華能德州水上漂浮式光伏發電項目施工難點解決方案淺析

摘 要：國內外的水上漂浮式光伏電站大多是規模小、環境條件簡單的項目，因此其已有的項目經驗不足以為大規模同類項目提供參考。詳細介紹了華能德州丁莊水庫光伏發電項目的設計和實施過程，總結并提煉了同類型光伏電站的設計經驗及要點，完善了相關設計細節，探明了大型水上漂浮式光伏電站的施工難點，提供了解決方案，并進行了驗證。結果顯示：所提供的方案極大地提升了漂浮式光伏方陣尺寸的上限，減少了對水體環境的影響，節約了投資成本，為水上漂浮式光伏電站的未來發展提供了寶貴的經驗和參考。

關鍵詞：水上漂浮式光伏電站；光伏方陣；施工難點；設計要點；設計細節

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

收稿日期：2024-08-23

基金項目：近海漂浮式光伏關鍵技術研究與新型技術應用研究（CEEC2022-ZDYF-04）

通信作者：馬驥（1981—），男，碩士、高級工程師，主要從事電力工程設計項目管理及建筑專業設計方面得研究。j1.ma@sepec.com.cn

0" 引言

目前，國內外已存在一些規模小且環境條件相對簡單的水上漂浮式光伏發電項目。然而，已有的項目經驗尚不足以為大規模同類項目建設提供可靠且充分的技術支持。作為中國首個10萬kW級以上集中式大型水上漂浮式光伏發電項目——華能德州丁莊水庫光伏發電項目由于龐大的體量和復雜的環境條件，建設過程必將面臨眾多的施工難點及不確定性風險。本項目的建成不僅在更廣泛的范圍內驗證現有的項目經驗，還將探索未知的項目風險點，并提供各類風險點及施工難點的解決方案。

本文以華能德州丁莊水庫光伏發電項目為例，主要對項目光伏場區的整體規劃、光伏方陣容量優化、浮體材質選擇、超大光伏方陣錨固系統設計思路及錨固系統細節優化等方面進行分析論證。通過總結和提煉該類項目的設計經驗及要點，為未來同類項目建設提供可靠的技術支持，并推動同類工程技術的發展。

1" 工程概況

華能德州丁莊水庫光伏發電項目由中國華能集團有限公司（下文簡稱為“華能集團”）承建，項目位于山東省德州市陵城區西部的丁莊鎮，規劃總裝機容量為320 MW光伏發電。場址所在水庫界溝的占地面積約為5748000 m2，水庫壩頂圍墻內占地面積約為4702000 m2。項目整體分為2期工程：1 期裝機容量為200 MW （ 本文針對1 期項目進行論證，下文簡稱為“本期項目”）；2 期裝機容量為120 MW。丁莊水庫為華能德州電廠火電機組供水專用水庫，兩期光伏發電項目與華能集團已建成的風電項目共用1 座升壓站，項目對水庫界溝范圍內的平地、壩面及水面進行了整體規劃。

本期工程共建設51個3.15 MW逆變升壓單元，每個逆變升壓單元采用16臺組串式逆變器和1臺升壓箱式變壓器將光伏陣列輸出的直流電逆變升壓至35 kV交流電，并接入35 kV配電裝置，按8回35 kV電纜集電線路設計。本期工程于2021年5月12日完成首個光伏陣列并網，并于2021年12月30日全容量并網，首年利用小時數達1210 h，取得了良好的經濟效益、環境效益和社會效益。

