光伏電站陣列內電纜損耗分析

陳祥，汪玉華

(中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司，昆明 650011)

光伏電站陣列內電纜損耗分析

陳祥，汪玉華

(中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司，昆明 650011)

針對目前國內光伏陣列的設計的多樣性，對整理其電纜設計的模型，應用經典公式對電纜的損耗進行了計算分析。依據各方案的分析結論，進一步得出對類似工程建設具有借鑒意義的電纜損耗參考值。

光伏陣列；電纜損耗；光伏電站效率

0 前言

2013年我國光伏電站新增裝機位列世界第一[1]，大型光伏電站列陣設計方案主要采用集中式逆變器、分布式逆變器兩種方案。前者國內慣用采用兩級匯流的方式：光伏組串經匯流箱的一次匯流后，再匯流至直流配電柜 (或逆變器內直流側)。后者采用兩級 (三級)回流方式：光伏組串回流至分布式逆變器，再匯流至交流母線(或經交流匯流箱三級匯流至交流母線)。

目前，縱觀國內外尚缺乏對上述兩種方案中陣列內電纜損耗的定量分析。因此，本文首先對集中式逆變器方案的不同回路數的匯流箱進行電纜損耗計算分析。再對兩種方案在一次匯流回路數相同的情況下進行對比分析。最后得出各方案的分析結論。

1 光伏方陣損耗分析

光伏電站方陣效率為：

光伏組件可認為是電流源，同時：

同時考慮到ΔU=UΔU(%)

結合上式，得出

故，光伏電站方陣效率即轉化為壓降計算。

2 集中式逆變器電纜電壓降計算

根據 《電氣設計一次手冊》中提供的直流、交流電纜壓降公式[2]分別為式3、式4：

式中：

ΔU：直流電壓壓降百分比 (%)

Ig：電流 (A)

L：電纜長度 (km)

R：直流電纜電阻 (Ω/km)

r：交流電纜電阻 (Ω/km)

x：交流電纜電抗 (Ω/km)

φ：功率因素，本文逆變器出口交流電源的cosφ取1。

上述參數中：電流、長度、電壓均可根據電池板參數確定，電纜電阻則可根據國標 《電纜的導體》 (GB/T 3956-2008)[3]中查得，基于上述數據即可完成電纜的壓降計算。

當環境的溫度、輻射值發生變化，光伏組件的工作電壓、電流隨之變化。最終將引起光伏方陣內電纜壓降的變化。為簡化計算模型，本文取光伏組件為穩定電流源，即光伏組件的工作電壓恒定，僅工作電流隨環境參數變化。

本文對單位MWp光伏陣列進行計算分析，其模型取值如下：

光伏陣列所處緯度：23°；光伏組件為60片多晶硅250 W 組件，其中 Vmppt=30.7 V，Imppt= 8.15 A；組串數采用22，組串并聯數182回；組件至匯流箱電纜采用1×4 mm2；匯流箱采用8、16回路匯流箱，對應數量取24、12臺，匯流箱出線電纜截面相應采用1×35 mm2、1×70 mm2；

基于上述模型，針對理論方陣 (地面坡度為0度)：首先繪制出單位MWp光伏陣列的布置圖，再分別布置8、16回路的匯流箱，測量各段電纜的長度；針對山地方陣：其電纜長度采用云南某山地工程的實際敷設值。

最后結合式1～4、表1分別計算理論方陣、實際工程計算電纜損耗占比，計算結果分析得出：

1)理論狀態下，采用何種匯流箱，當計算口徑一致時，其理論損耗與匯流箱的選擇差異不大，考慮到電纜參數的特性，可認為其理論損耗在各種狀態下一致。

2)實地狀態下，電纜的連接長度在復雜地形條件下大幅增加，因此，相比于理論狀態下，電纜損耗大幅增加，同時。由于多回路匯流箱的涉及組串數多，16回路匯流箱電纜損耗明顯大于8回路的電纜損耗，當電流值為8.15 A時，前者損耗占比高于后者2.63%。

