荒漠戈壁集中式大型光伏并网电站建设工法

张保虎，姜凌宇，田智鹏

(新疆新华水电投资股份有限公司，新疆 和田 848000)



荒漠戈壁集中式大型光伏并网电站建设工法

张保虎，姜凌宇，田智鹏

(新疆新华水电投资股份有限公司，新疆 和田 848000)

国家在十三五对光伏市场的规划容量是150GW，截止2015年底我国光伏发电站累计装机容量43.18GW，开发利用太阳能资源，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡，并在向大型并网发电的方向发展。目前，对于大型光伏发电站施工技术国内外已有了相当成熟的施工方法，相关论著也较多，但对用于荒漠戈壁集中式区域化开发建设大型光伏电站施工的方法，相关文献资料却很少，文章对荒漠戈壁集中化开发采用一次规划、分步快速建设大型光伏电站的施工技术进行研究、论述。

光伏发电；大型集中式；戈壁荒漠；建设工法

1 概 述

广阔的市场容量，决定未来的潮流主导，根据《中国应对气候变化国家方案》和《可再生能源中长期发展规划》，我国将继续通过大力发展可再生能源，优化能源消费结构，到 2020年，力争使可再生能源开发利用总量在一次能源供应结构中的比重提高到15%，国家从产业政策调控，弃光限电控制在5%。

2015年，中国风电和光伏装机量较上年分别增加了28%和54%。从全球看，去年中国新增风电和光伏装机占全球新增装机的一半左右。

新疆水平表面太阳辐射总量为5000-6500MJ/m2，年平均值为5800MJ/m2，年总辐射量比同纬度地区高10%-15%，比长江中下游高15%-25%。工程年辐射总5816.92MJ/m2，年日照时数为2723.43h，属我国第二类太阳能资源区域，非常适合建设太阳能光伏发电项目。

新疆太阳能资源分布图见图1。

西部地区远离负荷中心，弃光问题一直没有很好地解决。东部地区发展光伏电站，不愁并网，但稀缺的土地资源成为制约大型光伏电站发展绕不过去的坎。随着科技的发展，“渔光互补” “水光互补”、“农光互补”等一系列光伏电站快速发展，国家整体的战略是继续发展可再生清洁能源[1]。

目前，对于大型光伏发电站施工技术国内外已有了相当成熟的施工方法，相关论著也较多。但对用于荒漠戈壁集中式区域化开发建设大型光伏电站施工的方法，相关文献资料却很少，尤其是荒漠戈壁集中化开发采用一次规划、分步快速开发的施工技术更有待于探索研究。

本工法部分内容已申请实用新型专利，申请号：201621128108.X，并在《建筑工程技术与设计》、《工程技术》杂志发表《戈壁滩大型光伏电站快速建设简述》《大型地面光伏发电项目并网建设管理经验与心得》论文。该工法已成功应用于新华水力和田墨玉一期50kW、二期130kW光伏并网发电项目。

