浅谈光伏电站电缆成本对比

程 锐，周 强，王绍春

(协鑫能源工程有限公司，苏州 215000)

0 引言

中国为实现碳达峰、碳中和目标，“十四五”期间光伏发电等新能源发电项目将迎来倍速增长。光伏发电属于重要的可再生能源利用方式，符合国家产业政策和可持续发展战略。在光伏电站建设过程中，光伏发电设备、电气配套设备等的发展已十分成熟，电缆市场价格也已非常透明，目前只有电缆部分和基础土建部分的成本尚不确定。基础土建部分的成本与项目所在地的地质条件和业主要求有关，而电缆部分的成本则与设计方案有关，设计方案不同，电缆用量则不同[1-3]。本文从设备布置位置和电缆敷设方式的角度对地面光伏电站和分布式光伏电站的光伏方阵设计方案进行对比，并以某风光互补型光伏电站为例，对电缆实际敷设过程中的影响因素及施工管理进行分析。

1 不同类型光伏电站的设计方案对比

本文通过合理布置逆变器(或箱逆变一体机)、直流汇流箱等设备的位置，使电缆按最节约用量的方式进行敷设；然后根据不同材质电缆的用量进行不同敷设方式下的经济性对比分析，得出最优的设计方案。这样不仅可以降低光伏电站全生命周期内的平准化度电成本(LCOE)，还可以大幅提高光伏电站专业施工布线软件的出图效率，降低人为误差。

1.1 地面光伏电站的设计方案对比

采用光伏场区优化布线软件(下文简称为“布线软件”)，根据设备的不同选型及布置位置，对光伏电站中的光伏方阵进行设计。

1.1.1 采用箱逆变一体机时的方案

以某地面光伏电站的单个光伏方阵为例，其装机容量为3.5152 MW，采用400 W的单晶硅光伏组件、“16汇1”的直流汇流箱及3125 kW的箱逆变一体机。

在箱逆变一体机布置位置确定的前提下，从电缆敷设经济性、施工及运维便利性等方面综合考虑，得到两种直流汇流箱布置位置和电缆敷设方式的方案(即方案1 和方案2)，然后进行对比分析。

方案1 和方案2 中直流汇流箱布置位置和电缆敷设方式如图1 所示。图中：蓝色长方形代表光伏组件；绿色方块代表箱逆变一体机；黄色线段代表电缆敷设路径；黄色线段终端为直流汇流箱的安装位置。

图1 方案1 和方案2 中直流汇流箱布置位置和电缆敷设方式Fig.1 Layout position and cable laying method of DC combiner box in scheme 1 and scheme 2

在上述两种方案下，对单个光伏方阵分别采用不同类型电缆时的单瓦电缆成本进行对比。当采用铜芯电缆时，两种方案下的光伏方阵单瓦电缆成本对比如表1 所示。需要说明的是，本文提供的所有电缆价格均为项目设计时的询比价，仅供参考。

表1 当采用铜芯电缆时，方案1 和方案2 下的光伏方阵单瓦电缆成本对比Table 1 When using copper core cables，per watt cables cost comparison of PV array under scheme 1 and scheme 2

从表1 可以看出：当采用铜芯电缆时，方案2 下的光伏方阵单瓦电缆成本比方案1 下的低，即方案2＜方案1。

当采用铝合金芯电缆时，两种方案下的光伏方阵单瓦电缆成本对比如表2 所示。

表2 当采用铝合金芯电缆时，方案1 和方案2 下的光伏方阵单瓦电缆成本对比Table 2 When using aluminum core cables，per watt cables cost comparison of PV array under scheme 1 and scheme 2

从表2 可以看出：当采用铝合金芯电缆时，方案1 下的光伏方阵单瓦电缆成本比方案2 下的低，即方案1＜方案2。

1.1.2 采用组串式逆变器时的方案

以某个地面光伏电站的单个光伏方阵为例，其装机容量为3.5152 MW，采用400 W 的单晶硅光伏组件、“18 进1 出”的175 kW 组串式逆变器。

在箱式变压器位置确定的前提下，从电缆敷设经济性、施工及运维便利性等方面综合考虑，得到两种组串式逆变器布置位置和电缆敷设方式的方案(即方案3 和方案4)，然后进行对比分析。

方案3 和方案4 中组串式逆变器布置位置和电缆敷设方式如图2 所示。图中：青绿色长方形代表光伏组件；绿色大方块代表箱式变压器；黄色线段代表电缆敷设路径；黄色线段终端为组串式逆变器安装位置。

图2 方案3 和方案4 中组串式逆变器布置位置和电缆敷设方式Fig.2 Arrangement position and cable laying method of string inverter in scheme 3 and scheme 4

