基于一二級直流匯流電纜加權(quán)最優(yōu)的集中式光伏電站直流匯流箱選型方法

摘 要：直流匯流箱型號對集中式光伏電站的直流匯流系統(tǒng)造價影響較大。目前集中式光伏項目大多選用輸入路數(shù)高的直流匯流箱以減少二級直流匯流電纜的長度，沒有綜合考慮一級直流匯流電纜以及二級直流匯流電纜的整體造價，缺乏經(jīng)濟性選型的理論依據(jù)。提出了基于一二級直流匯流電纜加權(quán)最優(yōu)的集中式光伏電站直流匯流箱選型方法，充分考慮一二級匯流電纜的相對長度與價格，提出了直流匯流箱經(jīng)濟性比選模型，并通過比選模型分析得到了最優(yōu)輸入路數(shù)的直流匯流箱。所提出的光伏電站直流化流箱選型方法能有效降低光伏電站造價，有利于光伏項目的平價上網(wǎng)。

關(guān)鍵詞：集中式光伏電站；直流匯流箱；光伏專用電纜；二級直流匯流電纜

中圖分類號：TM713 文獻標志碼：A

doi：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2024.0419

0 引 言

全球綠色低碳轉(zhuǎn)型背景下，中國提出了“2030年碳達峰、2060年碳中和”的宏偉雙碳目標，而大力發(fā)展風(fēng)電和光伏發(fā)電等可再生能源是實現(xiàn)雙碳目標的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年中國光伏和風(fēng)電并網(wǎng)裝機總?cè)萘扛哌_6.06億kW，占總發(fā)電裝機容量的44.8%，光伏和風(fēng)電發(fā)電量高達9 785億kW·h，占全社會用電量的11.8%[1]。雙碳目標驅(qū)動下，中國風(fēng)電和光伏發(fā)電等可再生能源將迎來全面的發(fā)展。然而，隨著原材料的價格波動，光伏組件等材料價格居高不下，而各省市又對光伏發(fā)電接入系統(tǒng)有儲能要求，這無疑進一步增加了光伏發(fā)電的建設(shè)成本。為保障雙碳目標驅(qū)動下光伏項目的平價上網(wǎng)，亟需降低光伏項目整體建設(shè)成本。

目前光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)和組串式光伏發(fā)電系統(tǒng)[2-4]。組串式方案采用模塊化組串式逆變器，最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）電壓范圍較寬，可以不受組串間模塊差異和陰影遮擋的影響，減少光伏電池組件最佳工作點與逆變器不匹配的情況，從而最大程度增加發(fā)電量，但是組串式方案前期投入和后期運維成本較集中式方案高。集中式方案逆變器集成度高，建設(shè)成本較低，適用于朝向一致且地形較為平整的光伏電站。目前組串式方案和集中式方案都得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是集中式方案，在漁光互補光伏發(fā)電項目以及地形起伏較小且坡向一致的農(nóng)光互補項目中得到了廣泛的應(yīng)用。

集中式方案由箱逆變一體機和直流匯流箱構(gòu)成。其中光伏組件通過光伏專用電纜匯集至直流匯流箱，進而通過二級直流匯流電纜匯集至箱逆變一體機。一般而言，光伏專用電纜、直流匯流箱和二級直流匯流電纜造價約占光伏電站建設(shè)成本的5%，合理選擇直流匯流箱型號可以有效減少一二級直流匯流電纜的成本，從而降低集中式光伏電站的造價。目前集中式光伏項目大多選用輸入路數(shù)多的直流匯流箱以減少二級直流匯流電纜的長度，沒有綜合考慮一級直流匯流電纜以及二級直流匯流電纜的成本，缺乏經(jīng)濟性選型的理論依據(jù)。尤其是選用輸入路數(shù)高的直流匯流箱后，一方面一級直流匯流電纜（光伏專用電纜）的用量會增加，另一方面二級直流匯流電纜會承受更大的電流，需要選用截面更大的電纜，也會增加二級會流電纜的成本以及施工難度。此外，更多的輸入路數(shù)意味著二級直流匯流電纜輸送電流更大，對應(yīng)的損耗也更大。因此，僅選用輸入路數(shù)多的直流匯流箱并不一定會降低一二級直流匯流電纜的成本。

