关于水上太阳能光伏电站电气系统设计研究

陈祖焕

摘 要： 有关水上光伏电站建设，其中关键环节之一就是电气系统设计。我国有关从业人员需应强化研究与有效应用现代化电气设计技术，以此实现水上光伏电站电气系统总体性能的完善与增强。基于此，文章将对其电气系统有关设计要点加以简要分析。

关键词： 电气系统;水上太阳能光伏电站;设计

【中图分类号】 F303.3      【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）14-0202-02

引言：纵观近些年我国光伏产业发展形势，其中水上太阳能光伏电站是最为重要的研究项目之一。通过落实水上光伏项目，一方面对光伏电站建设和土地资源需求之间存在的矛盾加以缓解，另一方面可以充分应用水域资源提高电力资源创造量。作为新兴行业代表的水上光伏电站，目前我国有关其电气系统研究较少。所以，深入研究与科学设计水上光伏电站电气系统，提升电气系统安全性与稳定性与，在水上光伏电站未来发展上发挥着重要的影响作用。

1 简析我国水上光伏电站发展情况

有关水上光伏电站，其主要指的是建设在海岸、水库、水塘以及湖泊等上面的光伏电站，以项目建设地水深等因素为基础，通常将建设形式划分为以下两类：

1.1 水深低于3m

主要以打桩架高式安装为主，具体如图1所示。

图1 打桩架高式1.2 水深高于3m

主要以漂浮式安装为主，具体如图2所示。

图2 漂浮式现阶段，我国主要以打桩架高式进行水上光伏电站建设，基于水上漂浮安装技术的进一步成熟，不断出现的新材料、工艺与技术，会进一步减少建设成本投入。水上漂浮光伏发电站是当前我国光伏发电领域研究的热点项目，其装机容量体现出逐渐增长的趋势。

2 水上光伏电站突出优势分析

（1）水塘、坍塌采煤区或者是湖泊的水面，通常周围环境相对开阔，加之组件方向一致，方便实现集中布置与管理;这部分水域表面灰尘相对较少并且清洗便捷，针对发电站保障与运维管理均十分有利。

（2）水上光伏发电站，不需要占用林地、耕地以及一般农业生产用地等宝贵土地资源，且能提升水域原有附加值。

（3）水域周围温度变化程度偏低，水体在夏季发挥的冷却效应，能对光伏组件表面升高的温度加以限制，增大发电量。

（4）发电量可以提高至7%至12%左右。其组件倾斜面形成的辐射量主要由太阳的散射、直接与反射辐射量构成而且水面太阳反射率可以达到0.6%，明显高出草地、地面等环境下的太阳反射率，据有关测试评估相比地面总辐射量，水上光伏组件大约能提高1.5%。

（5）电站可能遮蔽一定水域面积，降低水分蒸发，而且可以限制藻类繁殖生长，有助于治理水污染并提升水质环境。

（6）东部地区具有十分丰富的水资源而且电力需求巨大，水上光伏发电站的电网结构较强，通常能实现近并网消纳。

3 电气系统设计要点分析

3.1 一次设计

3.1.1 接线设计

文章以某一电气系统一次设计方案为例进行分析。其中接线设计重点包含设计光伏方阵、系统用户以及逆变器的接线。关于水上太阳能光伏电站，其中最关键的电气元件为光伏方阵，通常每一个光伏子方阵都会应用两台500kw的逆变器。在具体设计光伏方阵接线过程中，设计人员应该充分考虑升压变压器容量受到逆变器电压输出所带来的影响，应该保证电压输出始终控制在升压变压器合理范围，不然极易产生严重的安全事故。要是子光伏方阵未能达到理想的发电效率，此时可接入1000KVA变压器1台，进一步提升发电效率。有关逆變器具体接线设计，一般所采取的设计方案大致分为2种：首先，在光伏子方阵的中心位置安装逆变器，且保证每一台500kw逆变器配置逆变器室一个。采取该设计方案即使可以将逆变器自身作用价值充分发挥，可针对逆变器室与变压器具有较大的数量需求，而且水上光伏电站的大部分用地资源被占用。其次，在光伏子方阵周围安装逆变器，确保每一个逆变器室配置500kw逆变器四台。采取该设计模式针对建设成本投入需求偏低，具体逆变器室需求数量占据方案一约25%，而且可以确保光伏电站灵活性布局。基于经济视角分析，采取方案二需要逆变器室数量偏低，而且可以有效减少投资初期总额。若站在系统用电设计具体应用角度来看，双电源供电一方面可以对系统基础性用电提供保证，另一方面还可以防止断电影响系统稳定运行。关于双电源供电，其电力主要来源方向有两个，首先有其他发电站接入的电力，且借助相应的降压技术有效转化电力。其次水上光伏电站自身产出的电力资源，以内部系统自带的电力降压器下降电压至400v。通常情况，水上光伏电站带有的电源配电柜都具有良好的切换功能，而且通过此功能可以依托系统针对电力需求转换为电力供应模式。