在上述两种方案下，对单个光伏方阵分别采用不同类型电缆时的单瓦电缆成本进行对比。当采用铜芯电缆时，方案3 和方案4 下的光伏方阵单瓦电缆成本对比如表3 所示。

表3 当采用铜芯电缆时，方案3 和方案4 下的光伏方阵单瓦电缆成本对比Table 3 When using copper core cables，per watt cables cost comparison of PV array under scheme 3 and scheme 4

从表3 可以看出：当采用铜芯电缆时，方案4 下的光伏方阵单瓦电缆成本比方案3 下的低，即方案4＜方案3。

当采用铝合金芯电缆时，方案3 和方案4 下的光伏方阵单瓦电缆成本对比如表4 所示。

表4 当采用铝合金芯电缆时，方案3 和方案4 下的光伏方阵单瓦电缆成本对比Table 4 When using aluminum core cables，per watt cables cost comparison of PV array under scheme 3 and scheme 4

从表4 可以看出：当采用铝合金芯电缆时，方案3 下的光伏方阵单瓦电缆成本比方案4 下的低，即方案3＜方案4。

1.1.3 不同方案下的电缆成本对比

对上述4 种方案下光伏方阵单瓦电缆成本进行对比，得到使用箱逆变一体机或组串式逆变器情况下，分别采用铜芯电缆和铝合金芯电缆时的较优成本，结果如表5 所示。

表5 不同方案下的较优电缆成本对比结果Table 5 Comparison results of optimal cable costs under different schemes

由表5 可知：对于单个光伏方阵而言，无论是使用铜芯电缆还是铝合金芯电缆，采用箱逆变一体机时的单瓦电缆成本均优于采用组串式逆变器时的单瓦电缆成本。该结论可为今后光伏发电项目在设备选型及设备安装位置方面提供指导和设计参考。

1.2 分布式光伏电站的设计方案对比

当工程师初次接触到分布式光伏发电项目时，其需要根据项目实际情况进行设计。通过合理布置光伏组件、光伏支架、逆变器等设备的位置，使电缆按最节约用量的方式进行敷设；然后根据不同材质电缆的用量进行不同敷设方式下的经济性对比分析，得出最优的设计方案。

以某个屋顶分布式光伏电站为例，其装机容量为800 kW，采用330 W 的多晶硅光伏组件、100 kW 的组串式逆变器。在并网接入点确定的前提下，从电缆敷设经济性、施工及运维便利性等方面综合考虑，得到两种组串式逆变器布置位置和电缆敷设方式的方案(即方案5 和方案6)，然后进行对比分析。

方案5 和方案6 中组串式逆变器布置位置和电缆敷设方式如图3 所示，方案5 为组串式逆变器分散式排布，方案6 为组串式逆变器集中式排布。图中：蓝色长方形代表光伏组件；黄色线段代表电缆敷设路径；白色方框代表组串式逆变器。

图3 方案5 和方案6 中组串式逆变器布置位置和电缆敷设方式Fig.3 Arrangement position and cable laying method of string inverter in scheme 5 and scheme 6

在上述两种方案下，对该屋顶分布式光伏电站分别采用不同类型电缆时的单瓦电缆成本进行对比。当采用铜芯电缆时，方案5 和方案6 下的光伏电站单瓦电缆成本对比如表6 所示。

表6 当采用铜芯电缆时，方案5 和方案6 下的光伏电站单瓦电缆成本对比Table 6 When using copper core cables，per watt cables cost comparison of PV power station under scheme 5 and scheme 6

从表6 可以看出：当采用铜芯电缆时，方案6 下的光伏电站单瓦电缆成本比方案5 下的低，即方案6＜方案5。

当采用铝合金芯电缆时，方案5 和方案6 下的光伏电站单瓦电缆成本对比如表7 所示。

从表7 可以看出：当采用铝合金芯电缆时，方案5 下的光伏电站单瓦电缆成本比方案6 下的低，即方案5＜方案6。

结合图3、表6、表7 可知：当采用铜芯电缆时，组串式逆变器以集中式排布时光伏电站单瓦电缆成本较低；当采用铝合金芯电缆时，组串式逆变器以分散式排布时光伏电站单瓦电缆成本较低。

2 电缆实际敷设过程中的影响因素及施工管理分析

经过上文分析光伏发电设备布置位置和电缆敷设方式后，下文以中国西北地区某个风光互补型光伏电站为例，对其电缆在实际敷设过程中的影响因素及施工管理进行分析。

2.1 影响因素分析

目前适合建设大型地面光伏电站的地形基本以山地、丘陵为主。该风光互补型光伏电站位于宁夏回族自治区的吴忠市，场区内的地形起伏多变，局部微地形复杂，光伏子阵呈不规则状排布，各光伏子阵所在区域的地形情况各异，导致电缆用量统计结果的准确性无法得到保证。