图1 新疆太阳能资源分布图

2 工法特点

1)荒漠戈壁集中式大型光伏电站建设施工技术成功地解决了砂砾覆盖层条件下的微孔桩塌孔问题，利用改装钻机快速成孔，缩短工期。

2)光伏电站一次规划、分步快速开发与一次性开发相比，前者流程方便、适用，同时可加快工程进度、干扰因素少、有利于文明施工和环境保护、产生了较好的经济和社会效益。

3)荒漠戈壁集中式大型光伏电站光伏组件采用固定支架安装方式，减少初期的投入成本，后期维护量小，同时施工进度快。

4)该工法采用PVSYST软件对支架从各个角度进行模拟分析，确定出固定支架最佳安装倾角，最大限度提高太阳能利用率。

5)该工法根据当地经纬度，通过BIM绿色软件计算出合理的方阵间距，保证最大化利用太阳能源，走在了信息化建设光伏的前沿。

6)该工法运用BIM进行光伏电站整体规划模拟，并通过三维有限元分析各子阵区分部建设情况。

7)电站建设期间总结出一套适合南疆工程建设管理方法，既加快了施工进度、节省投资成本，又起到扶贫、维稳的作用[2]。

8)工艺适应性强，应用广泛，可系统的为同类工程的设计、施工提供参考借鉴。

9)该工艺施工技术建设工期短、投资少，建设速度国内先进，填补了国内外空白。

3 适用范围

本工法适用于太阳能资源丰富能短期快速建设并网发电的荒漠戈壁、山区等区域，应用范围广阔，经济效益明显。

4 工艺原理

利用先进的科技手段对光伏组件的间距、角度等参数进行分析论证，配合改装螺旋钻机在戈壁荒漠区域作业。集中式逆变器阵列20块光伏组件串联组成，采用2行10列排布方式。组串式逆变器阵列由22块光伏组件串联组成，采用2行11列排布方式。通过技术与经济综合比较，光伏组件选用各光伏组件组串划分的汇流区并联接线，输入防雷汇流箱经电缆接入逆变器直流侧，然后经光伏并网逆变器逆变后的三相交流电经电缆引至35kV升压变压器配电装置升压后送至110kV升压站的35kV配电室。

5 工艺流程及工艺要点

施工工艺流程见图2。

5.1 集中式大型光伏电站施工基本参数确定

5.1.1 最佳倾角

本工程光伏组件采用固定式安装，最佳倾角选择影响因素较多，如：地理位置、全年太阳辐射分布、直接辐射与散射辐射比例、负载供电要求和特定的场地条件等。据当地纬度和太阳辐射资料，利用PVSYST软件对支架倾角从各个角度进行模拟分析。

综合分析，当光伏组件方阵的最佳倾角为33°时，全年日平均太阳总辐射量最大，为1 827.1kWh/m2，发电量最高。倾角与全年日平均太阳总辐射量关系见表1。

表1 兴伏组件方阵倾角与全年日平均太阳总辐射量关系表

图2 施工工艺流程图

5.1.2BIM绿色软件计算方阵间距

在北半球，对应最大日照辐射接收量的平面朝向正南，方阵倾角确定后，要给南北向前后方阵间留出合理的间距，以免出现阴影遮挡，前后间距为：冬至日上午 9：00 到下午 3：00光伏组件之间南北方向无阴影遮挡。

计算当光伏方阵前后安装时的最小间距D，如图3所示：

图3 兴伏方阵前后安装时的量小间距

计算公式如下：

太阳高度角公式：

sina=sinfsind+cosfcosdcosw

(1)

太阳方位角公式：

sinβ=cosdsinw/cosa

(2)

式中：f为当地纬度为 37.13°；d为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为-23.45°；w为时角，上午 9:00的时角为-45°。

D=cosβ×L，L=H/tana，a=arcsin(sinfsind+cosfcosdcosw)

即：

(3)

通过计算： 光伏组件纵向两排放置，两块光伏组件之间留有 20mm的间隙，晶体硅固定支架单元倾斜面的宽为 3320mm，D≈4626mm。

考虑到场区地势坡度以及施工、检修等因素，取光伏组件方阵间距D为5216mm，即光伏方阵中心间距为8000mm。光伏组件最低点距地面距离H选取主要考虑当地最大积雪深度、当地洪水水位、 防止动物破坏及泥和沙溅上光伏组件等确定为0.5m。

5.2 微孔灌注桩施工

5.2.1 微孔桩基础成孔方式

基础采用混凝土微孔灌注桩，桩径0.25m，桩长≥1.6m，混凝土标号C35，成孔采用改装螺旋钻机，通过柴油机驱动螺旋钻杆、钻头旋转，将被切下的土料由螺旋叶片提升至地面，钻至设计深度提钻，为保证不坍塌或浮土进入，成孔后立即人孔清空、下放套管。

图4 改装钻机正在钻孔与成孔

5.2.2 微孔灌注桩浇筑

混凝土浇筑前对灌注桩孔内废渣进行清除，安装并校正钢筋笼后采用自制漏斗进行浇筑，一次浇筑成型。当地面以下灌注桩混凝土达到一定龄期后，将桩头部分凿除冲洗，经确认合格后立模浇筑地上混凝土。

