益陽北港長河100MW 漁光互補型光伏電站電氣優化設計

翟程遠

（ 上海寰蔚電力工程有限公司，上海200002）

光伏發電是一種清潔能源，既不消耗資源，釋放污染物、廢料，同時也不產生溫室氣體破壞大氣環境，是一種綠色可再生能源。同時與相同發電量的火電相比（根據2018 年我國火電供電標準煤耗312g/KWh），每年可節約標煤4.25 萬t，相應可減少廢氣排放量：SO2約1005t，NOx 約1509t，CO2約10.89 萬t，節約用水75.1 萬t，并盡可能減少火電站相應的污廢水和溫排水等對水域的污染。

而漂浮式“漁光互補”的光伏電站模式，是利用光伏發電產業與漁業養殖產業相結合，在河道水面上鋪設漂浮式浮體整列，將光伏板布置于浮體之上而不影響浮體下方水中的漁業養殖。不僅節約了陸地光伏電站的占地面積，又不影響水域中的漁業養殖，既能緩解了能源緊張的電力缺口，產生清潔電力，又能帶動漁業養殖行業發展，實現能源與漁業的綜合開發。

1 項目概況

大唐華銀益陽北港長河100MW 漁光互補光伏發電項目位于湖南省益陽市沅江市泗湖山鎮北港長河水域。項目是典型的江河水域，為西東走向的長條狀水域，水域面積約2200 畝，河道寬度在125m-245m，平均水深1-4 米，可布區域河道長度約8000m。項目總裝機容量121.992MWp/100MWAC，位于北港長河水域，建成后并入湖南電網。

2 電氣方案設計與優化

本工程光伏組件陣列和箱逆變升壓一體機安裝方式采用水上漂浮式，共設32 個發電單元。光伏組件容量為430-440Wp的單晶大功率組件共279058 塊，采用固定傾角運行方式。太陽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備、集電線路、并網升壓站、送出線路等系統組成。

光伏組件經日光照射后，形成低壓直流電，光伏組件并聯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，逆變升壓至35kV 通過4 回集電線路接入本側升壓站升壓至110kV，通過29 公里輸電線路送至110kV 草尾變，待110kV 光復變建成后再重新轉接。

2.1 電氣主接線優化

本工程項目采用分散發電、集中控制、單點并網的技術方案。100MW 光伏并網發電系統采用440Wp 組件，由40 個2.5MW 方陣，分5 路集電線路接入升壓站。因項目電費計量區別，其中一個方陣經單母聯絡斷路器接入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，經本文2.2 部分逆變器數量優化以及與供電公司、業主方溝通后，同意35kV 專線并網單獨計量，減少一路集電線路和一臺聯絡開關柜，現主接線圖如圖2 所示。

35kV 側采用單母線接線方式，經接地變后小電阻接地，升壓變1 回，光伏進線4 回，SVG 進線1 回，接地變兼站用變進線1 回。35kV 母線匯流后，經一臺100MVA 主變壓器升壓至110kV，再經110kV 組合電器并入電網。

圖1 原電氣主接線示意圖

圖2 現電氣主接線示意圖

2.2 逆變器及箱變容量配比設計優化

本項目為大型光伏并網電站，若選用組串式逆變器，雖然能提高綜合發電效率，但電纜與設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，極大的簡化了系統接線。同時，項目地點位于河道中，考慮到整體運輸、吊裝作業及水面布置，大功率集中逆變器更有利于現場施工。根據系統總容量100MWAC，可選擇40 臺2.5MW 的箱逆變，或者32 臺3.125MW 的箱逆變。在設計階段，通過比較分析不同容量的箱逆變一體機數量與價格，以及對集電線路數量、光伏廠區直流電纜量的差異，具體如表1所示。

表1 箱逆變選型對比表

通過上表對比可見，采用大容量的箱逆變一體機，雖然增加了光伏區域直流電纜的用量，但每瓦設備價格，以及集電線路設備電纜價格均大幅度降低，約節約248 萬。綜合考慮設備集成性與先進性、施工造價、度電成本及項目投資內部收益率等因素，本工程100MW 分為32 個3.125MW 單元，采用集中式3.125MW 逆變升壓一體機32 臺。

2.3 電氣設備布置設計優化

2.3.1 升壓站電氣設備布置

本項目除生活樓以外，大量采用預制艙模式搭建升壓站構筑物，35kV 配電間預制艙、SVG 無功補償裝置預制艙、二次設備預制艙、監控室預制艙、蓄電池室預制艙均采用預制艙。預制艙是近年來發展迅速的一種箱體結構，其艙體的底座底架一般由型鋼焊接而成，而艙體的骨架通過焊接裝配成一體式的箱式結構，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，使其需滿足電氣設備的散熱、防塵、防腐、防水等各種性能要求，可以確保電站安全穩定運行25 年以上。

與傳統房屋建筑相比，預制艙具有高度組合靈活性，在工廠內提前制作、配對、預安裝，方便的運輸遷移到項目地后在現場快速拼裝。不僅節約了占地面積、土地成本，對土建基礎的要求降低、對電力安裝工作的減少都帶來了有利的影響，使得工期減少的同時，升壓站的總投資造價降低3-10 個百分點。

并且110kV 配電裝置采用GIS 型式，大大縮短了建設周期，從開工到并網僅用了3 個月左右的時間。

圖3 升壓站布置示意圖

本項目的升壓站電氣布置如圖3 所示。（序號1 綜合樓，2回用水池，3 調節池，4 事故油池，5 消防泵房，6 風機棚，7.35kV開關柜預制艙，8 主變壓器，9 接地變、低壓柜，10.SVG 無功補償室,11 監控室，12 二次預制艙，13 蓄電池室，14 雨水泵房（預留），15 生活污水處理室。）

