一體式漂浮光伏發電站子方陣優化設計

協鑫集團設計研究總院 ■ 吳月儀 協鑫集團設計研究總院新能源分院 ■ 張峰

0 引言

隨著化石能源儲備的減少及環境污染的日益嚴重，綠色環保和低碳節能理念越來越受到重視，由此促進了光伏產業的興起。近年來，由于光伏行業迅猛發展，土地資源緊缺、棄光限電、補貼不到位等已成為制約光伏持續發展的重要問題，光伏發電項目逐漸從西北向華中、華東地區，從平地向山地，從地面向水面轉移。在此情況下，水面漂浮式光伏發電站成為近兩年熱點，即利用基臺、浮臺等將光伏組件漂在水上進行發電的發電站。這種方式節約了用地，同時水體在一定程度上可降低組件的溫度，從而獲得更高的發電量。值得一提的是，由于水面上覆蓋了光伏組件，起到了減少水體蒸發的作用，對于抑制藻類的繁殖和保護水資源起到了一定作用。因組串式逆變器在電站中應用最為常見，本文主要論述一體式漂浮光伏發電站組串型逆變器的子方陣優化方案設計。

1 原方案介紹

原方案發電容量為10 MW，采用漂浮式方案。通過技術與經濟綜合比較，光伏組件選用多晶硅光伏組件，并網逆變器選用1 MW的集中式逆變器。

工程中光伏組件陣列由10個1 MW子系統組成。每個子系統包括1臺1 MW集中式逆變器，每臺逆變器并聯接入192路光伏組串單元，每個組串由18塊光伏組件串聯組成。輸入防雷匯流箱經電纜接入逆變器直流側，然后經并網逆變器逆變后的三相交流電經電纜引至35 kV箱式升壓變壓器(箱式升壓變電器)配電裝置升壓后送至220 kV開關站的35 kV配電室。箱式升壓變壓器與并網逆變器相鄰布置。

10 MW光伏組件利用浮體連成一個11.5萬m2的“大浮島”，匯流箱放置在浮體上，匯流箱出線電纜通過浮體接到岸邊的逆變器和升壓站。具體總平面布置圖如圖1所示，現場照片如圖2、圖3所示。

圖1 總平面布置圖

圖2 航拍方陣圖

圖3 匯流箱出線電纜(至岸邊部分)

2 優化設計

原設計方案在實施過程中暴露出較多問題，如：集中式逆變器布置于岸邊造成直流電纜過長、線損過大；每組串聯組件數量少，造成電纜數量多；電纜無固定通道，易垂入水中。

針對以上問題，從主要設備選型角度考慮優化方案。

2.1 逆變器的選擇及布置

由于原設計方案中集中式逆變器在岸邊，易造成直流電纜過長、線損過大，布線困難。故優化后的逆變器選擇組串式，選用華為60 kW逆變器SUN2000HA-60KTL，逆變器的主要參數詳見表1。

表1 逆變器的主要參數表

逆變器的位置應根據組件實際布置情況排布，并考慮減少損耗、降低施工難度、方便后期維護、降低成本等原則。

對于組串式逆變器，需考慮逆變器散熱問題，逆變器不能斜躺在浮體之上，需有專門的支架來安裝逆變器；需考慮陰影遮擋問題，支架高度不宜過高，滿足底部接線最低標準高度即可。因此，優化設計中將逆變器放置在浮島一側，盡可能減少浮體數量和線損，同時便于安全維護。圖4是優化方案后1.6 MW子方陣組串式逆變器相應的布置方案。

圖4 1.6 MW子方陣布置圖

圖5 逆變器支架圖

2.2 組串設計及布線

在1500 V電壓等級下，組件組串、線纜、匯流箱數量均會減少，接線安裝成本等會有所降低；同時，設備的功率密度提升，體積減小，運輸、維護等方面工作量也減少，有利于光伏系統的優化和成本的降低。因此，選用1500 V電壓等級的系統做如下組串設計。

光伏組件串聯的數量由逆變器的最高輸入電壓、MPPT工作電壓，以及光伏組件最大耐壓值確定；光伏組串并聯的數量由逆變器的額定容量確定。

表2 組件各項參數

現在計算單個方陣組件的串聯數量：

1)計算串聯數量。光伏組件的標準測試條件為光照強度1000 W/m2、工作溫度為25 ℃，在排除光伏組件工作溫度修正系數的影響條件下，計算光伏組件最大串聯數量Smax和最小串聯數量Smin[1]為：

