橇装光伏浅基础在大庆油田的应用与分析

李莹

中国石油集团电能有限公司电力研究设计院

大庆油田“十四五”新能源规划中，要大规模开发光伏项目，自消纳部分的光伏项目建设主要利用油田自有土地。油田内闲置土地大部分位于中区，且呈碎片化分布。大庆油田经过60 多年的开发建设，具有地面油井密度大、地下管线错综复杂的特点，因此在光伏建设中存在地下管线调查不清、常规基础深度与已建管线冲突破坏管线的情况，也存在光伏电站建成后，油田管线穿孔维修或新建管线穿越光伏场地时，光伏设施拆建困难等问题。为解决油田井场地下管线及电缆铺设错综复杂、探明困难，桩基施工对地下管网、电缆损坏等问题，进行了橇装光伏浅基础研究，实现光伏组件和橇装支架一体化集成。

1 橇装光伏浅基础方案

光伏组件近年发展迅速，功率由250 Wp 到现阶段的600 Wp 等。本次研究采用目前市场上较成熟的550 Wp 光伏组件为研究基础，550 Wp 光伏组件参数见表1（不同厂家参数会略有不同）。

表1 组件参数Tab.1 Component parameters

1.1 逆变器

配套光伏组件用逆变器主要分为组串式、集中式两种。组串式逆变器容量为5 kW 至320 kW 之间，集中式逆变器容量为500 kW 至3 125 kW 之间。本次方案设计主要研究对象为大庆油田自消纳式分布式光伏电站，容量较小，主要探讨逆变器与光伏组件的组合关系，因此采用组串式逆变器为研究基础。组串式逆变器主要技术参数包含：最大输入电压、MPPT 电压范围、最大输入电流、MPPT数量等参数。由于规格较多，可以依据具体工程选择具体的逆变器规格型号。

根据目前市场常用的组串式逆变器类型主要分为1 100 V和1 500 V两大系统，因此本方案采用这两个参数为计算组合的基础。

1.2 光伏组件方案设计

对光伏组件进行串联方案设计[1]。根据GB 50797—2012 《光伏发电站设计规范》光伏方阵组件串联数计算公式，匹配计算取值和公式。

1.2.1 电池组件计算参数

冬季光伏组件工作温度并非当地环境历年最低温度，冬季环境最低温度一般出现在凌晨3～4 时，此时并未有太阳光出现，因此光伏组件工作时最低温度取极限值-30 ℃；夏季电池组件工作温度按当地环境最高温度，并附加组件自身发热，考虑极端情况取70 ℃[2]。

1.2.2 电池组件串并联组合计算

电池组件串并联组合计算公式为

式中：N为光伏组件串联数，N取整；Vdcmax为逆变器允许最大直流输入电压，V；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为电池组件开路电压，V；Vpm为电池组件工作电压，V；Kv为光伏组件的开路电压温度系数；K'v为光伏组件的工作电压温度系数；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，℃。

经计算1 500 V 系统选择串联26 块，1 100 V系统选择串联18 块。故本方案采用2×6 和2×10两种模型进行橇装光伏浅基础研究。

1.3 主要技术数据

（1）抗震设防烈度为6°，设计基本地震加速度值为0.05 g。

（2）风荷载：光伏支架基础设计时按50 年重现期确定基本风压，取0.55 kN/m2；地面光伏支架设计时，按25年重现期确定基本风压，取0.47 kN/m2。地面粗糙类别为B类。

（3）雪荷载：光伏支架基础设计时按50 年重现期确定基本风压，取0.30 kN/m2；光伏支架雪荷载按25年重现期确定基本雪压，取0.26 kN/m2。

（4）按照NB/T 10115—2018《光伏支架结构设计规程》 中3.1.2 条，光伏支架结构设计工作年限为25年。

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（5）按照GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》中4.0.3条，规划建设容量＜30 MWp的光伏电站，防洪标准（重现期）≥30年一遇最高水位。

（6）按照NB/T 10115—2018《光伏支架结构设计规程》中3.1.3 条，光伏支架结构安全等级为三级，按照GB 50007—2011 《建筑地基基础设计规范》第3.0.1条，地基基础设计等级为丙级。

1.4 结构方案

1.4.1 结构计算与支架形式

结构计算采用PKPMV1.4.1 作为主要计算软件进行结构计算与结果复核。

光伏组件排列采用竖向双排布置，固定倾角42°[3]，光伏组件最低点距地面1 m。为减少风压，组件与组件之间留有20 mm空隙，每榀支架由斜梁、立柱、斜撑组成[4]。在支架斜梁之间，按照光伏组件的安装宽度设置檩条，用于支撑光伏组件的重量。支架、檩条及组件均采用螺栓连接[5]。