5.3 光伏方阵设备安装

5.3.1 支架安装

电池组支架组装较为简单，组装前进行零部件的检验，作好记录，检验合格后投入组装。电池组件支架安装和验收用的测量器具，满足精度要求。

1)电池组件支架的安装：①支架的连接头，按施工图纸的规定步骤连接。焊缝中焊点数量、厚度和长度应进行计算确定，吊装时垫好绳扣与构件的接触部位以产生变形；②室外进行电池组件支架安装校正时，除考虑焊接变形因素外，还根据当地风力、温差等影响，采取相应的调整措施。

2)涂装：①电池组件支架涂装前对其表面进行除锈处理，除锈方法和除锈等级符合图纸要求，除锈后立即涂装，潮湿气候条件4h内完成；气候较好条件下≤12h； ②涂料、涂装遍数、涂层厚度均应符合设计要求，一般涂4-5遍，干膜总厚度>65μm，允许偏差为±25μm。

5.3.2 光伏发电单元电池组件的安装

1)电池组件运输及检查：①设备运输为台车，设备吊装、运输过程中要做好防护工作，绑扎用棉或尼龙绳索，吊带进行吊装；②装卸过程中不得倒置、倾翻、碰撞和受到剧烈的振动。应按制造厂的规定及标记装运；③设备安装前对其外观进行详细检查，设备应清洁完整、附件齐全、无锈蚀和机械损伤，组件之间连线及接线头、隔离二极管完好无损，观检无缺陷。

2)电池组件安装：①电池组件与支架连接牢固，电池组件连接孔不得出现裂纹等局部损坏，电池组接地线接地连接可靠、牢固；②电池组件之间的连线应按制造厂家的规定进行，安装时做好二极管的防护工作；③电池板安装时暴露的载流部件采用绝缘、隔离或短路措施，正确使用有绝缘保护的工具。工作人员佩戴绝缘手套和适合的防护衣物，摘除所有金属饰品；④电气的连接、短接、断开之前光伏组件阵列要完全遮光，在电缆连接过程中，预先做好防护措施，切勿拿着导电物体靠近连接器的金属件；⑤安装期间谨慎操作，避免组件碰撞、划伤、掉落，人员不可坐立于组件之上。安装只能在干燥的条件下进行，安装干燥的组件并使用干燥的工具；⑥不得在可燃气体或易爆物体附近进行安装，组件要避免过度移动或振动。在移动和组件安装过程中不要拉拽组件的电缆和接线盒[3]。

5.3.3 汇流箱及汇流盒设备安装

按装箱单清点资料、合格证、附件、备品备件，外观有无明显破损，固定螺丝、元器件、端子、线头、标签等有无脱落，结构有无裂纹。汇流箱及汇流柜安装按相关技术规范及设备供应商技术要求进行安装：

1)防雷汇流箱安装：①将防雷汇流箱按接线框图接入系统中，将防雷箱接地端与防雷地线可靠连接，连接导线尽可能短直，接地电阻值≤4Ω；接线时拧开防水端子，接入连线至保险丝插座，拧紧螺丝，固定好连线，最后拧紧外侧的防水端子，输入线用4mm2的软铜线，输出及地线用≥16mm2的软铜线;②汇流箱及汇流盒试验、验收：现场有直流电缆绝缘测试，直流断路器分合闸试验，熔断器测试，通信检查及电源检查。验收时要提交试验记录，电缆布置整齐，标识齐全正确，电缆防护管无损坏。

2)直流防雷配电柜安装：①设备基础安装：材料型号、规格符合设计，一般两点接地，屏柜型钢基础水平误差<1mm/m，全长水平误差<2mm，不直度误差<1mm/m、全长不直度误差<5mm；②设备检查安装：按装箱单清点资料、合格证、附件、螺丝、元器件、端子、线头、标签等是否齐全有无缺陷。

在设备安装前，对直流配电柜测试绝缘电阻，对直流防雷配电柜，检查盘内接线，校验表计，测试互感器。按相关技术规范逐步安装完继续进行试验。

5.3.4 光伏发电单元电气设备安装、试验

逆变器按技术规范及设备说明书进行安装,现场进行并网电流谐波试验,直流分量试验,短时中断和电压变化的抗扰度试验,过/欠压试验,过/欠频试验,恢复并网试验,过流保护试验，防反放电保护试验，极性反接保护试验，过载保护试验，自动开关机，绝缘电阻测定，绝缘强度测定[4]。