式中，Vmpptmax為逆變器MPPT電壓最大值，V；Vmpptmin為逆變器MPPT電壓最小值，V；Voc為光伏組件的開路電壓，V；Vpm為光伏組件的工作電壓，V。

2)輸出電壓驗算。項目所在地的光照強度為1000 W/m2、最高溫度為38 ℃，冬天日間最低組件工作溫度為-9.3 ℃。考慮組件的溫度修正系數，在串聯20～37塊組件時，此組串的最高輸出電壓Vmax及最低輸出電壓Vmin為：

式中，N為光伏組件的串聯數，N取整數；Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數；t為光伏組件工作條件下的極限低溫，℃；t′為光伏組件工作條件下的極限高溫，℃。

由于串聯37塊組件的最高輸出電壓Vmax超出逆變器最大MPPT工作電壓1450 V，通過調整串聯數發現，在串聯33塊組件時Vmax為1409 V，滿足逆變器要求。

組件串聯數量越大，匯流箱的數量將越少，各組串間并聯用的電纜長度就會減少；又因為逆變器最大耐壓為1500 V，需盡可能選取組件串聯的最大數。綜合光伏陣列布置、支架設計和電氣設計等多方面要求，本項目采用275 W多晶硅組件32塊串聯，即單列組件串聯個數為32塊。

為了節省電纜和線損，設計采用更合理的U型走線，具體示意圖如圖6所示。

圖6 組串接線示意圖

2.3 浮體及浮體組合優化設計

針對南北通道上的用于敷設電纜的浮體數量較多、成本大，電纜容易垂在水中等問題，對浮體本身功能及各種浮體之間如何布置進行優化。

一體式浮體采用模塊化設計，分主浮體、輔助浮體和連接件，組裝快速、簡單。主、輔助浮體采用一體式模型，無需金屬支架，傾角為13°，組件可直接安裝。本次方案設計對主浮體和輔助浮體增加了電纜槽。圖7、圖8分別為主、輔助浮體圖。

圖7 主浮體圖

圖8 輔助浮體圖

浮體大布局設計采用矩形設計，主、輔助浮體之間靠連接件連接。主浮體主要是用來承載組件；無凹槽的輔助浮體作用是連接前后主浮體，有凹槽的輔助浮體主要是負責浮體左右連接，以及作為電纜通道的支撐。

為降低成本，輔助浮體采取間隔連接，既可滿足浮體組合要求，又可減少浮體數量，降低成本。而對于外圍浮體，考慮到防浪和后期維護的問題，需要滿鋪。

圖9 浮體組合單元圖

2.4 電纜走線優化設計

2.4.1 光伏專用電纜走線設計

目前許多漂浮項目電纜都是平鋪在浮島之上，有時甚至會跌落在水中，為了避免此類情況，本文對光伏專用電纜敷設進行了以下優化：

1)組串內部采用U型走線，兩排組件南北方向跨接處采用橋架板連接，電纜穿管放置在橋架板之上，具體如圖10所示。

圖10 橋架板放置圖

2)在主浮體高側外延預埋螺栓，通過鋼絲連接相鄰主浮體的螺栓，電纜搭接固定在鋼絲之上，可有效避免電纜遇水，如圖11所示。

圖11 兩浮體之間連接鋼絲圖

2.4.2 逆變器電纜優化設計

逆變器電纜走線主要通過輔助浮體來完成，在有凹槽的輔助浮體上另加固定卡扣件，通過U型卡扣將匯流電纜固定，如圖12所示。

圖12 固定卡扣件示意圖

3 結語

本文詳細論述了一體式漂浮光伏發電站子方陣典型方案的設計過程，首先介紹了光伏主要設備的選型，包括光伏組件、組串逆變器、交流匯流箱、箱變、一體式浮體；其次介紹了優化設計的主體部分，包括浮體組合、組串接線、逆變器和匯流箱布置、箱變布置、電纜走線等的優化設計，由此在一定程度達到降低光伏系統成本、走線便利、設備維護方便等優勢。希望通過這些經驗總結，為相關行業從業者提供一定參考。

[1]劉馬軍.江蘇常州100 MWp“漁光一體”直溪光伏發電項目可行性研究[D].北京：北京化工大學，2015.