3.1.2 电气设备

在电气系统一次设计过程中作为核心组成部分，实用性电气设备的合理选择是设计方案的关键所在。通常情况，水上太阳能光伏电站所涉及的电气设备包含如下：首先，主变压器。通过变压器是1100kv变压器，一般可以满足水上太阳能光伏电站的主要生产需求。出于保证1100kv变压器在实际应用中的可靠性与稳定性，还需要为其配置SF6断路器，而且需要将弹簧操作结果添加在断路器上。基于安全视角分析，还可以在变压器中设置通过人工操作实现的隔离开关，在应用变压器过程中更具安全性。其次，升压变压器。

通常可以选择双分裂升压变压器型号，出于满足防水有关需求，还应在一体箱式变电站中增设将升压变压器。最后，电缆。因为水上太阳能光伏电站具备其特殊性质，所以在对设备连接电缆进行选择时，一定要使用专门设计低压电缆（1kv）。通常光伏电站的电缆母线具有很高的千瓦数，所以在母线上应增设接地变压器，从而确保稳定性供电。

3.1.3 防雷接地

设计防雷接地针对水上太阳能光伏电站来讲，并不是独立存在的防雷系统，仅是通过其支架结构有效预防雷电干扰即可。在设计有关防雷措施过程中，有关设计人员应严格遵守设计标准与规格，将若干避雷设备合理安装在电缆母线上可实现有效防雷。与此同时，有关设计人员还应依据装置规格安装相应的电压保护设备，进而在雷电袭击的情况下保证电缆母线具有稳定的电压。通常在安装主变压器时会设置防雷体系，例如常见的隔离开关与防雷装置等。同样逆变器也需要相应的防雷设备，如果逆变器遭遇雷电能借助防雷设备降低由雷电所带来的电压波动。

3.2 二次设计

3.2.1 继电保护

水上太阳能光伏电站常见的继电保护具体分为下面三种：首先，保护主变压器。该部分和弦装置具体包含：电流控制、高压过流保护以及过载保护装置等。其次，保护线缆。有关设计人员应确保线缆保护装置设计的全面性，而且把差动电流作为重点对象，此外保护装置还应具有电流切断能力。与此同时，线缆保护还需结合通信技术应用，这样可以远程监控线缆电流实际情况。最后，保护变压器。例如智能断路器、熔断器都属于变压器保护设备。我们以智能断路器为例，其可以实现保护变压器流程简化，可以对电力负荷展开自动化检测，而且如果产生过高的电力负荷，可以直接中断体变压器经过的电流。除此之外，智能断路器也具备数据采集能力，可以将所采集的异常数据直接传送到控制室。

3.2.2 电源控制系统

UPS是水上太阳能光伏电站的控制电源，针对每一继电器室都要配置独立的电源控制系统。如果发生断电问题，该系统能实现对主线路持续性提供电力。

3.2.3 监控系统

某一水上太阳能光伏发电站项目建设位置是我国鄱阳湖地区，该地位于亚热带季风气候带，年均气温维持在19℃左右，年均日照时间为3000h，太阳平均总辐射量可以达到450-480×10j/cm。无论是此地的太阳日照时间还是总辐射量均符合光伏电站产出电量。该项目具体占地面积为1834亩，装机容量计划是60MW。该光伏电站项目的电气二次设计中的监控模块，具体是变电站（箱式）监控系统，在实际设计过程中，该项目具有35kv箱式变电站与配电室一共60座，每一座变电站均需要设置相应的防超负荷开关，而且保证熔断装置安装到位，这样可以及时监测与关断超负荷运行的线路。10进1出为35kv变电站接线的主要形式。对此，应该针对全部输入及输出口均设置断路器则可以达到实时控制的效果，还可以借助系统远程控制功能，全面监控变电站。关于110kv变电站当中的安全装置具体选择五防闭锁装置，依托监控系统在主控制室中顯示装置状态，而且可以通过直接操作上位机达到操作与监控110kv变电站的目的。

结束语：中国幅员辽阔蕴含丰富水资源，且具有众多的湖泊与水库，在水面进行光伏电站建设能突破土地因素对其的束缚，让光伏发电具有更广泛的应用空间。关于水上光伏电站虽然具有明显优势，可同时也存在很多问题有待于完善，尤其是漂浮式电站处在初步探索阶段，无论在实现大规模开发还是大面积开发均存在明显距离，长期处于潮湿环境的组件可靠性、电站浮台应用时间与承载能力等现实问题还需加以解决。但文章坚信，伴随电气系统设计产业技术与工艺的进一步创新，存在的问题一定会得到有效解决，从而为水上太阳能光伏电站创造更大的发展与应用空间。

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