光伏电站直流汇流电缆选型

张彦昌，石巍

(中南电力设计院，武汉市430071)

0 引言

2013年7月15日，国务院发布了《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，将光伏产业定位为我国具有国际竞争优势的战略性新兴产业，并确定装机目标为:2013—2015年，年均新增光伏发电装机容量1 000万 kW左右，到 2015年总装机容量达到3 500万kW以上。在今后数年，光伏发电仍将持续高速发展。

光伏电站直流侧汇流电缆数量庞大，造价占比较高，其年损耗电量可以占到年总发电量的0.6% ～1%。因此，为提高整个运营期的电站收益，按经济电流密度选择直流汇流电缆截面非常重要。但是，目前各设计院忽略了相关的研究，因为，现有设计规范、手册中的经济电流密度曲线均为针对常规电站交流电缆的，不适用于光伏电站直流汇流电缆。GB 50217附录B［1］给出的经济电流密度的计算又比较繁杂，故大部分设计院在进行光伏电站设计时，一般没有考虑按经济截面来选择直流汇流电缆，造成电缆截面选择偏小，电站建成后运行不经济。

本文结合光伏电站的特点，提出基于GB 50217附录B的光伏电站直流汇流电缆经济电流密度的计算方法;在此基础上，结合现有规范，给出直流汇流电缆的综合选型方法。

由于单个组件功率较小，光伏电站直流侧一般要经过多次汇流后再接到集中式大型逆变器直流侧，经逆变器逆变升压后送入电网。对采用多晶硅或单晶硅光伏组件的光伏电站，一般设置两级直流汇流，对采用薄膜光伏组件的光伏电站，一般采用三级直流汇流。由于大型薄膜光伏电站较少，国内多数大型地面光伏电站均为晶体硅组件光伏电站，其组串至一级汇流箱的电缆采用1×4 mm2的光伏专用电缆(PV1-F)。本文主要针对晶体硅组件光伏电站汇流箱至直流柜的直流电缆。

1 光伏电站直流侧电缆的型号选择及敷设方法

对于一级汇流箱至直流柜的直流电缆的选型，国内不同地区有不同的做法。但基本都遵循标准GB 50217—2007中的有关规定。

(1)绝缘类型。绝缘类型一般选用交联聚乙烯。

(2)绝缘水平。光伏组件和逆变器直流侧的最大直流电压一般为1kV，因此，直流电缆的额定电压等级选择为0.6/1kV，即极间绝缘水平为1kV，极对地绝缘水平为0.6kV。

(3)电缆护层。电缆挤塑外护层一般选用聚氯乙烯或聚乙烯(－15℃以下低温环境需选用聚乙烯);

(4)敷设方法。从一级汇流箱至二级汇流箱一般采用直埋或桥架敷设的方法。由于直埋更经济美观，以直埋敷设方式为主。对直埋电缆，电缆铠装有钢丝铠装和钢带铠装2种，它们的区别在于钢丝铠装可以抗左右位移拉力，钢带铠装可以抗垂直压力荷载。光伏电站中，地质情况比较稳定，一般情况可选用钢带铠装电缆以节约投资。

根据《光伏发电站设计规范》［2］，对直接埋设的直流电缆，可不采用阻燃电缆。但对于敷设在桥架或电缆沟中的电缆需要采用阻燃电缆。

因此，从一级汇流箱至直流柜的电缆，当采用直埋敷设时，一般采用YJV22－0.6/1kV电缆;当采用桥架或电缆沟敷设时，一般采用ZRC-YJV-0.6/1kV电缆。

2 经济电流密度计算

本文经济电流密度计算的方法主要采用GB 50217《电力工程电缆设计规范》附录B中的方法，计算中的通用参数在此不再详细介绍。

关于经济电流密度的概念、光伏电站中经济电流密度计算中τ(最大负荷损耗时间，h)和P［电价，元/(kW·h)，不含增值税］参数的取值，详见文献［3］，篇幅有限，不再重复。

需要调整的系数为Np，即每回路相线数目，由于直流电缆为两芯电缆，取Np=2，经济电流密度计算公式更新为

下面确定单位长度可变部分A的值。

YJV22－0.6/1kV型与ZRC-YJV-0.6/1kV型电缆价格如表1所示。

表1 YJV22－0.6/1kV型与ZRC-YJV-0.6/1kV型电缆价格Tab.1 Prices of YJV22－0.6/1kV and ZRC-YJV-0.6/1kV cables