箱变采用25t汽车吊进行吊装就位。箱安装就位后调整好水平，与基础焊接固定。箱变外壳接地应牢固，按规范进行试验。

5.3.5 光伏电站电气二次部分安装与调试

5.3.5.1 通信和控制系统安装

1)盘柜安装：按照设计图纸正确逐一布置电站计算机监控设备，调整盘柜的水平度与垂直度，按照要求予以固定、盘间连接，接地线。选用2CM宽度的塑料线槽安装在盘后，安装电缆固定件。

2)电缆敷设及二次接线：

a)电缆敷设：

根据电缆敷设与走向图，编写出详细的电缆敷设计划，统计出每根电缆的型号、电压和规格，按设计和实际路径计算每根电缆的长度，以合理安排每盘电缆，减少浪费。

根据电缆敷设清册与走向图在桥架上或电缆支架上分层排放，排列整齐，不交叉，并按规范和图纸要求固定牢固。

b)电缆终端头制作与固定：

电缆终端头制作可采用专用终端头或用塑料绝缘带包扎制作。终端头制作整齐、美观。屏蔽电缆的屏蔽层采用两端接地方式接地。电缆终端头固定在盘内支架上，排列整齐。

c)电缆接线：

导线在盘内布线整齐，每根电缆的芯线单独成束绑扎，绑扎顺直，扎线颜色、间距一致。配线时，每端子芯线不超过两根，不同截面两根芯线不接同一插接端子上。备用芯线挂装号牌，标明电缆号，长度预留至盘顶，成束绑扎。强弱电回路分别成束分开排列。

d)电缆标识：

电缆牌标识与电缆接线回路号标识根据现有工艺水平采用电缆标识牌专用打印机和电缆接线回路号打印机，耗材采用配套的白色内齿圆套管和专用电缆标牌及色带。每根芯线均挂号牌，号牌上清晰标明电缆号、端子号、回路号。

e)光缆敷设与连接的特殊要求：

光缆敷设、终端制作与连接工艺严格按照技术规定进行。敷设时光缆的弯曲半径≥20倍，光缆必须从电缆盘上部放出，不得在地上拖放，不得有扭转、弯折、浪涌现象。制作时做好编号标记，完成后进行光电特性的测试[5]。

5.3.5.2 控制电源系统安装

按照设计图纸位置布置盘柜，完成盘间连接及接地。按照有关规范及技术要求及使用说明进行试验。盘柜安装完成后进行相关电缆敷设与接线，布线整齐美观，接线牢固、正确。

5.3.5.3 电话和通讯系统安装

1)电话分线盒及插座安装

将电话分线盒及插座按设计图纸安装就位，位置正确、外表清洁、固定可靠、接线正确。

2)电缆、光缆敷设：

a)根据电缆敷设与走向图，编写详细的敷设计划，统计电缆型号、电压和规格，按设计和实际路径计算每根电缆长度，合理安排每盘电缆。

b)敷设的电缆型号、电压、规格应符合设计要求。电缆敷设分层排放，排列整齐，不应交叉。敷设时从盘的上端引出，以免在支架上及地面摩擦拖拉，不得有电缆绞拧、护层折裂等机械损伤。

c)为防止损坏光缆，电缆敷设完后再进行光缆的敷设，光缆终端制作与接引在盘柜配线结束后再进行。光缆的终端制作与接引严格按照制造厂的工艺要求进行，编号标记，完成后进行光电特性的测试。

3)通信系统设备调试：

在安装督导人员指导下，依据设计图纸和技术文件的要求，对设备进行各性能和功能测试、维护功能测试以及必要的其它测试后进行设备联调。

5.3.5.4 继电保护及安全自动装置安装与调试

保护盘上继电器的外壳清洁无灰尘。玻璃应完整，嵌接良好。外壳与底座接合应紧密牢固，防尘密封应良好。保护装置的硬件配置、标注及接线等应符合图纸要求。各插件上的元器件的外观质量、焊接质量应良好，所有芯片应插紧，型号正确，芯片放置位置正确。

