50MWp并網光伏電站發電系統的設計研究

云南民族大學電氣信息工程學院 ■ 蘇穎 晉春杰 武平 郭巍 徐武 何晉

0 引言

隨著全球經濟的迅速發展，世界上各個國家對電力的需求量也在逐年增加，太陽能、風能、地熱能等清潔、綠色能源受到了全世界廣泛的認可與關注[1]。在各種新能源快速發展的情況下，光伏發電擁有巨大的國際市場和廣闊的發展前景。目前，光伏發電的核心技術已經慢慢進入成熟的軌道，其對國家經濟的迅速發展起到了至關重要的作用，在全球能源高度緊張的情況下，這一技術也能很大程度上滿足人們對新能源的需求。

以我國西南地區云南省為例，“十二五”期間，云南省大型并網光伏電站的建設容量達到101.6萬kW，代表云南省大型并網光伏電站的建設發展邁入了一個更高的臺階。賓川縣位于云南大理白族自治州東部，是云南省太陽能資源最具開發價值的區域之一。該地年平均日照率高達60%，大氣中透明度也較高，太陽光照射在空氣中的耗損十分少，其總輻射值基本保持在一定的范圍內，年平均太陽總輻射為6425.2 MJ/(m2·a)，可持續輸出太陽能。由此可以判定，賓川縣具有非常豐富的太陽能資源，完全具備太陽能開發所需的必要條件。在賓川縣進行并網光伏電站項目的規劃建設，將大力推動云南省并網光伏電站建設的高速發展[2]。

1 并網光伏發電系統的研究

1.1 光伏組件

光伏組件是并網光伏發電系統中最基本的結構單元。單個太陽電池片很少被用做電源，通常是將電池片串聯或并聯起來封裝成不同功率的光伏組件。光伏組件作為系統中的基礎核心部分，其質量好壞和成本高低在很大程度上代表了并網光伏發電系統的基本參數指標，質量可靠、性能穩定、封裝良好的光伏組件能夠在潮濕、惡劣和太陽暴曬的自然環境下工作20年以上[3]。

1.1.1 太陽電池種類及性質

目前常規使用的太陽電池主要有：晶體硅太陽電池、銅銦硒薄膜太陽電池、碲化鎘薄膜太陽電池、非晶硅太陽電池等。它們之間的比較如表1所示。

表1 常用的太陽電池對比

由表1可知，晶體硅太陽電池與其他2種太陽電池相比，具有更長的運行壽命、相對較低的成本且無污染，用于大型光伏電站更為經濟可靠。

1.1.2 光伏組件選型

光伏組件不僅需要有非常好的耐候性，還需在嚴酷的環境下能持久穩定地工作，同時保持理想的光電轉換效率。

西村光伏電站位于賓川縣大營鎮西村以西，總規劃裝機容量為150 MWp，共分為三期建設。第一期并網光伏電站工程裝機容量為50 MWp，已基本建設完畢。由于西村光伏電站規模較大，所以在光伏組件選型方面，應首先考慮光電轉換效率較高且功率較大的光伏組件。一期50 MWp并網發電系統采用的是72片的280 Wp多晶硅光伏組件，原因在于：1)由于72片多晶硅光伏組件平均轉換效率高于60片多晶硅光伏組件平均效率，且72片組件更加緊湊，所以使用72片的280 Wp多晶硅光伏組件能夠減少土地占用面積，充分考慮了土地的裕度；2)單個組件的功率越大，1 MW方陣所需要的組件數量越少，連接組件的直流電纜也越少，一方面可降低投資，另一方面可降低直流損耗，提高系統發電效率。

1.2 逆變器選型

并網光伏發電系統研究中的核心之一就是逆變器的研究與設計，并網逆變器在系統轉換效率和可靠性中占有非常重要的地位。為了提高系統的發電效率，同時也要使發電成本降到最低，需要對逆變器的內部結構及其控制方法進行研究，逆變器最基本的作用就是可以將電池輸出的直流電轉換為交流電[4]。2種并網逆變器的參數比較如表2所示。

由表2可知，根據并網逆變器目前的技術水平及價格因素，考慮到可靠性、實用性、靈活性等要求，本工程應選擇集中式逆變器。組串式逆變器容量小，不適合用于大型光伏電站，目前世界上大型并網光伏工程一般都采用集中式逆變器，例如美國15 MW空軍基地光伏發電項目采用了52臺GT250(250 kW)逆變器，德國萊比錫6 MW光伏項目采用了11臺GT500E(500 kW)逆變器。

表2 并網逆變器的參數比較

在選擇了集中式逆變器的基礎上，結合一期50 MWp的裝機容量及設備運輸條件，若選用單臺容量大的逆變器，其發生故障時發電系統損失發電量較大；若選用單臺容量小的逆變器，所需逆變器數量較多，會增加后期維護的工作量。因此，從工程運行及維護角度考慮，經過對比，本工程推薦選用型號為SSL0500的逆變器，該逆變器輸出額定功率為500 kW，最大光伏輸入功率可達560 kW，最高轉換效率高達98.3%。