以上电缆报价以铜价为5 8000元/t为前提。可变成本A计算公式为

式中:yi为单价;Si为截面积［3］。

经计算 YJV22－0.6/1kV型电缆的 A值为1 480元/(km·mm2);ZRC-YJV-0.6/1kV型电缆的A值为1 490元/(km·mm2)。

将以上所有取值分别代入公式(1)，对典型太阳能资源条件下的经济电流密度进行计算，结果如表2所示。

若电缆价格变化较大引起A值变化较大或者太阳能资源的τ值偏离设定的3个值较大，可采用公式(1)直接计算。

算得经济电流密度j后，求得电缆经济电流截面Sec=Imax/j，在选择经济电流截面时，应按“接近”原则，选出最接近 Sec的电缆截面，确定为经济电缆截面［4-11］。

3 实例应用

以西藏某40MW光伏电站为例，光伏电站光伏组件最佳倾角倾斜面上年总辐射量为211 9.8 kW·h/m2;共设置40个1MW单元。每个1MW单元共包含4 092块245 W的多晶硅组件。组件串联数N=22，每个1MW 单元布置93×2个组串，采用16进1出一级汇流箱汇流后接至二级汇流柜(直流柜)，共设置6×2个一级汇流箱(3×2个16进1出，3×2个15进1出)。

选用6进1出二级防雷汇流箱(直流配电柜)，每路额定开断电流为200 A。为保证负荷均匀，每个二级防雷汇流箱(直流配电柜)接6个一级汇流箱(3个16进1出，3个15进1出)。1MW 单元设置2台500 kW逆变器，经双分裂变升压后接入35kV集电线路。

245 W组件在STC(standard test condition)条件下的主要电气参数如表3所示。

表3245 W组件主要电气参数(STC)Tab.3 Main electric parameters of 245 W component(STC)

对直流电缆截面选择按以下几个方面考虑:

(1)载流量校验电流计算。电缆载流量校验除了需要考虑额定载流量外，还需要与回路过负荷保护配合，一般回路过负荷保护所需校验的载流量大于额定载流量，故电缆载流量校验按回路过负荷保护所需校验的载流量选定。下面分别对最大负荷电流、载流量校验电流进行计算。

根据JGJ 203—2010《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》3.3.7条规定，直流线路的额定电流应高于短路保护电器额定值，短路保护电器整定值应高于光伏方阵的标称短路电流的1.25倍［12］。因此，在电缆额定载流量校验时，额定电流应按1.25倍的短路电流选择，即169.6 A。

(2)电缆热稳定校验分析。根据 GB 50217—2007第3.7.7条，对非熔断器保护回路，按满足短路热稳定条件确定允许缆芯最小截面时，可按附录D的规定计算。故熔断器回路可不进行热稳定校验。对于一级汇流箱至配电柜直流汇流电缆，其回路类型一般为反向二极管+熔断器或断路器。按断路器回路进行校验，其回路的短路电流为135.6 A，短路持续时间为0.02 s，经计算，回路热稳定最小截面为0.14 mm2

(3)载流定截面选择。直埋电缆载流量的校正系数主要有3个，分别为土壤热阻系数、埋深处的最热月平均地温和多根并行敷设校正系数。经计算，3个系数分别为 1.1、0.81、0.86，综合取 0.766。

电缆沟敷设电缆载流量校正系数主要有2个，即环境温度校正系数、空气中单层多根并行敷设时校正系数。经计算，2个系数分别为 1.2、0.85，综合取1.02。

根据《电力工程电缆设计规范》进行电缆截面选择，选择结果如表4所示。

(4)经济截面的选择。光伏电站光伏组件最佳倾角倾斜面上年总辐射为2 119.8 kW·h/m2，则t为211 9.8 h，算得τ值为132 0 h，与表2中τ=1 050 h、P=0.983元/(kW·h)对应的j值偏离较大，重新计算得对应τ值为1 320 h、P=0.983元/(kW·h)时的j=1.46 A/mm2，根据最大负荷电流计算经济截面结果见表4。

表4 经济截面计算结果Tab.4 Results of economic section

(5)压降校验。对直流回路电缆压降按公式(3)计算:

式中:U为线路工作电压，V;Ig计算工作电流，A;L为线路长度km;R为电阻，Ω/km。

根据GB 50217—2007第3.7.1条:连接回路在最大工作电流作用下的电压降，不得超过该回路允许值。但光伏电站逆变器的MPPT(maximum power point tracking)追踪范围为450～820 V，即正常发电时，光伏组件的电压是随着环境温度、辐射强度变化的，因此，在考虑经济电流密度的前提下，对逆变器直流侧电缆压降校验意义不大，也没有标准规范可遵循。

理论上，从一级汇流箱至直流配电柜部分电缆压降差别较大。本工程1MW方阵内，最远端一级汇流箱至直流配电柜距离为100m，最近端一级汇流箱至直流配电柜距离为25m。满功率情况下，若电缆选用2×50 mm2，最远回路电压下降10.8 V，压降约为1.6%，最近回路电压下降2.7 V，压降约为0.4%，最远回路与最近回路压降差约为1.2%。若电缆选用2×95 mm2，最远回路电压下降 5.6 V，压降约为0.84%，最近回路电压下降1.4 V，压降约为0.21%，最远回路与最近回路压降相差0.63%。采用经济电流密度选出的电缆截面压降和回路间压差更小，更利于逆变器实现MPPT追踪。

集中式逆变器一般是500 kW逆变器配置1个MPPT通路。由于1MW单元内，光伏组件布置比较分散，为了实现MPPT追踪，理论上应使得每串组件到达逆变器的总压降一致，逆变器才能追踪到所有组件的最大功率点，提高发电效率。实际上这是不能实现的，在设计时，只能采用在远端选用较大截面的电缆，在近端选用较小截面的电缆，使得压降尽量小，这样可以使得逆变器的MPPT电压更好地追踪最大功率输出。

基于以上分析，从一级汇流箱至直流配电柜部分远端3个回路采用2×95 mm2电缆，近端3个回路采用2×70 mm2电缆，计算远端3个回路与近端3个回路的电缆压降平均为0.26%，小于全部采用2×95 mm2电缆的。“按经济电流密度选择截面”与“按压降选择截面”之间是矛盾的关系，建议首先以经济电流密度选择截面，然后考虑压降平衡，两者之间的主次问题，有待进一步细化研究。

4 结语

本文对直流汇流电缆的选型、影响经济电流密度计算的几个重要因素进行分析，通过计算得出光伏电站直流汇流电缆的经济电流密度。通过实例计算，对光伏电站直流汇流电缆的截面选择进行详细的介绍并选出合适的截面。本文仅对多晶硅组件光伏电站的直流汇流电缆选择进行实例计算，对薄膜组件光伏电站的选择由于篇幅限制没有论述。经验证，采用手册原有老经济电流密度曲线对比本文计算结果，相差很大。并且，由于目前没有标准规范可依，各设计院选择电缆截面一般仅根据载流量进行选择，选出的电缆截面不合理。目前光伏电站建设大规模发展，光伏电站中电缆用量庞大，电缆的截面对工程的经济运行影响较大，因此，在进行光伏电站设计时，有必要按本文思路对直流汇流电缆截面进行选择。

［1］GB 50217—2007电力工程电缆设计规范［S］.

［2］GB 50797—2012光伏发电站设计规范［S］.

［3］张彦昌，石巍，王杰，等.大型光伏电站直流经济电流密度计算［J］.电力建设，2013，34(3):50-53.

［4］马乃兵，徐缓.大型并网光伏电站运行工况分析［J］.供用电2011，28(5):33-36.

［5］田漪，孙志明，陈西海.导线经济截面及经济电流密度的优化［J］.电力建设，2008，29(2):27-29.

［6］孙珂，赵彪，韩丰，等.直流输电导线经济电流密度问题研究［J］.电网技术，2008.32(2):279-282.

［7］章坚民，章谦之，王娜，等.光伏电站电能采集系统的发电模型及参数率定［J］.电力系统自动化，2011，35(13):23-27.

［8］曹石亚，李琼慧，黄碧斌，等.光伏发电技术经济分析及发展预测［J］.中国电力，2012，45(8):64-68.

［9］DL/T 5222—2005导体和电器选择技术规定［S］.

［10］QX/T 89—2008太阳能资源评估方法［S］.

［11］GB/T 18479—2001地面用光伏(PV)发电系统概述和导则［S］.

［12］JGJ 203—2010民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范［S］.