3 分布式逆變器電纜電壓降計算

近年來，隨國內大量光伏電站的建設。為適應地形起伏較大、分布式屋頂光伏系統的發展。在一些MWp級的光伏電站中，越來越多的分布式逆變器投入到建設中。兩類逆變器方案在不同的文獻中結論存在差異，本文將通過上述方法，在一級匯流前采用相同的匯流數，以完成相應分析。電站模型分別如下：

3.1 集中式逆變器單位

光伏陣列所處緯度：23°；光伏組件為60片多晶硅250 W 組件，其中 Vmppt=30.7 V，Imppt= 8.15 A；組串數采用22，組串并聯數182回；組件至匯流箱電纜采用1×4 mm2；匯流箱采用6回路匯流箱，對應數量取32臺，匯流箱出線電纜截面分別采用1×25 mm2、1×35 mm2；

3.2 分布式逆變器單位

光伏陣列所處緯度：23°；光伏組件為60片多晶硅250 W組件，其中Vmppt=30.7V，Imppt=8.15 A；組串數采用20，組串并聯數200回；組件至分布式逆變器電纜采用1×4 mm2；逆變器采用28 kW，其中Vmppt=480～800 V，36臺，每個逆變器接入6回組串；逆變器出口電纜：4×16 mm2；交流匯流箱：6回路，6臺；交流匯流箱出口電纜：3×95 mm2+1×50 mm2。計算結果分析得出：

1)采用集中式逆變器，結合表2、表3，當匯流箱由8回路變為6回路時，當接近滿負荷時，光伏方陣電纜損耗基本相同，當負荷較低時 (低電流)，根據對中間過程數據的分析，認為此時的因一級匯流的電纜短，故壓降低，使得低負荷時其電纜損耗較低。與表2的分析結論一基本一致；

2)采用集中式逆變器，當匯流箱出線電纜由25 mm2增加至35 mm2時，因電纜電阻降低，光伏方陣電纜損耗下降較明顯；

3)低負荷時分布式逆變器的損耗高于集中式逆變器；高負荷時分布式逆變器的損耗接近集中式逆變器。

4)上述表2中三個方案的銅耗量 (銅密度按照8.9 t/m3計算)分別為：1 t、1.35 t、1.33 t。可以看出，當匯流箱出線電纜采用35 mm2時，集中式逆變器方案與分布式逆變器方案的電纜損耗基本一致，此時銅耗基本一致。

4 結束語

1)理論狀態下，采用何種匯流箱，其理論損耗與匯流箱回路數的選擇差異不大。

2)采用集中式逆變器、分布式逆變器時，當各方案的銅耗一致時，方陣的電纜損耗基本一致。

3)本文因未考慮兩種逆變器本體效率、可靠性等因素。因此對兩種逆變器的方陣整體損耗不做分析。

[1] Renewable Energy Policy.RENEWABLES 2014 GLOBAL STATUS REPORT [M] . REN21 Secretariatc/o UNEP，2014.

[2] 水利電力部西北電力設計院.電氣設計一次手冊 [M].中國電力出版社，1986.

[3] GB/T 3956-2008.電纜的導體 [S].

Analysis of Cable’s Energy Loss in PV Array

CHEN Xiang，WANG Yuhua
(Yunnan Electric Power Design Institute，Kunming 650011，China)

For the reason of design diversity in the PV Array，Firstly，we established the model of cable’s energy loss，Secondly，Base on the calculated result in classical formula，we figured out the reference values of cable’s energy loss in respective projects.

PV Array；cable’s energy loss；efficiency of PV power station

TK615

B

1006-7345(2015)05-0027-02

2015-02-04

陳祥 (1980)，男，碩士，高級工程師，中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司，從事電站設計、研究工作 (email) skiecx＠126.com

汪玉華 (1962)，男，高級工程師，云南省電力設計院，從事電站設計、研究工作 (email)ynpdwyh＠sina.com