2" 工程形象設計

基于地形、地質特點及國內外同類項目技術發展現狀，分析工程設計重點及施工難點，項目設計團隊依據項目地形特點打造項目亮點。扒雞是德州市名揚海外的特色美食，雞在古代又被稱為“太陽鳥”[1]。華能集團在項目設計中尊重地方文化，提出了打造大型“太陽鳥”光伏方陣的“去工業化”設計要求。根據太陽鳥形象及華能集團標識，提煉出“螺旋紋”和“H、N”兩種元素，結合湖心島的特殊地形，設計光伏方陣布置時湖心島中部留空，與環境無縫契合，形成超大尺寸太陽鳥圖案的環島藝術形象。因常見的單晶硅光伏組件外觀顏色通常為黑色，所以，超大尺寸的太陽鳥圖案通過浮體留白實現（下文將湖心島太陽鳥圖案的光伏方陣簡稱為“太陽鳥方陣”）。同時，為確保錨固系統受力一致，光伏方陣設計為規整的矩形。

升壓站內需布置眾多小型建（構）筑物和設施（電氣設備、管線等），形狀和材質多樣。為簡化建筑設計難度，采用“留白”手法處理復雜環境。場地內原有的升壓站建筑形態簡單、色彩統一，為確保兩期升壓站外觀一致，本期設計在原升壓站的基礎上，對升壓站進行了擴建，擴建方案效果圖如圖1所示。

3" 場區規劃優化設計

3.1" 優化項目布局

本期項目在可研階段，原計劃與2期項目南北相鄰布置，本期項目的光伏組件自西向東布滿水庫南側，2期項目的光伏組件自西向東布滿水庫北側。但在施工圖階段，根據光伏陣列布置情況及電纜敷設的細化方案，為保障2期項目裝機容量，對原方案布局進行了優化，將本期項目整體布置在水庫的西部及中部區域。

優化后的方案主要有3個方面的優點：1）本期項目發電設備的布置相對集中，可節約電纜成本；2）為2期項目預留出場地東部完整獨立的區域，減少集電線路干擾，保障項目裝機容量；3）本期項目光伏方陣對太陽鳥方陣形成圍合，提升寓意和視覺效果。

光伏場區規劃優化后的效果圖如圖2所示，圖中淺藍色半透明區域為2期項目預留區域。兩期全部建成后的全景鳥瞰圖如圖3所示。

3.2" 優化光伏方陣容量

本期項目光伏陣列圍繞太陽鳥方陣布置，太陽鳥方陣裝機容量為16 MW。施工圖設計階段測算發現：若將單個光伏方陣裝機容量以4 MW為主優化為以8 MW為主，則可減少檢修水道，從而大幅增加3期項目的裝機容量。本期項目若采用4 MW 1個光伏方陣為主的設計，3期項目可布置26個4 MW光伏方陣，達不到裝機容量要求；本期項目若采用8 MW 1個光伏方陣為主的設計，3期項目則可布置29個4 MW光伏方陣，基本滿足裝機容量要求。由此可見，通過優化本期項目的光伏方陣，3期項目可在預留的區域內多布置3個光伏方陣，增加12 MW的裝機容量，基本滿足設計的裝機容量。

3.3" 優化箱變布置

在光伏陣列布置時，應考慮后期檢修通道，合理布置箱變位置，規劃高壓集電線路路徑，保證光伏陣列裝機容量與所接的逆變升壓單元容量一致，減少電纜用量；同時，盡量避免電纜通道跨越航道，對檢修船行駛產生影響。箱變平臺布置時需要考慮以下3個方面：1）布置于各個光伏子陣中部或某一側中部，以減少電纜長度；2）布置在航道附近，并保證有足夠的水深，以方便檢修船通行，箱變平臺附近預留獨立空間且不占用航道寬度；3）布置在2個光伏子陣之間，共用1條航道，提高水面利用率[2]。

3.4" 光伏方陣間距應滿足極端氣候條件要求

在光伏方陣設計過程中，要求光伏方陣邊緣距離岸堤至少25 m。光伏方陣之間，東西間距應不小于20 m，南北間距應不小于40 m，避免在極端天氣條件下，光伏方陣的浮體間發生位移后引起浮體間、浮體與岸堤的碰撞。

