基于特殊场地的光伏并网发电系统设计

特变电工新疆新能源股份有限公司 ■ 戴晓亮 潘甲龙 张晓峰 刘丹生 买发军

陕西昕宇表面工程有限公司 ■ 毛巨朋

0 引言

2014年在全球能源消耗不断攀升，传统一次能源总量有限、开采成本不断提高的背景下，国家能源局下达2014年光伏发电年度新增建设规模14 GW的目标。同时，国务院印发了《国家新型城镇化规划》(2014～2020年)，提出要优先使用太阳能等分布式能源。这些都显示出国家在政策层面推动太阳能产业发展的愿望。

根据目前系统集成发展趋势，我们计划在屋顶、山区及风力发电场等特殊地形下，采用组串式逆变器与双绕组升压变压器集成一套实用的光伏并网发电系统。

1 项目概述

目前光伏并网发电项目中，在屋顶、山区及某些特殊地形下，方阵设计不能达到与产品型号相匹配的容量。为此，方阵设计便存在“大马拉小车”或方阵线损过大，不能满足电网经济运行的要求。

为此，我们在这些方阵设计中采用组串式逆变器与双绕组升压变压器。因为组串式逆变器容量小，且双绕组升压变压器容量选择比较灵活(200 kVA、250 kVA、315 kVA和400 kVA)。这样可根据地形选择更加合理的方阵容量来布置方阵，完成升压，就近接入高压并网点。

2 系统方案

本方案计划在特殊地形条件下采用组串式光伏并网逆变器，完成组串(20块组件为1串)直流汇流及逆变，使用室外交流汇流箱完成交流电能汇集，采用双绕组升压变压器完成系统升压，实现整个光伏系统并网发电(本次拟以1 MWp建设方案为例进行设计)。

2.1 逆变器选择

目前国内外市场流行的光伏并网逆变器，发电效率≥98%的型号主要为：10 kW、12 kW、15 kW、20 kW 、30 kW、100 kW、250 kW、500 kW及630 kW。

根据目前逆变器市场价格，1 MWp方案下选用50台20 kW组串逆变器价格最为合理。

2.2 组件选择

现今国内主流多晶硅组件为：245 Wp、250 Wp、255 Wp和265 Wp。本方案拟使用4000块多晶硅组件，容量为250 Wp。

2.3 电缆选择

本次使用的太阳电池组件为250 W，工作电压为608 V(30.4 V×20)，工作电流为8.24 A。

1)组件至汇线及至逆变器汇线电缆拟选用PV-1×4(mm2)，按发热条件选择电缆截面4 mm2，长期连接负荷允许载流量54 A，需做以下验证：

根据DL/T-5044-2004《电力工程直流系统设计技术规程》附录D要求：电缆截面应按电缆长期允许载流量和回路允许电压降两个条件选择。

250 Wp多晶硅组件峰值功率电流Ie为8.24 A，PV-1×4电缆长期允许载流量Ipc为54 A，因此，Ie< Ipc。

式中：Rac为一条直流回路在一定长度下的电阻值；L为电缆长度；S为电缆截面积；ρ为铜芯电缆电阻率。

组串至汇流箱最长线缆约长100 m，则：

250 Wp多晶硅组件峰值功率电压Ue为30.4 V，20块组件串联后U为608 V。

2)考虑到每台逆变器额定输出电流为I=20/0.4/1.732=28.87 A；交流输出电缆至交流汇流箱电缆最长为150 m。

按照《电力工程电气设计手册》电气一次部分要求，短路热稳定截面选用接近于计算值的电缆：

式中：S为线缆导体截面积，mm2；Q为短路热效应，kA2·A；C为热稳定系数。

式中：q为电缆导体的单位热容量，铜芯为3.4 J/cm2·℃；θm为短路时间内导体允许的最高温度；θp为短路发生前的电缆导体最高工作温度，℃，具体算法详见GB50217-200《电力工程电缆设计规范》附录E要求。α为20 ℃时电缆导体的电阻温度系数，1/℃，铜芯为0.00393；ρ20为20 ℃时电缆导体的电阻系数，铜芯为0.0175；K为20℃时电缆芯线的集肤效应系数，根据《电力工程电气设计手册》电气一次部分附表17-11要求，取K值为1.010；η为计入包含电缆导体充填物热容影响的校正系数，对3～10 kV电动机馈电回路宜取η=0.93，其他情况可按η=1；选取电缆型号为ZRYJV22-0.6/1 kV-4×10(mm2)，且电压降小于2%。

