光伏电站阵列内电缆损耗分析

陈祥，汪玉华

(中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，昆明 650011)

光伏电站阵列内电缆损耗分析

陈祥，汪玉华

(中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，昆明 650011)

针对目前国内光伏阵列的设计的多样性，对整理其电缆设计的模型，应用经典公式对电缆的损耗进行了计算分析。依据各方案的分析结论，进一步得出对类似工程建设具有借鉴意义的电缆损耗参考值。

光伏阵列；电缆损耗；光伏电站效率

0 前言

2013年我国光伏电站新增装机位列世界第一[1]，大型光伏电站列阵设计方案主要采用集中式逆变器、分布式逆变器两种方案。前者国内惯用采用两级汇流的方式：光伏组串经汇流箱的一次汇流后，再汇流至直流配电柜 (或逆变器内直流侧)。后者采用两级 (三级)回流方式：光伏组串回流至分布式逆变器，再汇流至交流母线(或经交流汇流箱三级汇流至交流母线)。

目前，纵观国内外尚缺乏对上述两种方案中阵列内电缆损耗的定量分析。因此，本文首先对集中式逆变器方案的不同回路数的汇流箱进行电缆损耗计算分析。再对两种方案在一次汇流回路数相同的情况下进行对比分析。最后得出各方案的分析结论。

1 光伏方阵损耗分析

光伏电站方阵效率为：

光伏组件可认为是电流源，同时：

同时考虑到ΔU=UΔU(%)

结合上式，得出

故，光伏电站方阵效率即转化为压降计算。

2 集中式逆变器电缆电压降计算

根据 《电气设计一次手册》中提供的直流、交流电缆压降公式[2]分别为式3、式4：

式中：

ΔU：直流电压压降百分比 (%)

Ig：电流 (A)

L：电缆长度 (km)

R：直流电缆电阻 (Ω/km)

r：交流电缆电阻 (Ω/km)

x：交流电缆电抗 (Ω/km)

φ：功率因素，本文逆变器出口交流电源的cosφ取1。

上述参数中：电流、长度、电压均可根据电池板参数确定，电缆电阻则可根据国标 《电缆的导体》 (GB/T 3956-2008)[3]中查得，基于上述数据即可完成电缆的压降计算。

当环境的温度、辐射值发生变化，光伏组件的工作电压、电流随之变化。最终将引起光伏方阵内电缆压降的变化。为简化计算模型，本文取光伏组件为稳定电流源，即光伏组件的工作电压恒定，仅工作电流随环境参数变化。

本文对单位MWp光伏阵列进行计算分析，其模型取值如下：

光伏阵列所处纬度：23°；光伏组件为60片多晶硅250 W 组件，其中 Vmppt=30.7 V，Imppt= 8.15 A；组串数采用22，组串并联数182回；组件至汇流箱电缆采用1×4 mm2；汇流箱采用8、16回路汇流箱，对应数量取24、12台，汇流箱出线电缆截面相应采用1×35 mm2、1×70 mm2；

基于上述模型，针对理论方阵 (地面坡度为0度)：首先绘制出单位MWp光伏阵列的布置图，再分别布置8、16回路的汇流箱，测量各段电缆的长度；针对山地方阵：其电缆长度采用云南某山地工程的实际敷设值。

最后结合式1～4、表1分别计算理论方阵、实际工程计算电缆损耗占比，计算结果分析得出：

1)理论状态下，采用何种汇流箱，当计算口径一致时，其理论损耗与汇流箱的选择差异不大，考虑到电缆参数的特性，可认为其理论损耗在各种状态下一致。

2)实地状态下，电缆的连接长度在复杂地形条件下大幅增加，因此，相比于理论状态下，电缆损耗大幅增加，同时。由于多回路汇流箱的涉及组串数多，16回路汇流箱电缆损耗明显大于8回路的电缆损耗，当电流值为8.15 A时，前者损耗占比高于后者2.63%。