受地形影响，基本每个光伏子阵中每串光伏组串到汇流箱(或逆变器)的电缆长度(下文简称为“每串电缆长度”)都不一样，导致每串电缆长度都需要单独统计。由于电缆用量统计工作属于重复人力劳动，且耗时长，因此这部分工作可由布线软件来完成。利用布线软件对每串电缆长度进行统计，统计结果可客观反映电缆的平面图总体用量。

由于布线软件统计电缆用量时未考虑地形起伏情况，缺乏坡度余量考虑，且其统计时未考虑光伏支架的实际形式，对电缆从光伏支架入地再到电缆进入设备这段的用量未结合实际情况进行调整，导致布线软件统计得到的电缆用量与实际施工用量存在偏差。若设计阶段未充分考虑上述情况，将导致施工阶段电缆需要补采，进而影响施工进度。

以此光伏电站为列，分析地形因素和其他因素对电缆用量的影响。

2.1.1 地形因素对电缆用量的影响

由于布线软件统计电缆长度时采用的是电缆走线的投影长度，而实际上使用的电缆长度为电缆在地面经过的长度。为便于描述，把山坡面简化为简单的单向斜面来示意，山坡切面示意图如图4 所示。图中：a为山坡底点；b为山坡顶点；c为山坡的平面投影点；L为电缆实际经过地面的长度，即ab间的距离；D为电缆实际经过地面长度的投影长度，即ac间的距离；α为爬坡度。

图4 山坡切面示意图Fig.4 Schematic diagram of slope cross-section

根据图4，则有：

在地形为平地的情况下，由于电缆敷设时不会是一条直线，在高程上会有起伏，左右方向上会有偏移，且电缆在转弯时会有一定弧度，通常平地条件下电缆余量系数取5%。

本光伏电站每个光伏子阵的地形情况均不相同，在统计电缆长度时，需要根据每个光伏子阵的地形情况设置电缆余量系数。

10#光伏子阵所在地的地形情况如图5 所示，该区域的总体地形平缓，爬坡度在7%左右，地面敷设电缆的实际长度与布线软件统计的电缆长度相差0.245%。由于地形因素影响很小，综合考虑地形因素与电缆余量系数后，本区域的电缆余量系数取5.5%。

图5 10#光伏子阵所在地的地形情况Fig.5 Terrain of 10# PV array location

4#光伏子阵所在地的地形情况如图6 所示，该区域的地形起伏较大，总体爬坡度在30%左右，地面敷设电缆的实际长度与布线软件统计的电缆长度相差4.5%。综合考虑地形因素与电缆余量系数后，本区域的电缆余量系数取9.5%。

图6 4#光伏子阵所在地的地形情况Fig.6 Terrain of 4# PV array location

根据地形爬坡度情况，结合协鑫能源工程有限公司在实际项目施工中积累的经验，得到不同爬坡度下的电缆余量系数取值，如表8 所示。

表8 不同爬坡度下的电缆余量系数取值Table 8 Value of cable allowance coefficient under different climbing slopes

2.1.2 其他因素对电缆用量的影响

其他影响电缆用量的因素主要包括光伏支架结构形式、光伏支架倾斜面最低点离地高度、电缆敷设深度、设备安装高度等。

1)光伏支架结构形式的影响。本光伏电站中光伏支架的结构形式如图7 所示。

图7 本光伏电站中光伏支架的结构形式Fig.7 Structural form of PV brackets in this PV power station

光伏组件采用竖向双排布置，光伏组串采用U 型接线方式，即上下两块光伏组件分别为电缆正、负极出线端。电缆从光伏组件接线盒出线后沿檩条敷设至光伏支架前立柱，然后向下入地敷设。根据接线盒的位置，统计得到接线盒出线至光伏支架前立柱这段电缆的长度为2.3 m，如图7 中蓝色标记。

2)光伏支架倾斜面最低点离地高度的影响。本光伏电站中光伏组件的离地高度不小于1.5 m，根据光伏支架图纸，从光伏支架前立柱上边沿到地面的高度为1.8 m，则电缆从前立柱至地面这段长度相对于地面光伏电站中采用的光伏支架形式增加了3.6 m。

3)电缆敷设深度的影响。本光伏电站中电缆须敷设在冻土层以下，该地区的冻土层深度为1.1 m，由于电缆需先入地然后至设备处后再出地，导致每串电缆长度增加用量4.4 m。