為此，本文提出了基于一二級直流匯流電纜加權(quán)最優(yōu)的集中式光伏電站直流匯流箱選型方法，充分考慮一二級匯流電纜的相對長度與價格，建立直流匯流箱經(jīng)濟性比選模型，通過對比分析得到最優(yōu)輸入路數(shù)的直流匯流箱以期能有效降低光伏電站造價，有利于光伏項目的平價上網(wǎng)，有助于實現(xiàn)雙碳目標。

1 集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)基本方案

1.1 集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)基本拓撲結(jié)構(gòu)

集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)見圖1，主要由光伏組件、一級直流匯流電纜（光伏專用電纜）、直流匯流箱、二級直流匯流電纜和箱變一體機等組成。其中，光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)換為電能后通過光伏專用電纜接至直流匯流箱，經(jīng)直流匯流箱匯集后再通過二級直流匯流電纜連接至箱逆變一體機輸入端，箱逆變一體機將直流電逆變成工頻交流電并升壓至35 kV，經(jīng)過35 kV集電線路接入35 kV母線，最后經(jīng)主變升壓后接入電網(wǎng)。

1.2 光伏專用電纜選型

光伏專用電纜在選型過程中需要綜合考慮電纜的絕緣性能、耐熱阻燃性能、抗老化性能等，同時滿足電纜載流量需求。由于單個光伏組件輸出電壓較低，為此通常采用多個光伏組件串聯(lián)組成光伏組串，光伏組件串?dāng)?shù)按照《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（GB 50797—2012）[5]計算得到。

光伏組串最大輸出電壓一般不超過1 500 V，最大輸出電流由光伏組件型號決定。因此光伏組件型號確定后，即可根據(jù)光伏組串輸出電壓和電流選擇光伏專用電纜型號。光伏專用電纜一般為銅芯電纜，銅芯電纜具備損耗小、抗彎折以及轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)點。按照目前市場上流行的光伏組件型號，光伏專用電纜一般選擇PV1-F 1×4 mm2（1 500 V）或H1Z2Z2-K 1×4 mm2。由于PV1-F電纜的認證已經(jīng)過期，因此目前常用光伏電纜型號為H1Z2Z2-K 1×4 mm2。

此外，參考蘇毅等[6]提出的大距離差直流匯流電纜差異化配置方法，根據(jù)光伏串列與直流匯流箱的距離選用不同截面的光伏專用電纜，距離近的選用小截面的電纜，距離遠的選用大截面的電纜，以降低接至同一個直流匯流箱光伏專用電纜上的壓降差，使光伏串列的輸出電壓盡可能一致，提高逆變器最大功率跟蹤效率，從而提高光伏陣列輸出效率。在不失一般性的前提下，假設(shè)光伏專用電纜型號為H1Z2Z2-K 1×4 mm2。

1.3 二級直流匯流電纜選型

二級直流匯流電纜將直流匯流箱匯集的電能輸送至箱逆變一體機直流側(cè)。根據(jù)《光伏發(fā)電工程電氣設(shè)計規(guī)范》（NB/T 10128—2019）[7]，集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)中連接光伏組串、直流匯流箱和逆變器直流側(cè)的直流電纜最大壓降在標準測試條件下不宜超過2.0%，且每個組串的壓降宜一致。因此，二級直流匯流電纜的選型不僅要滿足電纜載流量設(shè)計要求，也需要滿足壓降限值要求[8-9]。

一般而言，直流匯流箱的輸出電流與直流匯流箱輸入回路數(shù)和光伏組件電流相關(guān)，因此二級直流匯流電纜選型需滿足下列條件

式中：λ為電纜載流量校正系數(shù)，與環(huán)境溫度及電纜并行敷設(shè)根數(shù)相關(guān)；I2為二級匯流電纜100%持續(xù)允許載流量；n為匯流箱輸入路數(shù)；I0為光伏組件最大功率點工作電流；R1為光伏專用電纜單位長度電阻；R2為二級匯流電纜單位長度電阻；L1為光伏專用電纜的長度，一般選取光伏組串至直流匯流箱最大距離；L2為二級匯流電纜的長度，一般選取匯流箱至箱逆變一體機直流側(cè)最大距離；UDC為直流匯流箱輸出電壓。