3 分布式逆变器电缆电压降计算

近年来，随国内大量光伏电站的建设。为适应地形起伏较大、分布式屋顶光伏系统的发展。在一些MWp级的光伏电站中，越来越多的分布式逆变器投入到建设中。两类逆变器方案在不同的文献中结论存在差异，本文将通过上述方法，在一级汇流前采用相同的汇流数，以完成相应分析。电站模型分别如下：

3.1 集中式逆变器单位

光伏阵列所处纬度：23°；光伏组件为60片多晶硅250 W 组件，其中 Vmppt=30.7 V，Imppt= 8.15 A；组串数采用22，组串并联数182回；组件至汇流箱电缆采用1×4 mm2；汇流箱采用6回路汇流箱，对应数量取32台，汇流箱出线电缆截面分别采用1×25 mm2、1×35 mm2；

3.2 分布式逆变器单位

光伏阵列所处纬度：23°；光伏组件为60片多晶硅250 W组件，其中Vmppt=30.7V，Imppt=8.15 A；组串数采用20，组串并联数200回；组件至分布式逆变器电缆采用1×4 mm2；逆变器采用28 kW，其中Vmppt=480～800 V，36台，每个逆变器接入6回组串；逆变器出口电缆：4×16 mm2；交流汇流箱：6回路，6台；交流汇流箱出口电缆：3×95 mm2+1×50 mm2。计算结果分析得出：

1)采用集中式逆变器，结合表2、表3，当汇流箱由8回路变为6回路时，当接近满负荷时，光伏方阵电缆损耗基本相同，当负荷较低时 (低电流)，根据对中间过程数据的分析，认为此时的因一级汇流的电缆短，故压降低，使得低负荷时其电缆损耗较低。与表2的分析结论一基本一致；

2)采用集中式逆变器，当汇流箱出线电缆由25 mm2增加至35 mm2时，因电缆电阻降低，光伏方阵电缆损耗下降较明显；

3)低负荷时分布式逆变器的损耗高于集中式逆变器；高负荷时分布式逆变器的损耗接近集中式逆变器。

4)上述表2中三个方案的铜耗量 (铜密度按照8.9 t/m3计算)分别为：1 t、1.35 t、1.33 t。可以看出，当汇流箱出线电缆采用35 mm2时，集中式逆变器方案与分布式逆变器方案的电缆损耗基本一致，此时铜耗基本一致。

4 结束语

1)理论状态下，采用何种汇流箱，其理论损耗与汇流箱回路数的选择差异不大。

2)采用集中式逆变器、分布式逆变器时，当各方案的铜耗一致时，方阵的电缆损耗基本一致。

3)本文因未考虑两种逆变器本体效率、可靠性等因素。因此对两种逆变器的方阵整体损耗不做分析。

[1] Renewable Energy Policy.RENEWABLES 2014 GLOBAL STATUS REPORT [M] . REN21 Secretariatc/o UNEP，2014.

[2] 水利电力部西北电力设计院.电气设计一次手册 [M].中国电力出版社，1986.

[3] GB/T 3956-2008.电缆的导体 [S].

Analysis of Cable’s Energy Loss in PV Array

CHEN Xiang，WANG Yuhua
(Yunnan Electric Power Design Institute，Kunming 650011，China)

For the reason of design diversity in the PV Array，Firstly，we established the model of cable’s energy loss，Secondly，Base on the calculated result in classical formula，we figured out the reference values of cable’s energy loss in respective projects.

PV Array；cable’s energy loss；efficiency of PV power station

TK615

B

1006-7345(2015)05-0027-02

2015-02-04

陈祥 (1980)，男，硕士，高级工程师，中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，从事电站设计、研究工作 (email) skiecx＠126.com

汪玉华 (1962)，男，高级工程师，云南省电力设计院，从事电站设计、研究工作 (email)ynpdwyh＠sina.com