4" 結構設計先進性

由于本項目是目前世界上單體規模最大的漂浮式光伏電站，太陽鳥方陣也是目前世界上規模最大的漂浮式光伏方陣[3]，在項目的浮體系統及錨固系統設計過程中，設計團隊經過多方案的對比分析及設計優化，形成了適用于本項目的浮體及錨固系統設計方案。

4.1" 高密度聚乙烯（HDPE）漂浮系統的適用性

針對本期項目的浮體設計方案，設計團隊對HDPE漂浮系統、發泡性聚苯乙烯（EPS）泡沫浮筒+鋁合金支架漂浮系統、不銹鋼漂浮系統3類浮體系統的環境適應性、材料物理性能、機械性能、錨固方案、產能、應用情況、第3方認證情況和造價等方面逐一進行了對比分析。HDPE漂浮系統因具有以下優勢被選為本項目的浮體方案：

1）技術成熟度高，在國內外水上漂浮式光伏電站中廣泛應用，中國大多數廠家都可以生產。

2）造價更低。相比于其他漂浮系統，HDPE漂浮系統單瓦造價低7%左右。

3）浮體單元獨立，便于個別浮體的更換和維護。

4）HDPE漂浮系統具有足夠的韌性和硬度，抗腐、防凍、防紫外線、抗老化，不受海水、化學品、藥劑、油漬及水生物的侵蝕，滿足使用壽命25年的要求[4]。

4.2" 采用混凝土錨塊基礎

對于光伏支架基礎選型，本期項目有混凝土錨塊基礎和樁基礎兩種方案[5]。根據地勘報告，水庫底部存在厚度不一的防滲層，樁基礎可能打穿防滲層，存在水庫水滲漏的風險[5]。因此，本項目采用混凝土錨塊基礎。

4.3" 超大光伏方陣錨固系統設計

在本項目建設之前，國內外水上漂浮式光伏電站設計的浮體可承載的光伏方陣的裝機容量一般為2～3 MW，方陣尺寸約為100 m×100 m。本期項目包含16 MW的超大容量的太陽鳥方陣和4 MW、8 MW的光伏方陣，項目建設后將同類工程的光伏方陣裝機容量標準提高到4 MW、8 MW量級，1個光伏方陣尺寸擴展至257 m×278 m。

太陽鳥方陣尺寸為東西向寬456 m、南北向長470 m。錨固系統設計采用化整為零的原則，通過浮體間設置連接件，將浮體方陣分化為多個小單元；除方陣外圍4邊錨固外，方陣內部下方根據需要設置縱向（南北向）4條、橫向（東西向）6條，共計10條雙向錨固帶，以確保系統穩定。

本項目的錨固系統設計極大提升了浮體方陣物理尺寸的上限，是錨固系統設計技術的一次大膽嘗試，推動了該項技術的發展。

4.4" 完善錨固系統設計技術

設計團隊對錨固系統進行了深入的調研和細節優化，完善技術并提高系統的安全性和可靠性。

4.4.1" 錨繩和錨環設計原則

在錨繩和錨環設計過程中，考慮到采用常規方案時，涂塑鋼絲繩在水中長期浸泡后，雜質（淤泥）容易進入涂塑層，導致錨繩與涂塑層接觸面過于光滑，不利于錨繩固定和受力；帶肋鋼筋錨環與錨繩接觸面長期摩擦，可能損傷錨繩；而固定錨繩螺栓采用單螺母，螺母一旦松動將導致錨繩失效。因此，結合水庫水質特點，本項目將錨繩優化為直徑為12 mm的鋼絲繩。不涂塑，錨環選用不帶肋圓鋼，錨繩固定螺栓采用雙螺母，以提高錨固系統的安全性。

4.4.2" 錨繩長度設計

在設計錨繩長度時，考慮到水庫水位常年變化，需以最高水位標高對各錨固點錨繩長度進行計算，而非采用施工時水位標高，施工人員可根據設計人員提出的本工程錨繩長度計算公式，計算公式計算所需錨繩長度。

