距離約1 km，到夢溪～如東35 kV線路的直線距離約2 km，如圖1所示。

圖1 水沐堰光伏電站接入系統方案示意圖

根據水沐堰光伏電站的地理位置、系統地位以及裝機容量，考慮周邊電網現狀和發展規劃，從實施與過渡難易程度、送出可靠性、運行靈活性及遠景適應性和經濟性等多方面比較，水沐堰光伏電站π接向陽橋～如東35 kV線路。中華110 kV變投產后，該線路剖入中華變，以35 kV電壓等級接入系統。

2 電氣主接線

2.1 電氣主接線選擇

本工程為20 MW分布式并網光伏發電項目，采用分塊發電、集中逆變、升壓并網方案。各光伏組件產生直流電在就地匯流后，通過電纜將電能集中送至對應的逆變和升壓變，升壓至35 kV電壓，在新建的35 kV開關站內匯流后并入電網。

光伏電站35 kV開關站內采用單母線斷路器分段接線方式，光伏電站集電線路在Ⅰ段母線，新建的2回35 kV出線在Ⅱ段母線，如圖2所示。35 kVⅠ段母線上共設7面35 kV高壓開關柜，其中包括兩面集電線路開關柜、1面無功補償裝置開關柜、1面接地變兼站用變壓器開關柜、1面母線PT柜、1面母聯柜以及1面隔離柜。35 kVⅡ段母線上共設4面35 kV高壓開關柜，其中包括1面計量柜、1面PT柜、1面向陽橋變出線柜以及1面如東變出線柜。

圖2 35 kV開關站電氣主接線

2.2 35 kV系統接地方式

根據《十八項電網重大反事故措施（修訂版）及編制說明》，要求快速切除匯集線系統單相故障，因此光伏電站開關站35 kV母線采用經消弧線圈接地方式。

本項目設計兩回35 kV集電線路，電纜長度約為3.8 km，由開關站π接向如線35 kV線路送出，采用雙回電纜線路至站外電纜終端塔后改為架空線路，接至現有35 kV向如線#87和#89桿附近的π接點，新建線路路徑全長約1.37 km。經計算，35 kV單相短路的接地電容電流約為13.3 A?？紤]變電站增加的接地電容電流（35 kV按照13%附加值計算），接地電容電流約為15.21 A[6,7]。大于規程要求的10 A水平，需進行接地補償，根據計算出消弧線圈容量為415 kVA，故本期消弧線圈容量選為430 kVA。此外，35 kV母線裝設1臺接地變兼站用變壓器成套裝置，變容量選擇630 kVA。

3 短路電流及主要電氣設備選擇

3.1 短路電流

水沐堰光伏電站35 kV開關站母線遠景短路電流為4 kA。光伏電站π接向陽橋～如東35 kV線路，中華變投產后，中華35 kV母線遠景短路電流為10.5 kA?？紤]為系統發展留有余度，水沐堰光伏電站35 kV斷路器遮斷容量選用31.5 kA。

3.2 35 kV配電裝置

35 kV開關站內采用單母線斷路器分段接線方式，光伏電站集電線路在Ⅰ段母線，新建的2回35 kV出線在Ⅱ段母線。本項目35 kV高壓開關柜選用KYN61-40.5型移開式金屬鎧裝高壓開關柜，額定電壓為40.5 kV，額定電流為1 250 A，額定頻率為50 Hz，額定短路開斷電流為31.5 kA，額定短路關合電流為80 kA，額定動穩定電流為80 kA，額定熱穩定電流為31.5 kA/4 s，柜體的外殼防護等級不低于IP3X。

3.3 無功補償裝置

光伏電站滿發時，計算箱變、集電線路電纜以及架空送出線路的無功損耗[8,9]。在充分利用光伏逆變器的無功及其調節能力的基礎上，應保證光伏電站無功功率在任何運行方式下都有一定的調節容量，該容量為開關站額定運行時功率因素0.98(容性)～0.98(感性)所確定的無功功率容量范圍。考慮光伏電站終期裝機容量，本光伏電站在35 kV母線上配置1套-2～+2 MVar SVG動態無功補償裝置。

