一体式漂浮光伏发电站子方阵优化设计

协鑫集团设计研究总院 ■ 吴月仪 协鑫集团设计研究总院新能源分院 ■ 张峰

0 引言

随着化石能源储备的减少及环境污染的日益严重，绿色环保和低碳节能理念越来越受到重视，由此促进了光伏产业的兴起。近年来，由于光伏行业迅猛发展，土地资源紧缺、弃光限电、补贴不到位等已成为制约光伏持续发展的重要问题，光伏发电项目逐渐从西北向华中、华东地区，从平地向山地，从地面向水面转移。在此情况下，水面漂浮式光伏发电站成为近两年热点，即利用基台、浮台等将光伏组件漂在水上进行发电的发电站。这种方式节约了用地，同时水体在一定程度上可降低组件的温度，从而获得更高的发电量。值得一提的是，由于水面上覆盖了光伏组件，起到了减少水体蒸发的作用，对于抑制藻类的繁殖和保护水资源起到了一定作用。因组串式逆变器在电站中应用最为常见，本文主要论述一体式漂浮光伏发电站组串型逆变器的子方阵优化方案设计。

1 原方案介绍

原方案发电容量为10 MW，采用漂浮式方案。通过技术与经济综合比较，光伏组件选用多晶硅光伏组件，并网逆变器选用1 MW的集中式逆变器。

工程中光伏组件阵列由10个1 MW子系统组成。每个子系统包括1台1 MW集中式逆变器，每台逆变器并联接入192路光伏组串单元，每个组串由18块光伏组件串联组成。输入防雷汇流箱经电缆接入逆变器直流侧，然后经并网逆变器逆变后的三相交流电经电缆引至35 kV箱式升压变压器(箱式升压变电器)配电装置升压后送至220 kV开关站的35 kV配电室。箱式升压变压器与并网逆变器相邻布置。

10 MW光伏组件利用浮体连成一个11.5万m2的“大浮岛”，汇流箱放置在浮体上，汇流箱出线电缆通过浮体接到岸边的逆变器和升压站。具体总平面布置图如图1所示，现场照片如图2、图3所示。

图1 总平面布置图

图2 航拍方阵图

图3 汇流箱出线电缆(至岸边部分)

2 优化设计

原设计方案在实施过程中暴露出较多问题，如：集中式逆变器布置于岸边造成直流电缆过长、线损过大；每组串联组件数量少，造成电缆数量多；电缆无固定通道，易垂入水中。

针对以上问题，从主要设备选型角度考虑优化方案。

2.1 逆变器的选择及布置

由于原设计方案中集中式逆变器在岸边，易造成直流电缆过长、线损过大，布线困难。故优化后的逆变器选择组串式，选用华为60 kW逆变器SUN2000HA-60KTL，逆变器的主要参数详见表1。

表1 逆变器的主要参数表

逆变器的位置应根据组件实际布置情况排布，并考虑减少损耗、降低施工难度、方便后期维护、降低成本等原则。

对于组串式逆变器，需考虑逆变器散热问题，逆变器不能斜躺在浮体之上，需有专门的支架来安装逆变器；需考虑阴影遮挡问题，支架高度不宜过高，满足底部接线最低标准高度即可。因此，优化设计中将逆变器放置在浮岛一侧，尽可能减少浮体数量和线损，同时便于安全维护。图4是优化方案后1.6 MW子方阵组串式逆变器相应的布置方案。

图4 1.6 MW子方阵布置图

图5 逆变器支架图

2.2 组串设计及布线

在1500 V电压等级下，组件组串、线缆、汇流箱数量均会减少，接线安装成本等会有所降低；同时，设备的功率密度提升，体积减小，运输、维护等方面工作量也减少，有利于光伏系统的优化和成本的降低。因此，选用1500 V电压等级的系统做如下组串设计。

光伏组件串联的数量由逆变器的最高输入电压、MPPT工作电压，以及光伏组件最大耐压值确定；光伏组串并联的数量由逆变器的额定容量确定。

表2 组件各项参数

现在计算单个方阵组件的串联数量：

1)计算串联数量。光伏组件的标准测试条件为光照强度1000 W/m2、工作温度为25 ℃，在排除光伏组件工作温度修正系数的影响条件下，计算光伏组件最大串联数量Smax和最小串联数量Smin[1]为：

