大规模并网光伏电站逆变器室供电方案探讨

郭延军，王少波，何震

（上海环保工程成套有限公司，上海 200070）

大规模并网光伏电站逆变器室供电方案探讨

郭延军，王少波，何震

（上海环保工程成套有限公司，上海 200070）

该研究以内蒙古巴彦淖尔市某30 MW光伏电站为研究对象，针对大规模并网光伏电站占地面积大、逆变器室布局分散的特点，从技术和经济的角度对这3种供电方案进行了对比分析，得出了分散供电方案更适用的结论。

大规模并网光伏电站；逆变器室；集中供电；分散供电

近年来，随着国家对光伏新能源行业的大力支持，尤其是2009年“金太阳示范工程”的实施，国内目前已建成一批大规模集中式光伏电站[1]。此类电站的容量一般在8 MW以上，占地面积较大，电站内可划分为升压站（开关站）和光伏场区两大部分。

光伏场区中，除光伏组件、支架和汇流箱外，以并网逆变器为核心的电气设备均可放于室内，光伏电站中可简称该室为逆变器室。此外，还可将就地升压变压器及配套的高、低压开关柜做成一个整体的箱式变电站[2]（以下简称“箱变”）放在逆变器室旁。

目前，为逆变器室及周边电气设备提供辅助电源的方案有以下3种：1）全场集中供电；2）区域性集中供电；3）就地分散供电。其中，前两种为集中供电方式[3]，既可提供光伏自发电又可提供公用电网的电（或简称“市电”），第三种方案则只能提供光伏自发电。

自2013年8月起，大规模光伏电站均施行上网电价补贴政策[4]，各类地区的光伏上网电价均高于市电价格。因此为逆变器室供电时，采用集中供电还是分散供电，将直接影响到电站的投资和运维成本。

1 供电方案浅析

对于将逆变器输出电压直接升至10 kV或35 kV并网的一级升压光伏电站，无需设置升压站，仅设开关站即可。对于先将逆变器输出电压升至10 kV或35 kV，经集电线路[5]汇集后再升压至110 kV及以上电压等级并网的二级升压光伏电站[6]，还需设置专门的升压站。

无论升压站还是开关站，均属于光伏电站的枢纽区域，为确保该区域的供电可靠性，需在中心配电房内设置400 V双电源切换柜，其输入分别来自2台配电变压器（简称“站用变”）。其中一台取自光伏自发的10 kV或35 kV母线，另一台取自附近的10 kV或35 kV市电，该变压器可在项目建设期间提供施工电源。

本研究的对象——内蒙古巴彦淖尔市某30 MW光伏电站占地面积约1 100亩，内设一座35 kV开关站，电气一次采用单母线方案。光伏场区共有30个分散的逆变器室和配套的欧式箱变（内置干式变压器），光伏自发电经3条35 kV/10 MW集电线路汇集至35 kV开关站，最终以35 kV并网。

1.1 全场集中供电

全场集中供电是指从中心配电房内的400 V馈线柜敷设电缆至各分散的逆变器室，通过站用变向各逆变器室供电[7]，如图1所示。

图1 全场集中供电方案Fig.1 Overall scheme of centralized power supply

1.2 区域集中供电

根据逆变器室的分布特点，将全场的30个逆变器室划分为3个区域，然后在各区域的某个逆变器室内设置一台配电变压器[8]，此变压器为该区域的10个逆变器室供电。由于市电价格低于光伏自发电，故选用市电作为辅助电源，如图2所示。

图2 区域集中供电方案Fig.2 Regional centralized power supply scheme

1.3 分散供电

分散供电是指在每个逆变器室旁的箱变内设一台小容量配电变压器，该变压器仅为本区域供电，箱变的系统原理图如图3所示。

图3 箱变系统原理图Fig.3 System schematic of the box-type substation

2 方案比较

本研究将从初始投资、运行费用、供电质量与可靠性、检修调试4个方面对3种供电方案进行比较。

2.1 初始投资

初始投资主要包括配电线路、配电变压器、开关设备3方面的投资。

2.1.1 线路投资

全场集中供电时，为减小投资，配电线路不宜采用放射式或环网式，而是选用较为经济的树干式接线方案[9]。

经核算各逆变器室区域的负荷需求，并考虑后期为小型电焊机等设备提供检修电源，每个逆变器室的视在计算负荷按10 kV·A考虑。若采用0.4 kV为各逆变器室单独供电，则线路的计算电流为

