光伏电站增容计算

马彰勋

(协鑫能源工程有限公司， 江苏 苏州 215000)

0 引 言

2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会上宣布，中国CO2排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。数据显示，能源燃烧是我国主要的CO2排放源，占全部CO2排放的88%左右，电力行业排放又约占能源行业排放的41%[2]，因此推动高耗碳发电向绿色发电转型是一个重要的发展方向。随着近年来光伏电站的快速建设，规模化可利用“优质”地面愈发紧促，根据PVsyst软件计算，在我国中纬度地区，100 MW规模级别的光伏电站有效占地愈133 hm2，高纬度地区或山地丘陵地形地区的数值将大幅增加，可见在不考虑电力接入的情况下，仅仅占地这一环节便束缚着大型地面电站的建设。经过现勘及了解发现，许多已建成电站周边尚存许多可利用地块，本文结合已投运项目，以充分利用本部分地面为基础，从技术角度进行研究、计算并形成了结论。

1 可行性及方案介绍

根据行业发展现状，在电力接入、土地以及与原设计深度契合等边界条件下，提出了一种基于已投运电站条件扩容的生产模式及计算，主要依托于四点：

1)光伏电站的设计中，考虑产品的序列性，线缆及部分电气元件的选型基本都会有一定的裕量，具备有限扩容的条件；

2)对于以往的光伏电站，容配比基本为1:1左右，但根据2020年典型地区不同容配比LCOE的计算结果，其容配比最大已至1.8：1[2]；

3)根据设计及运行数据，系统效率鲜有超过85%的项目，因此相较于核准容量，尚有15%以上的有效缺额；

4)作为组件固有属性，光致衰减(首年2%～3%，之后0.55%～0.8%)为扩容出力提供了更大的空间。

因此，条件限额扩容基本不影响电力系统的接入，兼有可利用土地的情况下，在技术上具备可行性。

面向补贴电站的增容应分系统计量并划分好产权分界，做到结构简单、计量清晰、分界明确。基于此提出3种扩容方案：

方案一，新增光伏发电方阵，含就地升压变，其出口并入原系统，接入点配置计量表计；

方案二，在原系统方阵的基础上增加光伏组件阵列，含逆变器/汇流箱，其对应出口并入原系统，接入点配置计量表计；

方案三，新增光伏发电子阵、汇集线路及接入柜(升压站内)，接入柜内配置计量表计。

考虑普适性，本文主要就方案一结合项目实例进行说明。

2 项目情况

项目地位于徐州，已于2016年实现并网。远景建设规模为20 MW，一期实际装机容量10.8427 MWp。建设35 kV开关站1座，35 kV采用单母线接线形式，包括：1回出线，2回光伏汇集线路进线，1个无功补偿间隔，1个接地变兼站用变间隔，1个PT间隔，1个计量间隔。其中无功补偿容量为5 Mvar。测控保护方面， 汇集进线断路器配置常规线路保测一体装置，35 kV出线柜至对侧配置光纤差动保测一体装置。

光伏场区配套建设9台箱变，包括1台容量为2 000 kVA的箱变和8台1 000 kVA的箱变，其通过一回35 kV集电线路以直埋敷设接入35 kV开关站，35 kV汇集线连接方式及电缆规格选择见表1。

表1 35 kV集电线路连接方式及电缆规格

3 设备核算

本项目光伏场区35 kV电缆选用两种规格：ZR-YJHLV22-26/35 kV-3×95 mm2和ZR-YJHLV22-26/35 kV-3×120 mm2，以直埋方式敷设，敷设间距不小于0.25 m，其载流量见表2。

表2 35 kV铝合金电缆载流量

电缆直埋敷设计算载流量时需考虑土壤温度校正系数、土壤热阻校正系数及并列敷设校正系数的影响[3]。根据项目地情况及电缆敷设现状，综合校正系数为

k1=k11×k12×k13[4]

(1)

式中：k11—温度校正系数，取0.96；

k12—土壤热阻系数，取0.93；

k13—并列敷设系数，取0.92。

因此，综合校正系数为0.8214， 规格为ZR-YJHLV22-26/35 kV-3×120 mm2的电缆实际载流量为197 A。考虑35 kV汇集线额定电流为165 A，可知电缆约束下，可增配的容量约为2 MW。