1.4.2 荷载作用组合

光伏支架结构设计时，按承载能力极限状态计算结构和结构构件的强度、稳定性以及连接强度；按正常使用极限状态计算结构和结构构件的变形。

由于光伏板自重较小，且光伏板坡度较大，板面积雪分布系数较小，通过计算支架设计时逆风荷载起控制作用，所在地区为6度区，丁类构筑物可不进行地震作用计算。

表2 支架荷载分类Tab.2 Support load classification

表3 支架荷载标准组合Tab.3 Support load standard combination

表4 支架荷载基本组合Tab.4 Support load basic combination

1.4.3 浅基础光伏支架结构计算

光伏支架主要由立柱、斜梁、斜撑、檩条及檩托、柱间支撑、预制混凝土基础、拼接螺栓及地脚螺栓及其他安装构件拼装而成。支架由前、后2 个立柱以及斜撑支起斜梁、檩条，由斜梁、檩条托起光伏电池板，前后2个支柱与基础之间通过螺栓连接来实现。

光伏支架的主要构件，如立柱、斜梁、斜撑均为薄壁方钢管结构，采用抱箍、可调支座实现各构件位置的固定和调整。支架总成图见图1。

图1 橇装支架总成示意图Fig.1 Schematic diagram of skid-mounted support assembly

1.4.4 光伏基础设计

预制混凝土独立基础适用于地下管线敷设较密集或敷设管线的走向埋深不明，平整度较好的场地。形式为锥形混凝土支墩，埋深0.5 m，下设厚砂垫层。顶面尺寸250 mm×250 mm，通过螺栓与光伏支架连接。2×6和2×10两种橇装光伏模型见图2和图3。

图2 2×6橇装光伏模型Fig.2 2×6 skid-mounted photovoltaic model

图3 2×10橇装光伏模型Fig.3 2×10 skid-mounted photovoltaic model

2 工程实例分析

以某作业区分布式井间光伏电站为例，该区域地势平坦，但是井网密度大，地下管线错综复杂，打桩风险性较高，地下管网如图4所示。若利用此区域建设光伏电站，橇装光伏浅基础是最好的选择。

图4 光伏站址区地下管网Fig.4 Schematic diagram of underground pipeline network in the photovoltaic station site area

橇装光伏主要由光伏组件、支架、浅基础构成。本项目中光伏组件采用某组件厂的550 Wp 单晶光伏组件、某逆变器厂的300 kW 组串式逆变器和100 kW组串式逆变器，装机容量18 MWp。

采用100 kW和300 kW两种组串式逆变器，逆变器主要参数见表5。

表5 逆变器主要参数Tab.5 Inverter main parameters

本工程共采用了2×6模型和2×10模型两种组合方式。2×6 模型为2 榀支架，2×10 模型为3 榀支架。基础采用预制混凝土独立基础（图5）。

图5 工程完工实景Fig.5 Real scene pictures after the completion of the project

根据目前光伏组件常用的基础型式，以本项目的装机规模为基础进行经济对比分析（表6）。

表6 橇装光伏与常规管桩经济对比分析Tab.6 Economic comparison and analysis of skid-mounted photovoltaic and conventional pipe piles

经以上对比分析，采用橇装光伏基础预计节省工程费45万元，节省占地面积14×104m3。因本工程位于井网密集区，采用橇装光伏浅基础可减少管线探查费用175万元。若采用橇装光伏预计可节省投资共248万元。

3 结论

橇装光伏浅基础价格与5 m 管桩基础价格相近，因此针对不同的安装地点及地势等因素，建议如下：对于光伏电站现场地势较低洼、有水泡子等地形，推荐采用桩基础方案；对于地势较平坦、无低洼水泡子等，推荐采用橇装光伏浅基础方案，不影响地下埋地管线，有利于后期迁建。

按照股份公司三步走战略和油田“一稳三增”的总体部署，新能源工作在“十四五”到“十五五”期间将持续保持增长。股份公司和油田公司正在积极推进油、气、新能源三项业务快速发展。橇装光伏浅基础在油田的推广应用，可以有效减少管线、线缆的破坏，降低用地成本，提高光伏装机容量，具有良好的经济效益，对提高油田开发盈利能力、提质增效、高质量发展具有重要的意义[6]。