微机继电保护盘应将本身的专用接地铜排通过接地电缆与变电所接地系统相连，确保接地正确可靠。盘上的微机继电保护装置的接地端子均应与盘上的接地铜排相连。

查逆变电源插件的额定工作电压符合设计要求。PT、CT及其回路检查：核实其变比、容量、准确度符合要求，极性标志正确，PT、CT二次回路均应只有一个接地点，且在保护盘上。

5.3.5.5 电能计费系统及电能质量监测装置安装及试验

设备安装依照监控系统盘柜安装的技术要求。

5.3.6 线缆敷设

电缆沟开挖与回填采用PC120挖掘机进行施工。

1)电缆敷设：

a)电缆管加工敷设：按设计图纸对钢管切割下料，并除锈、刷防腐漆两遍。暗敷在混凝土中的钢管，电缆管弯制后，无裂纹和显著的凹瘪现象，弯扁程度不大于管子外径的10%,弯曲半径≧管子公称直径的10倍。

电缆管安装横平竖直，排管整齐，接地可靠。管口预留高度符合设计要求，电缆管切割使用金属锯或型材切割机进行，电缆管采用短套管连接，连接长度不小于电缆管外径的2.2倍；套管两端采用封焊。

b)电缆敷设前按设计和实际路径计算每根电缆长度，合理安排每盘电缆，准备好电缆放线架等机具。

c)电缆装卸与运输：电缆在仓库用汽车起重机装车，在现地用汽车吊卸车，电缆盘不允许平放在车上运输，严禁将电缆盘直接由车上推下，电缆在桥(支)架上排列符合设计和规范要求，排列整齐，不应交叉；电缆的拐弯半径符合国标规定要求。

d)直埋电缆的敷设要求：沟槽深≧0.9m，穿越公路采取穿管保护，上下部铺≧100mm厚的软土砂层，并加盖混凝土保护板，覆盖宽度超过电缆两侧50mm，直线段每隔50-100m处、电缆接头处、转弯处、进入建筑物等处设置明显的方位标志或标桩。

e)电缆标志牌采用矩形白色塑料标志牌，标志牌采用微电脑电缆牌专用打字机打印，注明电缆编号、电缆型号、规格及起迄地点。

f)控制电缆头制作：端头面要平齐且垂直电缆轴线，成型后为圆筒型，长度为26-28mm，直径>电缆外径2mm，电缆头高度应一致，且距最下面的一个端排一般≤20cm。

电缆头制作时缠绕的聚氯乙烯带颜色统一，缠绕密实；热缩管电缆头用统一长度热缩管加热收缩而成，电缆的直径应在所用热缩管的热缩范围之内。

g)电力电缆终端头制作：10kV-35kV及以上电压级动力电缆终端头有热缩型或冷缩型两种，制作时严格按照规范工艺制作。

电缆芯线接线端子为铜制金具，截面为芯线截面的1.2-1.5倍，电缆终端应采用加强绝缘、密封防潮及机械保护措施。

2)现场试验：

安装完毕后按照制造厂的技术文件要求和GB50150的有关规定进行如下现场试验：绝缘电阻,直流耐压试验及泄漏电流测量,检查电力电缆线路的相位，控制电缆、光缆的对线。

6 材料与设备

主要机具设备见表2。

表2 主要施工机具设备一览表

7 质量控制

7.1 健全质量保证体系措施

1)建立完善、有效的质量保证体系，严格质量责任制，坚持事前、事中、事后三控制，落实质量三级检查制度。

2)建立独立的质量检查部门和完善的现场实验室，严格按有关规范对混凝土生产过程的材料和各个环节进行必要的检查和实验，并作好质量检查记录和报表。

3)现场设专职质检员和施工技术人员，以PDCA的管理模式，严格按照质量规范规程及公司管理体系文件要求进行24h全面、全过程、全方位的三全监控。

4)实行全员质量责任制，所有涉及质量的过程均处于受控状态，有记录可追溯,质量缺陷和事故能预防、发现、追查、整改。

7.2 光伏电站施工质量控制依据

工程合同文件、设计文件、招标文件技术条款引用的规范、标准、光伏工程质量等级评定办法、设计规范、公司编制的《质量手册》等程序控制文件都是质量控制依据。

8 安全措施

为确保安全施工，维护正常施工秩序，在施工中坚决贯彻“安全第一，预防为主”的方针，坚持“管生产必须管安全”的原则，开展“三不伤害”活动，搞好各项安全防护设施，坚决治理惯性违章，做到岗位无隐患，个人无违章。