若单条配电线路上的10个逆变器室同时满负荷，则中心配电房至第1个逆变器室的干线计算电流为14.4 A×10=144 A。考虑负荷同时率，选用YJY23-0.6/1-3×50+35电缆即可满足要求。为简洁起见，下面提到的低压电缆中省去“YJY23-0.6/1”。

根据树干式供电方案的特点，接下来各逆变器室之间的电缆截面可酌情减小。同时，为减小线路压降和降低线损，在满足载流量的前提下，电缆截面不宜过小。单条配电线路的敷设路径如图4所示，电缆敷设时，与35 kV集电线路同沟直埋即可。

图4 树干式电缆敷设路径Fig.4 Cabling schematic diagram of trunk topology

表1 配电线路投资统计Tab.1 Investment statistics of the distribution line

区域集中供电时，需从开关站敷设10 kV电缆至区域配电变压器，由于供电半径缩小，低压电缆可选用3×35+25、3×25+16和3×16+10 3种规格。由于选择最短路径，10 kV及0.4 kV配电线路均不再与35 kV集电线路同沟敷设，需采用铺砂盖砖方式直埋，电缆敷设路径可参见图4，此处不再复述。

若分散供电，三相负载可选用4×2.5电缆，单相负载可选用2×2.5电缆，线缆沿预留管道敷设。

综上可知，3种配电线路的投资比较见表1。

2.1.2 变压器投资

3种方案的变压器投资对比见表2。

2.1.3 开关设备投资

3种供电方案的低压开关设备投资相差不大，区域集中供电还需增加一台10 kV开关柜，价格约8万元。

2.2 运行费用

运行费用主要包含两部分：1）逆变器室及配套箱变散热风机的运行电费；2）变压器、线路的损耗电费。

表2 配电变压器投资Tab.2 Investment in distribution transformers

2.2.1 风机运行费用

逆变器室区域的主要耗电设备是散热风机（均可根据温度情况自动启停），其他电气设备的耗电量较小，可忽略不计。考虑阴雨天和冬季等气候影响后，各类风机的耗电量统计见表3。

表3 散热风机耗电量统计Tab.3 Statistics on energy consumption of cooling fans

由表3可知，30个逆变器室在25年运行周期内的总耗电量为25×30×2 448=1 836 000 kW·h。此外，该光伏电站采用的是内置干式变压器的欧式箱变，如采用内置油浸式变压器的美式箱变，还可省去箱变的散热风机耗电量。

折算到电费时，市电价格约0.6元/kW·h，光伏自发电为1元/kW·h（含税价），可认为市电比光伏自发电便宜0.3元/kW·h，则集中供电比分散供电在运行电费方面可节省0.3×1 836 000=55.1万元。

2.2.2 变压器损耗费用

变压器的有功功率损耗为

式中：ΔPT、ΔP0、ΔPs分别为变压器的有功功率损耗、空载有功损耗、负载有功损耗；Sj、Se分别为变压器的视在计算负荷和视在额定容量。

变压器的空载、负载有功损耗基本上与变压器的额定容量成正比[10]，3种方案的变压器额定视在总容量∑Se均为300 kV·A，可认为∑ΔP0、∑ΔPs相差不大。另外，无论集中还是分散供电，光伏场区用电设备的总视在计算负荷∑Sj相同，由式（2）可知，3种方案的变压器有功功率损耗∑ΔPT相差不大。