二級直流匯流電纜可以選用銅芯、鋁芯或鋁合金芯電纜。各種型號的二級直流匯流電纜允許的載流量以及單位長度電阻見表1。

可以看出，選用不同輸入路數(shù)的直流匯流箱會直接影響二級匯流電纜的選型，從而影響一二級直流匯流電纜的成本。為了實現(xiàn)集中式光伏電站直流匯流方案成本最優(yōu)，在直流匯流箱選型中需要綜合考慮一二級直流匯流電纜的成本。

2 匯流箱經(jīng)濟性比選模型

根據(jù)環(huán)境條件、光伏發(fā)電單元規(guī)模、設(shè)備布置，對直流匯流箱的絕緣水平、額定電壓、輸入回路數(shù)、輸入及輸出額定電流等進行選擇。為了實現(xiàn)集中式光伏電站直流匯流方案成本最優(yōu)，需要建立匯流箱經(jīng)濟性比選模型。

假設(shè)某個光伏方陣共有m1個光伏組串，對應(yīng)的箱逆變一體機直流側(cè)允許最大輸入路數(shù)為m2，則直流匯流箱最小輸入路數(shù)nmin需滿足

即在直流匯流箱選型過程中需要考慮光伏方陣組串?dāng)?shù)量以及箱逆變一體機的輸入路數(shù)的限制。

滿足上述要求的匯流箱有多種型號，選用不同型號的匯流箱所對應(yīng)的一二級直流匯流電纜成本也不相同。假設(shè)匯流箱輸入路數(shù)為n，所需匯流箱臺數(shù)nh范圍為

假設(shè)第i臺匯流箱輸入的組串?dāng)?shù)量為ki，則需滿足

根據(jù)表1選擇二級直流匯流電纜的型號，于是可以得到集中式光伏電站直流匯流系統(tǒng)整體造價P為

式中：c1為光伏專用電纜單位長度價格，含材料費和施工費；lij為光伏組串至第i臺匯流箱第j個輸入端的光伏專用電纜長度；c2為二級直流匯流電纜單位長度價格，含材料費和施工費；l2i為第i臺直流匯流箱至箱逆變一體機的長度；c3為該型號匯流箱單價，含設(shè)備費和施工費。

為了減小一二級直流匯流電纜的用量，箱逆變一體機一般結(jié)合場區(qū)道路情況布置于方陣中心，直流匯流箱根據(jù)光伏組串接入情況均勻布置于光伏方陣。假設(shè)箱逆變一體機坐標為（xt，yt），第i臺匯流箱的坐標為（xhi，yhi），接入第i臺匯流箱的第j個光伏組串的中心坐標為（xmij，ymij）。對于漁光互補光伏發(fā)電項目，光伏一二級直流匯流電纜一般敷設(shè)在電纜橋架之中，而電纜橋架為了充分利用光伏支架樁基礎(chǔ)，一般沿南北向和東西向布置；對于農(nóng)光互補光伏發(fā)電項目，光伏一二級直流匯流電纜一般穿管直埋敷設(shè)，其電纜一般沿南北向和東西向敷設(shè)。于是光伏組件至匯流箱電纜以及匯流箱至箱逆變一體機電纜長度可采用式（6）計算。

式中：l1為光伏專用電纜長度；lij為接入第i臺匯流箱的第j個光伏組串至第i臺匯流箱之間的光伏專用電纜長度；rij為對應(yīng)的電纜曲折系數(shù)，考慮了電纜進出地面或橋架、電纜轉(zhuǎn)彎半徑、終端制作以及地勢起伏等因素，場區(qū)地勢平坦的光伏項目一般取1.03～1.08，場區(qū)地勢起伏較大的光伏項目一般取1.09～1.15；l2i為第i臺匯流箱至箱逆變一體機的二級匯流電纜長度，r2i為對應(yīng)的電纜曲折系數(shù)，考慮了電纜進出地面或橋架、電纜轉(zhuǎn)彎半徑、終端制作以及地勢起伏等因數(shù)，場區(qū)地勢平坦的光伏項目一般取1.05～1.1；場區(qū)地勢起伏較大的光伏項目一般取1.1～1.15。