4.4.3" 光伏組件“編織”太陽鳥非標準化光伏方陣

太陽鳥方陣是本工程最大的亮點和難點，共包括4臺箱變、64臺逆變器、35400塊光伏組件組成的1416串光伏組串，光伏支架采用12°固定傾角方案[6]。為實現太陽鳥形象的設計，本方陣所有的光伏組串、逆變器和箱變接線均是采用非標準化設計，雖然接線單元的容量相同，但敷設方式均不相同，設計人員通過光伏組件和各單元的非標準化接線“編織”出太陽鳥形象。

4.4.4" 細節體現設計先進性

1）本期工程根據浮體布置方案確定光伏組件為單排布置（如圖4所示），即每隔1排光伏組件置設1條人行通道，東西向每隔一定的距離設置檢修通道?？紤]到匯流箱、逆變器的安裝，檢修通道寬度確定為3列浮體的寬度（如圖5所示），滿足逆變器、電纜、人員檢修各設1列浮體。該方案可以避免檢修人員在檢修過程中由于穿行在電纜橋架上造成的檢修不便及人身安全風險；同時可以減少對電纜橋架的損毀。

2）本期項目光伏方陣的交流和直流電纜敷設均采用浮體固定、設置橋架的方式。高壓交流電纜采用水面漂浮敷設方式，由于高壓交流電纜往往串聯不同的光伏方陣，當光伏方陣受水流或風速影響發生位移時，高壓交流電纜往往會受到拉扯，因此有必要在長度上留有余量。同時，由于陣風影響，承載集電線路的浮體由于失穩發生傾覆的現象時有發生，應通過增加集電線路路徑的寬度，最大限度利用浮體自身寬度來抵御陣風作用。

電纜敷設應充分考慮水位變化及光伏方陣水平位移情況，采用水面漂浮敷設方式，通過設置冗余的S型路徑[7]最大限度利用浮體自身寬度的叉形連接件（如圖6所示），有效解決了集電線路的傾覆及電纜拉扯問題。

3）由于本期項目的高壓、低壓電纜均敷設于水面浮體上，高壓、低壓電纜在浮體上交叉布置時，高壓電纜穿橋架平鋪在浮體上，低壓電纜通過特制的帶傾角的橋架敷設在高壓電纜通道的上方（如圖7所示），并固定安裝，保證凈距滿足150 mm，避免了電纜交叉不滿足規范要求。

4）由于水面浮體尺寸有限，高壓電纜截面和拐彎半徑較大，在設計時，要求浮體廠家在電纜拐彎的地方增加1～2排浮體（如圖8所示），保證電纜的拐彎半徑滿足規范要求。

5）若所有浮體和箱變浮臺均由錨繩與錨塊連接固定，當光伏方陣與箱變發生位移時，會拉扯中間的電纜；同時，由于箱變位置偏高，高低壓出線位置距離水面的高度超過1 m，箱變浮臺與電纜接觸的部位會磨損電纜。通過優化箱變浮臺的電纜通道，在箱變浮臺上增加帶坡度的電纜套管和抱箍，電纜穿過箱變浮臺上的套管整齊的伸至水面中浮體上的套管內（如圖9所示），大幅減少了對電纜的拉扯和磨損，對集電線路的安全起到了重要保護作用。

6）本期項目35 kV集電線路路徑較長，部分電纜中間需增加電纜接頭，由于電纜敷設在浮體上會產生位移，因此對電纜接頭的施工技術要求比普通地面項目高，需要考慮浮體漂浮產生的拉力。為了更好的保護電纜頭，并且降低造價，設計過程中經與施工單位及浮體廠家溝通后，決定采用簡易的電纜中間接頭方案，即在帶有中間接頭的浮體上增加4根型材，用于固定電纜與接頭，并在電纜中間接頭兩側增加電纜抱箍，把抱箍固定在1根與電纜平行的型材上，如圖10所示。在上述措施的保護下，即使浮體浮動位移，也能避免電纜被拉扯，對接頭起到保護作用[8]。