2.3.2 光伏場區電氣設備布置

光伏廠區發電系統由32 個3.125MW 方陣構成，考慮到河道寬度、水位與水流變化對浮體漂移的影響，以及底部錨固系統的穩固性，采用每2 個方陣組成一個浮體整列。集中逆變升壓一體機原布置在兩個浮體方陣的中央，但顧及到維護檢修的便利性，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，如圖4 所示。

圖4 浮體方陣布置示意圖

2.4 光伏場區接地系統優化

接地系統是所有電氣設備、光伏電站的安全保障，由于本項目光伏場區的組件、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接地網而言至關重要。普通接地網中常采用鍍鋅扁鋼作為接地材料，在水面光伏區域，由于水汽和鹽漬等因素引起的腐蝕問題尤為突出，需要面臨更多的維護工作。所以在設計中，選用一種耐腐蝕性能良好的接地材料須引起重視。

對于耐腐蝕性而言，Cu 銅與ARC 鋁合金材料都是理想的接地材料。經過綜合比較，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、火焰焊或機械連接。在面對各種不同的施工條件時，ARC 接地網的施工過程更快捷、高效，即使其表面發生氧化時，仍然可以保持較好的電氣導通性能。從免維護、耐腐蝕的角度，更適合在水面光伏電站應用。

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，再與主接地網相連。在各光伏方陣內設置連接各光伏組件和逆變器等電氣設備的均壓網，不少于兩點與主接地網可靠連接，光伏區域因一個方陣浮體面積較大，根據現場實際情況分割成多個接地網，配置水下垂體。獨立的接地網接地電阻不大于4Ω，每個獨立接地網至少有2 處引入水中。

2.5 無功補償與電能質量優化

新能源電站的發電功率與天氣、氣溫等自然因素緊密相連，具有極大的不確定性、隨機性和波動性。這種不穩定性在電力系統中，會對并網電壓與電能質量造成影響。以往通常采用靜止電容器作為無功補償裝置，但隨著電力系統的發展，對無功補償的響應速度、調節精度提出了更高的要求。目前，新能源電站大量采用SVG 裝置作為無功補償調節裝置，SVG 通過IGBT 模塊調節電壓與電流的角度，能迅速、精準的輸出無功功率，響應電力系統對無功的需求。一般分為直掛式SVG 與降壓式SVG，在大于8Mvar 以上時，無論從性能還是經濟角度，都是直掛式更占優勢。

本工程無功補償計算分為廠內部分與系統部分，系統根據接入系統專業報告，線路正常運行時需補償的感性無功損耗約為6.77Mvar。升壓站內主變滿載時無功損耗約為10.5Mvar；一體機升壓變為226.6Kvar，共32 臺為4.76Mvar。北港長河光伏電站主變與箱變之間35kV 集電線路為三芯電纜，線路總長約12.91km。按最大導體截面的單位電感為0.346mH/km,總感性無功損耗為0.41Mvar。按最大導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 靜止無功補償裝置（SVG），可以為全范圍連續調節無功補償裝置，該無功補償裝置能夠實現動態的連續調節以控制并網點電壓，并滿足電網電壓調節的要求。同時，SVG 無功補償裝置可有效治理13次諧波，提高電能質量。

3 效果分析

綜上所述，在初始方案中電氣主接線經優化后，減少了2 臺35kV 開關柜及相應預制艙的空間，節約費用25 萬。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，亦減少了一條集電線路，整體降低約248 萬。接地系統材料的選擇在初期投資雖高，但后期維護費用的降低及便利性，足以抵消最初的投資差額，具有更高的性價比優勢。無功補償方面，SVG 的選用已成為新能源電站達成的共識，其冷卻方式（風冷/水冷）及模式(直掛/降壓）對價格影響較大，而其容量8Mvar 則是選擇何種冷卻方式與模式的分水嶺，往往需通過計算后確定。

最后益陽北港長河100MW 漁光互補光伏發電項目在建成后第一年光伏電站年平均上網電量13419.1 萬kWh，年等效滿負荷運行小時數約為1100h，在運行期二十五年內的光伏電站年平均上網電量12569.7 萬kWh，年等效滿負荷運行小時數約為1030.4h。

4 思考與體會

在光伏電站建設過程中，如何選用設備匹配整個系統，使得系統達到最佳狀態，以及在最小的投資下獲得最大的收益（發電量），設備選型是首要考慮的問題。同時光伏組件的選擇，逆變器的選擇，集電線路電纜或架空線的選擇，也都關系到整個發電廠效率及收益。

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

同樣還需要注意的是，在新能源項目的升壓站里，相較于以往的火電和核電工程，一般發電機的功率因數在0.8～0.85，對于廠用電來說，無功容量足夠，無需另外再補充無功。而光伏項目，因為逆變器的功率因數可達99%以上，所以廠用電、升壓站、及送出線上需要補充無功容量以滿足電網電壓穩定性的需求。而無功容量、電能質量的需求，也無疑給今后新能源電站提出了新的要求與挑戰。

5 結論

本文主要介紹了益陽北港長河100MW 漁光互補光伏電站電氣優化設計思路，具體從主接線、逆變器箱變容量配比、電氣設備布置、接地系統、無功補償等方面展開，重點進行方案對比并計算了相關設計參數，同時經分析發現光伏新能源電站的設計與傳統火電機組有著很大的不同，需要精益求精，因其整體投資、單位造價低于傳統火電廠，所以即使在設備上的部分優化也會對經濟指標產生顯著的變化，影響整體決策。故最后，在此也希望通過本文的研究能為后續的水面漂浮式電站電氣方案設計提供重要借鑒。