結(jié)合式（5）—式（6），即可建立匯流箱經(jīng)濟性比選模型。該模型綜合考慮了匯流箱、光伏專用電纜和匯流電纜的造價，通過該模型可以比較不同匯流箱型號下集中式光伏方案直流匯流成本。

3 案例分析

本文以湖北某漁光互補光伏發(fā)電項目為例，說明基于一二級直流匯流電纜加權(quán)最優(yōu)的集中式光伏電站匯流箱選型方法的具體應(yīng)用。

該光伏項目為漁光互補光伏發(fā)電項目，采用650 Wp高效單晶硅雙面電池組件，經(jīng)過計算，本項目每個光伏組串由30塊光伏組件組成。綜合考慮單位面積輻射量、組件間距、電纜損耗等因素后，為避免陰影遮擋的影響，光伏方陣的固定安裝最佳傾角為18°，南北向相鄰兩排中心間距為8 m，東西向相鄰兩列凈間距為0.5 m，采用固定支架式運行方式，前后排陣列投影間距為3.45 m。

選取其中第7個光伏發(fā)電單元進行研究，該光伏發(fā)電單元共206串光伏組串，6 180塊650 Wp組件，該光伏發(fā)電單元配置了一臺3 125 kW的箱逆變一體機，容配比約1.285 4。箱逆變一體機選用的是上能電氣EP-3125-HC-UD，直流最大輸入路數(shù)為22。該光伏發(fā)電單元布置如圖2所示。

目前常用的匯流箱型號有12匯1、14匯1、16匯1、18匯1、21匯1和24匯1等，結(jié)合組件參數(shù)和表1可以得到不同型號匯流箱下二級直流匯流電纜選型（見表2）。

可以看出，直流匯流箱輸入路數(shù)增加時，雖然可以減少二級直流匯流電纜的長度，但是會增加光伏專用電纜的長度，且直流匯流箱輸入路數(shù)越多，對應(yīng)的輸出電流更大，需要選用價格更貴的大截面電纜，不僅會增加施工難度，還會增加電纜損耗。相反，如果選用的直流匯流箱輸入路數(shù)過少，雖然可以減小光伏專用電纜的長度和二級匯流電纜的截面，但是二級匯流電纜長度的增加仍然可能會增加集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本。因此，為了實現(xiàn)集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)直流匯流方案成本最優(yōu)，需要綜合考慮一二級直流匯流電纜的造價，通過相應(yīng)的比選模型進行計算分析。

圖3給出了16匯1直流匯流箱下第7個光伏發(fā)電單元的匯流方案。結(jié)合計算可以得知該型號直流匯流箱臺數(shù)需滿足13≤nh≤22，綜合考慮組件布置，最終配置了14臺直流匯流箱，直流匯流箱布置充分考慮了安裝和運維檢修方便，且能盡量縮短光伏專用電纜長度，根據(jù)圖3可以得到16匯1直流匯流箱所對應(yīng)的直流匯流系統(tǒng)成本。

此外，以第7個光伏發(fā)電單元為例，還完成了12匯1—24匯1等多種匯流方案，當(dāng)二級匯流電纜采用銅芯電纜時，匯流方案的對比結(jié)果見表3。為了更直觀地顯示對比分析結(jié)果，將比選結(jié)果整理成圖4。

從圖4中可以看出，當(dāng)二級匯流電纜選用銅芯電纜時，直流匯流箱選用16匯1時總體成本最低。當(dāng)匯流箱輸入路數(shù)超過16時，隨著直流匯流箱輸入路數(shù)的增加，直流匯流方案總體成本逐漸增加。結(jié)合表3可以得出，隨著匯流箱輸入路數(shù)的增加，因為匯流箱臺數(shù)減少，光伏專用電纜的總長度將逐漸增加，一級匯流電纜成本逐漸增加。由于匯流箱臺數(shù)減少，二級匯流電纜總長度將逐漸減少，但是由于采用了更貴的大截面電纜，二級匯流電纜成本不降反增，最終總的成本隨直流匯流箱輸入路數(shù)的增加而增加。