1.3 光伏方陣設計

1.3.1 光伏方陣布置

光伏電站經常使用的光伏組件支架有固定式支架、傾斜單軸跟蹤支架、水平單軸跟蹤支架等。綜合地形、經濟等方面的因素考慮，本工程光伏方陣的運行方式決定采用固定式，所以方陣支架采用固定式支架[5]。光伏方陣的設計有2種選擇方案，2種方案對比如表3所示。

1)方案1：1 MW逆變器單元(2臺500 kW逆變器安放在一間逆變器室里)與2個500 kWp光伏方陣進行連接，從而組成1 MWp光伏發電分系統。系統原理圖如所圖1示。

圖1 方案1光伏發電分系統原理框架圖

2)方案2：500 kW逆變器可與1個500 kWp光伏方陣進行連接，從而組成0.5 MWp光伏發電分系統。系統原理圖如圖2所示。

圖2 方案2光伏發電分系統原理框架圖

表3 光伏發電分系統方案對比

綜上所述，本并網光伏系統宜采用“集中安裝建設，多支路上網”的技術路線，所以采用方案1，即1 MW逆變器單元與2個500 kWp光伏方陣進行連接的方案。

1.3.2 光伏子方陣設計

一個較大光伏發電總系統往往是由一個個小的光伏發電分系統組成，這樣管理更方便，維修也更簡便。本工程一期50 MWp并網光伏發電總系統是由50個1 MWp光伏發電分系統組合而成；每個1 MWp光伏發電分系統是由2個500 kWp光伏發電子系統組合而成；而1個光伏發電子系統是由1個500 kWp光伏方陣和1臺500 kW逆變器組成。在每個光伏發電分系統中，通過2臺逆變器流出的交流電經過1臺升壓變壓器，將電壓從270 V升至35 kV，當電壓流到35 kV母線段后，再經過1臺升壓并網變壓器，將電壓從35 kV上升到110 kV，同時將其并入電網[6]。

1.3.3 光伏組件的串、并聯

光伏方陣是由光伏組件通過串、并聯組合而成，并網逆變器的電壓性能和光伏組件可以承受的最大電壓決定了光伏組件所需要串聯的數目，逆變器的容量大小則確定了并聯數目。本工程采用280 Wp多晶硅光伏組件，并網逆變器的額定容量為500 kW。根據實際計算，確定一個組串需要串聯18塊組件，每一路組件串聯的額定功率容量為280×18=5040 Wp；與此同時，按照逆變器的參數計算出并聯路數N為500/5.04=99.2路，則取100路。所以，1個500 kWp的方陣的串聯數為18塊，并聯組串數為100路。

1.4 光伏方陣接線方案設計

1.4.1 光伏方陣布置

每個1 MWp光伏方陣有200個組串，每個組串需18塊光伏組件，共3600塊組件；對應布置100個支架，每個支架上布置2個組串，即36塊組件。

因為復雜的地理環境，方陣陣列之間的間距和所處地理位置需根據當地的實際情況確定，盡量做到少占土地及節約電纜。

1.4.2 直流匯流及直流配電

并網光伏發電系統中的直流系統一般由光伏組件、光伏陣列防雷匯流箱、直流防雷配電柜、光伏并網逆變器及直流電纜組成。在大型并網光伏發電系統中，直流系統的設計尤為重要，選擇合適的匯流箱和直流防雷配電柜可以優化直流系統設計，提高系統效率，降低發電成本。

直流匯流箱需具備以下特點：1)可同時接入16路光伏陣列，可對8路組串電流監測；2)每路輸入回路的保護措施要用專用的高壓直流熔絲。綜合考慮技術及經濟原因，本工程決定采用國產SPVCB-16型直流匯流箱。

直流防雷配電柜需要滿足：1)最大容量為500 kW；2) 8路直流輸入接口，最大工作狀態時可接8臺匯流箱；3)每路直流輸入側都有容易分斷的斷路器和防止方向變反的二極管。滿足上述要求的選型即可優化直流系統[7]。

2 電氣設計部分

光伏發電系統是由光伏方陣、充放電控制器、逆變器、交流配電柜、太陽跟蹤控制系統、監測系統等設備組成。并網光伏發電就是光伏組件產生的直流電，經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電，之后直接接入公共電網。圖3為集中式并網光伏發電原理圖。

圖3 集中式并網光伏發電系統簡圖

2.1 電氣一次主接線

西村光伏電站一期50 MWp需按照近區電網的現狀及發展情況選擇合適的接入點，適合以110 kV電壓等級接入系統。根據實際要求設計了2種方案：

1)方案1：西村光伏1～3期共新建1座110 kV升壓站，最終以1回110 kV線路的形式接入系統。本期建成1回110 kV線路，然后接入220 kV海東變電站，線路的總長度為11 km。

2)方案2：西村光伏1～3期共新建1座110 kV升壓站，最終以1回110 kV線路接入系統。本期建成1回110 kV線路，然后接入到大營光伏110 kV升壓站，大營光伏升壓站為了滿足匯集光伏送出需要，本期需建成大營-海東變電站II線路。