3.4 站用接地變裝置

根據35 kV母線單相短路電容電流的大小和站用負荷的要求，站用接地變壓器選用環氧樹脂澆注干式變壓器，變容量選擇630 kVA，型號為DKSC-630/35-200/0.4，額定電壓為（37±2×2.5%/0.4）kV，接線組別為ZN和yn11，二次側為站用電源，容量為200 kVA。

3.5 35 kV箱式變電站

35 kV箱式變電站采用美式箱變，其采用戶外布置，具有體積小、安裝方便以及維護少等特點。箱式變電站容量選用1 000 kVA，選用35 kV電壓等級箱式變電站[10]。箱式變電站內的35 kV變壓器采用三相雙分裂銅芯油浸式自冷無勵磁升壓變壓器，型號規格為S11-M-1000 kVA，變壓器高壓側額定電壓為37 kV，低壓側額定電壓為0.315 kV，短路阻抗為6.5%，聯接組別為D和y11。

3.6 站用電源

站用電系統設置2臺站用變，其中1臺采用35 kV接地變兼站用變壓器，從35 kV母線引取，另1臺采用10 kV預裝式箱變，從水沐堰村抗旱抽水機埠的配電室取得。其中10 kV站用變壓器采用1臺10 kV預裝式變電站（歐式箱變）作光伏電站備用電源用，箱變內10 kV變壓器型號為SCB11-200/10，容量為200 kVA，電壓組合為（10±2×2.5%/0.4）kV，聯接組標號為D和yn11，阻抗電壓Ud=4%。

4 電氣設備布置

4.1 電氣總平面布置

35 kV開關站占地2 700 m2，開關站圍墻為實體圍墻，站區東西方向長為60 m，南北方向長為45 m，建筑物主體是生產用房和35 kV配電樓，均為單層建筑。開關站整體布置簡明清晰，緊湊合理，能滿足運行要求。此外，站內設置車道，道路寬4 m，道路內側轉彎半徑為9 m。

4.2 35 kV配電裝置布置

35 kV高壓開關柜統一布置在35 kV配電樓配電裝置室內，為單列布置，站用接地變及消弧線圈裝置采用室外集裝箱式布置。

4.3 35 kV無功補償裝置布置

35 kV無功補償裝置控制設備布置35 kV配電樓無功補償裝置室內，無功補償裝置戶外降壓變壓器布置在35 kV開關站東南角。

4.4 低壓配電裝置布置

站用低壓配電裝置共設3面低壓配電柜，布置在35 kV配電樓二次設備室內。

5 防雷接地

開關站周圍敷設以水平接地體為主，垂直接地體為輔，聯合構成的閉合回路的接地裝置，供工作接地和保護接地之用。水平接地體采用-50×5的熱鍍鋅扁鋼、垂直接地體采用L 50×50×5的熱鍍鋅角鋼，接地電阻應小于4 Ω。

主接地網采用以熱鍍鋅扁鋼為水平接地帶，鋅包鋼接地極為垂直接地極，并局部添加土壤改良劑的綜合方法設置。開關站新上一支高25 m的避雷針，保護范圍為所有35 kV戶外配電設備及配電樓部分屋頂。本站生產用房和35 kV配電樓采用沿屋頂女兒墻敷設避雷帶進行防直擊雷保護。

6 結 論

分布式光伏發電電氣一次設計是分布式光伏發電的關鍵組成部分，是光伏發電系統和電網有效結合的紐帶。本文結合實際設計案例，通過分析分布式光伏電站電力接入系統設計、電氣主接線、主要電氣設備選擇、電氣設備布置以及防雷接地等幾個方面，確定本光伏電站開關站35 kV電氣一次總體設計方案，為其他類似分布式光伏并網發電項目提供理論基礎。