1)认真进行班前5min，施工过程中，对安全防范的关键部位进行重点检查，及时排除不安全因素和事故隐患。

2)用电设备应定期检查防雷保护、接地保护,变压器每季度测定一次绝缘强度，潮湿环境下电气设备使用前检查绝缘电阻，对不合格的线路设备要及时维修或更换，严禁带故障运行。

3)各类车辆必须处于完好状态，制动有效，不准带病运行，严禁人料混载。

9 环保措施

1)成立对应的施工环境卫生管理机构，严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章，加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生产生活垃圾、弃渣的控制和治理。

2)对施工中可能影响到的各种公共设施制定可靠的防止损坏和移位的实施措施，加强实施中的监测、应对和验证。同时，将相关方案和要求向全体施工人员详细交底。

3) 设立专用排浆沟、集浆坑，对废浆、污水进行集中，认真做好无害化处理，从根本上防止施工废浆乱流。

4)定期清运沉淀泥砂，做好泥砂、弃渣及其它工程材料运输过程中的防散落与沿途污染措施，废水除按环境卫生指标进行处理达标外。

5)优先选用先进的环保机械。对施工场地道路进行硬化，并在晴天经常对施工通行道路进行洒水，防止尘土飞扬，污染周围环境。

10 效益分析

10.1 技术效益

1)成功地解决了厚漂卵砾石覆盖地层条件下的钻孔问题，缩减了钻孔时间，同时也解决了砂砾石地面易塌孔的问题。

2)建设进度快、有利于安全、文明施工、产生了较好的经济和社会效益。

3)利用BIM等绿色信息化软件，实现可视化设计安装和最大化利用太阳能。

10.2 社会效益

1)按照火电煤耗(标准煤)326g计算，建设投运每年可节约标准煤约2.12 万t，每年可减少烟尘排放量约286.9t(除尘器效率取 99%)，NO2排放量约245.1t，CO排放量约 5.6t，CO2排放量约6.4万t，可减轻环境污染。

墨玉二期光伏项目每年可节约标煤约52809多吨；减轻排放温室效应气体CO2约140939 吨；减少排放大气污染气体SOx约 1073.5t、NOx约363.6t。

2)本工法的开发，可促进地区相关产业大力发展， 对扩大就业和发展第三产业将起到显著作用，从而带动和促进地区国民经济的全面发展和社会进步，随着政策调控，光电将成为又一大产业，为地方开辟新天地。

10.3 经济效益

墨玉一期50兆瓦光伏发电项目节约资金5371.97万元；减少了人员的投入时间，从开建到并网发电仅用时98d，为二期施工奠定了基础，二期从2015年9月11日开工建设，于2016年6月4日并网发电，成为荒漠、沙尘等恶劣条件下国内建设工期最短的大型光伏电站，为国家快速建设大型光伏发电站开创了新的思路，具有显著的科技进步意义。

[1]丁明,王伟胜,王秀丽,等.大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].中国电机工程学报，2014(01)：56-58.

[2]谢宁,罗安,陈燕东,等.大型光伏电站动态建模及谐波特性分析[J].中国电机工程学报，2013(36)：89-90.

[3]周林,张密,居秀丽,等.电网阻抗对大型并网光伏系统稳定性影响分析[J].中国电机工程学报，2013(34)：63-64.

[4]杨明,周林,张东霞,张密.考虑电网阻抗影响的大型光伏电站并网稳定性分析[J].电工技术学报，2013(09)：20.

[5]周林,晁阳,廖波,等.低压网络中并网光伏逆变器调压策略[J].电网技术，2013(09)：91-94.

1007-7596(2017)02-0113-07

2017-02-16

张保虎(1972-)，男， 新疆乌鲁木齐人，高级工程师，从事水利水电施工技术与管理工作；姜凌宇(1974-)，男，甘肃庆阳人，工程师，从事水利水电施工技术与管理工作，曾获中电建优秀科技人员称号；田智鹏(1993-)，男， 河南禹州人，助理工程师，从事水利水电施工技术与管理工作。

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