當(dāng)二級匯流電纜采用鋁芯電纜時，相關(guān)匯流方案的結(jié)果對比見表4。為了更直觀地顯示對比分析結(jié)果，將比選結(jié)果整理成圖5。從圖5中可以看出，當(dāng)二級匯流電纜選用鋁芯電纜時，直流匯流箱選用12匯1時總體成本最低。從總趨勢來看，隨著直流匯流箱輸入路數(shù)的增加，直流匯流方案總體成本逐漸增加。結(jié)合表4可以得出，隨著匯流箱輸入路數(shù)的增加，因為匯流箱臺數(shù)減少，光伏專用電纜的總長度將逐漸增加，一級匯流電纜成本逐漸增加。由于匯流箱臺數(shù)減少，二級匯流電纜總長度將逐漸減少，但是由于采用了更貴的大截面電纜，二級匯流電纜成本不降反增，最終總的成本隨直流匯流箱輸入路數(shù)的增加而增加。

出現(xiàn)上述規(guī)律的原因主要原因有以下兩點：①匯流箱輸入路數(shù)的增加會減少匯流箱的臺數(shù)，從而增加光伏專用電纜的長度；②增加匯流箱輸入路數(shù)并未顯著減少二級匯流電纜的長度，而更多的輸入路數(shù)意味著需要選用價格更貴的大截面二級直流匯流電纜，從而增加了總體成本。

4 結(jié) 論

為了降低集中式光伏電站直流匯流系統(tǒng)總體造價，本文提出了考慮一二級直流匯流電纜整體造價的匯流箱經(jīng)濟性比選模型，并以某漁光互補光伏發(fā)電項目為例，介紹了該模型的應(yīng)用。本文的創(chuàng)新性如下：

（1）提出了考慮一二級直流匯流電纜整體造價的匯流箱經(jīng)濟性比選模型。該模型考慮了一二級匯流電纜的單位造價，根據(jù)該模型可得到集中式光伏發(fā)電單元最佳匯流箱型號。

（2）指出了直流匯流系統(tǒng)成本可能會隨著匯流箱輸入路數(shù)的增加而增加。

本文所提出的基于一二級直流匯流電纜加權(quán)最優(yōu)的集中式光伏電站直流匯流箱選型方法能從理論上指導(dǎo)集中式光伏電站匯流箱選型。尤其是目前光伏發(fā)電發(fā)展迅猛，匯流箱和電纜價格會受到行業(yè)發(fā)展以及原材料價格而波動，不能依賴設(shè)計經(jīng)驗選擇匯流箱路數(shù)。基于本文提出的方法進行成本核算，可以得到最優(yōu)的匯流箱輸入路數(shù)及型號，從而有效降低光伏電站總體造價，助力光伏項目平價上網(wǎng)。

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收稿日期：2024-01-05

作者簡介：李 勝，男，高級工程師，博士研究生，主要研究方向為電力電子化電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制。E-mail：lisheng_2012@126.com

2024，8（4）：127-133

A Method of Selecting DC Combiner Box for Centralized PV Power Station Based on Optimal Weighting of Primary and Secondary DC Combiner Cables

LI Sheng，WANG Song

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：The type of DC combiner box significantly impacts the cost of DC combiner system in centralized photovoltaic （PV） power station. Currently，most centralized PV projects use DC combiner boxes with a higher number of input circuits to reduce the length of the secondary DC combiner cable，which overlooks the total cost of primary and secondary DC combiner cables and therefore lacks theoretical basis for economic selection. To address this issue，we propose a method for selecting DC combiner box in centralized PV projects based on the weighted optimization of primary and secondary DC combiner cables. By thoroughly considering the relative lengths and prices of primary and secondary combiner cables，we propose an economic comparison model for DC combiner boxes and obtain the optimal number of input circuits. The proposed method for selecting DC combiner box in PV stations effectively reduces the cost of PV power plants and is conducive to the cost-effective integration of PV projects into the power grid.

Key words：centralized PV power station；DC combiner box；PV special cable；secondary DC combiner cables