4.5" 選用防水、耐腐蝕設備

針對本期項目潮濕、鹽霧腐蝕、風大、起浪等特殊環境，所選設備均具備防水、防腐蝕及耐老化能力，以確保長期穩定運行。

4.5.1" 選用雙玻光伏組件和聚氨酯電纜橋架

高溫、高濕環境是光伏組件老化的重要影響因素之一，玻璃相比于常規光伏組件背板具有更好的水汽阻隔性能，且能避免因高溫、高濕環境導致的背板黃變、老化、降解，以及封裝材料和太陽電池腐蝕等可靠性問題，能有效保證光伏組件使用壽命。雙玻光伏組件還具備更好的耐候性、抗老化性，更低的濕氣透過率，還具備抗電勢誘發衰減（PID）和抗蝸牛紋的能力[9]。

傳統的鍍鋅鋼質電纜橋架在潮濕和鹽霧腐蝕環境下易腐蝕生銹，使用壽命短，并不適用水上漂浮式光伏發電項目。因此，本期項目采用聚氨酯電纜橋架，其具有抗腐蝕、強度高、耐老化、阻燃性，能有效適應本期項目的氣候環境。

4.5.2" 水平接地網采用鍍銅扁鋼

本期項目的光伏方陣水平接地網選用耐腐蝕性高、導電性能好的鍍銅扁鋼，接地網布置于浮體上，與浮體固定，將整個光伏場區各光伏方陣四周及主要設備通道圍繞。水平接地極通過銅纜與浮體及箱變浮臺錨繩連接（如圖11所示），未額外增加垂直接地極，利用鋼制錨繩引入水中，起到泄流作用，大幅減少了接地材料并減少投資。

5" 結論

本文對目前世界上單體規模最大的水上漂浮式光伏電站——華能德州丁莊水庫光伏電站的設計思路和原則進行了詳細介紹。該項目在設計和技術創新上展現了先進性，成功應對了水上漂浮式光伏電站面臨的挑戰，如：潮濕、鹽霧腐蝕、風浪等惡劣環境因素，通過規劃設計，實現了藝術性與功能性的完美結合。不僅減少了對陸地資源的占用，而且通過所使用的材料和技術，減少了對水體的影響。本項目的設計理念和實踐經驗，為未來水上漂浮式光伏電站的建設提供了寶貴的參考。

[參考文獻]

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[9] 孫杰. 水上光伏電站應用技術與解決方案[J]. 太陽能，2017（6）：32-35.

ANALYSIS OF CONSTRUCTION DIFFICULTIES AND SOLUTIONS FOR

FLOATING PV POWER GENERATION PROJECT OF

HUANENG DEZHOU

Ma Ji，Li Zhenxing，Yang Junhu，Yan Yujing，Zhou Jianting

（China Energy Construction Group Shanxi Electric Power Survey and Design Institute Co.，LTD.，Taiyuan 030001，China）

Abstract：Most floating PV power stations both domestically and internationally are small-scale projects with simple environmental conditions，so their existing project experience is insufficient to provide reference for large-scale similar projects. This paper provides a detailed introduction to the design and implementation process of the Huaneng Dezhou Dingzhuang Reservoir PV power generation project，summarizes and extracts the design experience and key points of similar PV power stations，improves relevant design details，explores the construction difficulties of large-scale floating PV power stations，provides solutions，and verifies them. The results show that the provided solution greatly increases the upper limit of the size of floating PV arrays，reduces the impact on the water environment，saves investment costs，and provides valuable experience and reference for the future development of floating PV power stations.

Keywords：floating PV power station；PV array；construction difficulties；design key points；design details