4)设备安装高度的影响。本光伏电站中汇流箱(或逆变器)高出地面约1 m，根据电缆进设备的方式，每串电缆长度增加用量约2.3 m。

综上，从接线盒到入地再到设备需要增加的总电缆用量M可表示为：

式中：M1为光伏支架结构形式导致增加的电缆用量，本文取2.3 m；M2为光伏支架倾斜面最低点离地高度导致增加的电缆用量，本文取3.6 m；M3为电缆敷设深度导致增加的电缆用量，本文取4.4 m；M4为设备安装高度导致增加的电缆用量，本文取2.3 m。

由式(2)可知，从接线盒到入地再到设备需要增加的总电缆用量为12.6 m。

综上可知：在电缆实际敷设过程中，其用量极易受到地形、光伏支架结构形式、光伏支架倾斜面最低点离地高度、电缆敷设深度、设备安装高度等因素的影响，使其实际用量大于布线软件的设计用量。

2.2 施工管理分析

光伏电站的总承包商一般将施工部分分包给施工队，若电缆由总承包商供材，可能导致施工现场电缆施工敷设出现浪费严重等问题。因此，在光伏电站施工过程中，应从工作人员管理着手，合理安排，减少浪费。

2.2.1 项目部人员工作安排

为维护总承包商利益，规范电缆的管理，对于低压电缆的使用应做出如下要求：

1)工程技术人员应根据图纸和现场实际情况，在施工前提供电缆使用计划，以其作为领取电缆的依据；在施工过程中应根据电缆实际敷设数量编制《电缆工程量统计表》，并与图纸设计量进行对比，有差异的及时办理变更手续，作为竣工结算和审计的依据。

2)材料管理人员应依据工程技术人员提供的电缆使用计划严格控制电缆领用量，并制订完整的电缆收货、发料及回收台账，并由相关人员签字确认；项目管理人员定期组织工程技术人员、材料管理人员对电缆领用量和施工工程量进行核实，确保现场电缆不零乱、不浪费、不丢失。

3)费控人员应对电缆的使用情况起到监督作用，不定期抽查工程技术人员编制的《电缆工程量统计表》的准确性，负责组织相关人员对结算工程量、分包审计工程量及电缆领用量进行对比，对不合理的地方进行更正。

由于高压电缆的单价高，应尽可能减少浪费和接头，对于该部分电缆的要求如下：

1)设计人员应根据理论电缆余量系数进行电缆敷设设计，并将设计成果(电缆表及敷设路由图)发给现场电气专业工程师，现场电气专业工程师根据项目现场实际情况反馈每根电缆的实际测量长度，然后设计人员根据现场反馈数据再进行调整，最终形成电缆明细表和分盘数据。

2)采购人员将电缆明细表和分盘数据提供给电缆厂，厂家据此配盘，并标注配盘参数(电缆编号、型号、规格、长度)，厂家发货前需将相关配盘参数提供给项目部，以便组织施工作业。

3)现场作业时现场电气专业工程师应严格监督电缆的敷设和电缆终端的制作，避免浪费。

2.2.2 对分包单位的要求

若电缆由施工分包单位采购，合理使用电缆有助于提升施工分包单位的收益，可有效降低电缆消耗。在总承包商完成初设评审收口后提供本项目的电缆清册，相当于已经明确了项目中各处电缆的规格、型号及长度，此时建议由施工分包单位在总承包商提供的电缆短名单中按电缆清册确定的量采购电缆，并以此作为结算依据。施工方在电缆采购前，先行对项目现场做详细复测，若对电缆清册确定的量有异议，则需及时提出，并与总承包商(或设计单位)的设计、工程等技术人员讨论，经设计人员确认的(理由充分)给予调整，并做好记录，以此作为结算依据。对电缆清册确定的量无异议时，则视为按电缆清册量作为本项目的结算依据。

3 结论

本文从设备布置位置和电缆敷设方式的角度对地面光伏电站和分布式光伏电站的光伏方阵设计方案进行了对比，并以某风光互补型光伏电站为例，对电缆实际敷设过程中的影响因素及施工管理进行了分析。分析结果显示：1)对于地面光伏电站单个光伏方阵而言，无论是使用铜芯电缆还是铝合金芯电缆，采用箱逆变一体机时的单瓦电缆成本均优于采用组串式逆变器时的单瓦电缆成本。2)对于分布式光伏电站而言，当采用铜芯电缆时，组串式逆变器以集中式排布时光伏电站单瓦电缆成本较低；当采用铝合金芯电缆时，组串式逆变器以分散式排布时光伏电站单瓦电缆成本较低。3)在电缆实际敷设过程中，其用量极易受到地形、光伏支架结构形式、光伏支架倾斜面最低点离地高度、电缆敷设深度、设备安装高度等因素的影响，使其实际用量大于布线软件的设计用量。