式中，Vmpptmax为逆变器MPPT电压最大值，V；Vmpptmin为逆变器MPPT电压最小值，V；Voc为光伏组件的开路电压，V；Vpm为光伏组件的工作电压，V。

2)输出电压验算。项目所在地的光照强度为1000 W/m2、最高温度为38 ℃，冬天日间最低组件工作温度为-9.3 ℃。考虑组件的温度修正系数，在串联20～37块组件时，此组串的最高输出电压Vmax及最低输出电压Vmin为：

式中，N为光伏组件的串联数，N取整数；Kv为光伏组件的开路电压温度系数；t为光伏组件工作条件下的极限低温，℃；t′为光伏组件工作条件下的极限高温，℃。

由于串联37块组件的最高输出电压Vmax超出逆变器最大MPPT工作电压1450 V，通过调整串联数发现，在串联33块组件时Vmax为1409 V，满足逆变器要求。

组件串联数量越大，汇流箱的数量将越少，各组串间并联用的电缆长度就会减少；又因为逆变器最大耐压为1500 V，需尽可能选取组件串联的最大数。综合光伏阵列布置、支架设计和电气设计等多方面要求，本项目采用275 W多晶硅组件32块串联，即单列组件串联个数为32块。

为了节省电缆和线损，设计采用更合理的U型走线，具体示意图如图6所示。

图6 组串接线示意图

2.3 浮体及浮体组合优化设计

针对南北通道上的用于敷设电缆的浮体数量较多、成本大，电缆容易垂在水中等问题，对浮体本身功能及各种浮体之间如何布置进行优化。

一体式浮体采用模块化设计，分主浮体、辅助浮体和连接件，组装快速、简单。主、辅助浮体采用一体式模型，无需金属支架，倾角为13°，组件可直接安装。本次方案设计对主浮体和辅助浮体增加了电缆槽。图7、图8分别为主、辅助浮体图。

图7 主浮体图

图8 辅助浮体图

浮体大布局设计采用矩形设计，主、辅助浮体之间靠连接件连接。主浮体主要是用来承载组件；无凹槽的辅助浮体作用是连接前后主浮体，有凹槽的辅助浮体主要是负责浮体左右连接，以及作为电缆通道的支撑。

为降低成本，辅助浮体采取间隔连接，既可满足浮体组合要求，又可减少浮体数量，降低成本。而对于外围浮体，考虑到防浪和后期维护的问题，需要满铺。

图9 浮体组合单元图

2.4 电缆走线优化设计

2.4.1 光伏专用电缆走线设计

目前许多漂浮项目电缆都是平铺在浮岛之上，有时甚至会跌落在水中，为了避免此类情况，本文对光伏专用电缆敷设进行了以下优化：

1)组串内部采用U型走线，两排组件南北方向跨接处采用桥架板连接，电缆穿管放置在桥架板之上，具体如图10所示。

图10 桥架板放置图

2)在主浮体高侧外延预埋螺栓，通过钢丝连接相邻主浮体的螺栓，电缆搭接固定在钢丝之上，可有效避免电缆遇水，如图11所示。

图11 两浮体之间连接钢丝图

2.4.2 逆变器电缆优化设计

逆变器电缆走线主要通过辅助浮体来完成，在有凹槽的辅助浮体上另加固定卡扣件，通过U型卡扣将汇流电缆固定，如图12所示。

图12 固定卡扣件示意图

3 结语

本文详细论述了一体式漂浮光伏发电站子方阵典型方案的设计过程，首先介绍了光伏主要设备的选型，包括光伏组件、组串逆变器、交流汇流箱、箱变、一体式浮体；其次介绍了优化设计的主体部分，包括浮体组合、组串接线、逆变器和汇流箱布置、箱变布置、电缆走线等的优化设计，由此在一定程度达到降低光伏系统成本、走线便利、设备维护方便等优势。希望通过这些经验总结，为相关行业从业者提供一定参考。

[1]刘马军.江苏常州100 MWp“渔光一体”直溪光伏发电项目可行性研究[D].北京：北京化工大学，2015.