导体在短路时的发热量：

式中：θ0为电缆所处环境的温度最高值，℃；θH为电缆的额定负荷的电缆导体允许最高工作温度，℃；IP为电缆实际最大工作电流，A；IH为电缆的额定负荷电流，A。!

Q 值确定方式，应符合下列规定：

①对火电厂3～10 kV厂用电动机馈线回路，当机组容量为100 MW及以下时：

②对火电厂3～10 kV厂用电动机馈线回路，当机组容量大于100 MW 时，Q的表达式查阅表E.1.3-1。

③火电厂3～10 kV厂用电动机馈线外的情况：

其中：t为短路持续时间，s。

3)为保证逆变器主箱变电缆电压降小于2%且满足载流量要求，选择交流汇流箱至升压变交流电缆型号为：ZR-YJV22-0.6/1 kV-3×240(mm2)。

2.4 交流汇流箱设计方案

根据以上设备选型，得出交流汇流箱设计方案：

表1 发电系统结构图

1)选择汇流箱总出线断路器为塑壳式断路器，额定电流为350 A；

2)选择汇流进线断路器为塑壳式断路器，额定电流为50 A；

3)汇流箱按照8回进线，1回出线设计。

2.5 升压变压器设计方案

升压变压器设计方案为：

1)采用油侵式双绕组变压器；

2)容量按照1000 kVA考虑；

3)高压侧配置3只高压熔丝，低压侧安装8台额定电流为350 A塑壳断路器。

3 系统比较

3.1 配置方案比较

本方案拟通过两种1 MW方阵建设方案进行比较，对比组串式方案的优越性，见表2～3。两种方案采用相同的组件、支架。

表2 1 MW集中式逆变器建设方案配置

表3 1 MW组串式逆变器建设方案配置

通过两种方案比较，得出以下结论：

1)组串式逆变器不再采用直流汇流箱，减少系统故障点。

2)1×4 mm2光伏专用电缆用量大幅降低，只在组件到逆变器部分使用，且距离较短，降低直流系统损耗；由于这部分电缆在设计时不用埋入地下，出现故障时，更容易排查。

3)采用组串式逆变器，与集中式逆变器相比较，组件规格可根据厂家供货进行调整，可多种型号混用；且MPPT检测更加精确，延长弱光时的系统发电时间。

4)无需采用双分裂绕组变压器，只需用普通双绕组变压器即可完成升压，且变压器容量可根据方阵容量自由配置。

5)减少土建工程的工程量，无需逆变器室或逆变器基础。

3.2 经济性比较

根据表2和表3得出：除去组件及支架采购、安装量，实施1 MW方案采用组串式逆变器的造价约为128.9万元；采用集中式逆变器的造价约为156.3万元；投资成本节约27.4万元。

3.3 总体方案比较

结合上述两节参数所述，得出结论见表4。

表4 方案建设数据阶段对比表

4 结语

本文通过在特殊场地使用组串式逆变器，除发挥组串式逆变器方阵方案能灵活组织的优点外，在整体方案设计中去除直流汇流箱的使用，降低系统损耗，减少故障点；减少系统投资，进而为光伏并网发电系统集成设计提出一条新的设计思路。

[1] GB 50797-2012，光伏发电站设计规范[S].

[2] GB 50217-2007，电力工程电缆设计规范[S].

[3] GB 50054-2011，低压配电设计规范[S].

[4] DL/T 5044-2004，电力工程直流系统设计技术规程[S].

[5]《电力工程电气设计手册》-电气一次部分[S].