4 继电保护定值现状

按照新增2 MW装机容量，根据继电保护现状，方案涉及1号汇集进线和出线继保装置的定值设定。

目前1号汇集进线、出线的保护功能投、退及定值设定见表3、表4。

②过流Ⅰ段、Ⅲ段电流为投入状态，过流Ⅱ段电流为退出状态。

5 继电保护定值核定与计算

参照项目接入系统方案，按短路电流实用计算方式进行计算[5]，将新增的2 MW纳入考虑后，短路电流计算结果见表5。

5.1 汇集进线保护定制核定与计算(PSL641U部分)

5.1.1 过流I段保护

过流I段保护动作电流按避越变压器外部故障的最大短路电流计算[6]，即

Idz=Kk×Id.max

(2)

式中：Kk—可靠系数，取1.6；

Id.max—变压器外部故障的最大短路电流。

因此，增容前整定计算值为414 A，增容后整定计算值为417 A，实际整定值为450 A。可知，增容前后计算整定值相差不大，因此本部分保持不变。

5.1.2 过流III段保护

过流III段保护动作电流应与相邻的延时段或过电流保护配合整定，同时，电流定值还应躲过最大负荷电流，最大负荷电流应考虑常见运行条件下可能出线的最严重情况[7]，即：

Idz=Kk/Kf×Ifh.max

(3)

式中：Kk—可靠系数，取1.2；

Kf—返回系数，取0.95；

Ifh.max—最大负荷电流。

因此，增容前整定计算值为208 A，增容后整定计算值为250 A，实际整定值为110 A。可知，实际整定值与计算整定值不一致，经核查历史记录，存在实际运行电流为超过设定值110 A的情况，已复核调整。

5.2 出线保护定制核定与计算(NSR618RF-D02部分)

5.2.1 低压闭锁过流保护

低电压闭锁的过电流保护定值，与过电流保护计算基本一致，不同的是其最大负荷电流的计算可以不考虑负荷自启动电流。本项目无功补偿容量为5 Mvar，计算负荷电流时应按全容量投入考虑。经计算，增容前整定计算值为234 A，增容后整定计算值为271 A，实际整定值为240 A，与增容前计算基本一致，因此增容后，其值宜修整为280 A。

5.2.2 差动保护电流

差动保护动作电流应躲避合闸时的最大充电电流，并可靠躲过区外故障时的最大不平衡电流。通常按照电容电流乘以一定的系数整定(投入电容电流补偿时，取较低系数；不投时取较高系数)，一般不小于0.1～0.2In[8]。

5.3 充电功率计算

光伏站内汇集线路充电功率：

(4)

式中：C1—单位长度35 kV电缆电容，取0.146 μF/km；

L1—35 kV电缆长度。

因此，增容前计算值为0.14 Mvar(电缆长度为2.5 km)，增容后计算值为0.168 Mvar(电缆长度为3 km)。

送出线路充电功率：

(5)

式中：C2—单位长度35 kV架空线路电容，取0.905 μF/100 km；

L2—35 kV架空线路距离，取4.2 km。

因此，增容前后对应的充电电流分别为2.43，2.89 A。

5.4 区外不平衡电流

区外故障时，最大不平衡电流为

Ig=Kf×Ifh.max

(6)

式中：Kf—分流系数，取0.3；

Ifh.max—最大负荷电流。

因此，增容前整定计算值为55.5 A，增容后整定计算值为59.4 A，实际整定值为80 A。可知，增容前后计算整定值相差不大，实际整定值均满足需求。

5.5 储 能

随着以风、光为代表的新能源发电装机规模的扩大，其对于电力系统的渗透率逐渐增加。为了提升电力系统的调节能力、促进新能源的消纳和能源结构的优化调整，对于新建设的集中式风电、光伏发电应按地方要求结合项目实际情况配套建设一定容量的储能系统。

6 结论与展望

在“碳达峰、碳中和”的背景下，基于一种新的光伏电站建设模式，完成了典型增容方式下的过程计算。在该模式下，结构简单、产权清晰、功能齐备，响应了国家和行业标准对于光伏电站的最新要求，同时，在基本不增加基础设备的情况下，通过微调部分保护定值即可释放一定的产能。

截至2020年底，全国光伏发电累计装机容量约253.4 GW，其中光伏电站占比69%，约174.7 GW。一般在原建设容量的基础上扩容10%左右具有较高的可行度，按照光伏电站装机容量50%具备扩容条件的前提下，可扩容装机规模约9 GW，具有非常好的市场和社会价值。