2.2.3 线路损耗费用

配电线路的有功损耗为

式中：ΔPl为线路的有功损耗；Ij为线路的计算电流；R为电缆的交流电阻，R=r0l，其中r0为电缆单位长度的交流电阻，与电缆的截面成反比，l为电缆的长度。

由式（3）可知，线路有功损耗与线路计算电流的平方成正比，与线路长度成正比，与电缆截面成反比。

集中供电时，电缆截面较大，但线路较长且电流较大；分散供电时，电缆截面较小，但线路较短且电流较小。

另外，由于全场和区域集中供电均采用了树干式供电，其分支上的三相负载不平衡几率较大，进而导致三相四线制供电的中性线上电流增大，加大了线损。

综上可知，集中供电时的线路损耗大于分散供电。经粗略估算，25年内集中供电的线损费用比分散供电多约5万元。

通过以上分析，可得出3种供电方案的综合费用比较，如表4所示。

表4 3种供电方案费用对比Tab.4 Cost comparison of the three power supply schemes

由表4可知，全场集中供电的综合费用比分散供电多约63+5+5-1.5-55.1=16.4万元，区域集中供电的投资比分散供电多约52.5+8+5-1.5-55.1=8.9万。另外，此费用方面尚未考虑电站25年寿命期间的通货膨胀率，如考虑后，分散供电的投资优势更加明显。

2.3 供电质量与可靠性

2.3.1 供电质量

配电线路的电压降为

式中：ΔU为线路电压降；P、Q为线路传输的有功、无功功率；R、X为线路的电阻和电抗。

对树干式供电而言，干线上传输的有功和无功功率较大且线路最长，因此全场集中供电方案的电压降最大，区域集中供电方案采用的是放射式和树干式结合的供电方式且线路较短，电压降次之；分散供电的线路传输功率小，供电半径短，因此电压降最小。

2.3.2 供电可靠性

树干式供电的可靠性较差，干线上任一处发生故障，都会跳低压总出口开关，导致整条供电线路失电；同时，由于线路较长，故障点的定位和排除难度增大，供电恢复时间较长。

分散供电时，线路发生故障仅影响该逆变器室区域，其他区域可照常运行，从而有效缩小了故障范围并减少了发电量损失。

2.3.3 供电持续性

大规模光伏电站一般地处偏僻，附近的公用电网多属农网改造线路，其可靠性不如光伏电站的专用中、高压并网线路。同时，为使并网逆变器每天清晨能自动并网且避免频繁投切高压开关，无论发电与否，均要求就地升压变压器处于运行状态[11]。因此，只要箱变投运，其内的配电变压器就可从10 kV或35 kV集电线路倒取电，因此分散供电方案的供电持续性较高。

综上可知，分散供电的供电质量和可靠性均优于集中供电。

2.4 检修调试便利性

逆变器室配套的箱变投运前或检修停运时，无法就地分散供电。相比之下，采用市电进行集中供电有利于设备的检修、调试。但对分散供电而言，可在逆变器室和箱变内加配UPS以弥补辅助电源暂时无法获取的不足。

2.5 方案比较结论

经以上分析可知，无论在经济性还是供电性能方面，分散供电方案最优，区域集中供电次之，全场集中供电最差。

3 结论

本研究从技术经济角度对3种逆变器室供电方案进行了详细的对比分析，指出分散供电更适用于大规模光伏电站。由于本研究仅以内蒙古巴彦淖尔市某30 MW光伏电站为研究对象，并未考虑到国内其他大规模光伏电站的情况差异性，供电方案的一些技术细节仍需探索。

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Discussions on Power Supply Scheme of Inverter Chamber in Large-Scale Grid-Connected Photovoltaic Power Plant

GUO Yanjun，WANG Shaobo，HE Zhen
（Shanghai Environment Protection Co-Plant Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200070，China）

With a 30 MW photovoltaic power plant in Bayannur of Inner Mongolia as the research object，and considering the fact that large-scale photovoltaic power plant covers large area and the layout of the inverter room is disperse，this paper makes comparisons of the three schemes from technical and economic perspectives，and obtains the conclusion that distributed power supply is the most suitable scheme.

large-scale grid-connected photovoltaic power plant；inverter chamber；centralized power supply；distributed power supply

2015-12-10。

郭延军（1984—），男，硕士，工程师，主要从事光伏发电及并网技术研究。

（编辑 徐花荣）

1674-3814（2016）05-0118-05

TM615

A

上海市优秀技术带头人计划项目（16XD1421300）。

Project Supported by Project of Shanghai Outstanding Technical Leader（16XD1421300）.