對2種方案進行對比分析可知，方案1投資成本少，年費用少，潮流走向合理。方案2中，西村光伏送至大營光伏升壓站后再接入海東變電站，新建線路長，潮流迂回，損耗大；另外，西村光伏接入大營后，擠占了其后續建設光伏電站的外送空間。綜上所述，推薦方案1。

本項目交流并網電壓為110 kV，可采取由逆變器交流輸出110 kV升壓并網的方式實現太陽能交流輸出的匯集并網。這種方式共采用容量為1000 kVA、0.27/35 kV逆變升壓變壓器50臺，分別將每1 MWp逆變器的270 V交流輸出電壓升至35 kV后，用35 kV電纜匯流至升壓站35 kV母線，再通過1臺容量為75 MVA(考慮整個電站項目期共150 MWp光伏安裝容量)、35/110 kV主變壓器升壓至110 kV后接入電網[8]。

2.2 升壓站電氣主接線

在并網光伏電站中建設一座110 kV升壓站，升壓站一共可分為3個電壓層次：0.4 kV、35 kV和110 kV。其中0.4 kV為低壓站用電壓，35 kV為光伏方陣逆變升壓電壓，110 kV為接入系統電壓。75 MW的電能經過1臺110 kV主變壓器將其自身的電壓升壓至110 kV，最后再并入其對應的電網中。由于西村光伏電站整體項目規模為150 MWp，所以一共需要2臺主變壓器來實現。光伏發電子方陣經升壓變壓器升壓后串接，接入光伏電站內35 kV配電室，經過箱式變壓器回流后接入35 kV母線，經過升壓后送入110 kV配電裝置。

1)110 kV系統接線：110 kV是一期50 MWp電能接入系統的電壓等級。主變終期容量2×75 MVA，安裝1臺75 MVA主變壓器，經110 kV組合電器接入110 kV母線側，并通過1回110 kV線路接入220 kV海東變，實現和電網的連接。

2)35 kV系統接線：一期工程出線3回，35 kV-I段母線包括1臺主變進線柜，3臺電纜出線柜、1臺無功補償柜、1臺母線PT柜、1臺站用變柜，共7臺。后期工作方面：設置35 kV-I段母線，預留35 kV-II段配電裝置場地，35 kV-I段母線終期為5回出線。

站用電380/220 V系統采用單母線分段接線，設0.4 kV-I段、0.4 kV-II段2段母線，1#站用變電源進線接至0.4 kV-I段， 2#站用變電源進線接至0.4 kV-II段，施工/備用變電源進線分別接至0.4 kV-I段和0.4 kV-II段，I段和II段之間設分段斷路器。進線開關采用智能型框架斷路器，進線及分段斷路器額定電流為800 A。廠用電采用雙電源供電，一路電源由35 kV施工電源(施工變)改造而來，該電源規劃引自附近35 kV變電站，經過35 kV施工變降壓接入0.4 kV母線；另一路引自本站35 kV母線，經過廠用干式降壓變接入0.4 kV母線。低壓配電室設置廠用雙電源自動切換柜和低壓配電柜[9]。

2.3 電氣二次部分

并網光伏發電系統采用的監控方式是集中式控制，把所需要監視的范圍集中在一起進行統一監控。主要采用的監控技術是微機保護裝置計算機網絡監控系統，從而完成全站機電設備的數據采集，并將采集到的數據用來監視、控制、測量、保護等。采集的數據和電站的實際運行參數等主要信息通過網絡的形式上傳到特定的監控計算機，從而實現遠程監控。

本工程監控系統的監控規模大致包含光伏方陣、逆變器、升壓站等電氣系統。在升壓站的領域內成立一個主控制室，控制室的工作人員通過大屏幕和LED監控系統的運行情況；主控室內還設有工業電視監視墻，即在墻上安放一個巨幕，同時也安裝了閉路電視和火災報警器等設備。計算機監控系統的覆蓋范圍包括光伏發電單元和35/110 kV升壓站系統，時間記載功能可以用GPS設備來完成時間校準。

2.4 防雷屏蔽措施

光伏發電作為最近幾年興起的一種環保型發電產業，國內還暫未出臺光伏電站防雷設計的明確規范說明。雷電保護區的劃分如圖4所示。

圖4 雷電保護區的劃分

由圖4分析可知，一個被保護的區域，由外到內可以劃分為不一樣的被保護等級：最危險的區域就是最外層的0區，越往內部，危險程度越低，最里面的空間部分則是被保護的最好的。很顯然，電站內的逆變升壓機房只獲得了一層屏蔽，因為它與0區之間只有一面墻的距離；成套機房內的空間被定義為1區；機房內各電氣設備的外殼則成為一層屏蔽層，電氣設備內的空間則定義為2區。

相應的在線路屏蔽措施方面，由于光伏電站場地非常開闊，所占面積也非常大，光伏方陣里大量的電纜暴露在戶外，很容易遭受到直擊雷，易對電纜產生傷害。因此，在實際情況允許的范圍內，電纜應該沿電纜槽盒、橋架敷設和鋪設橋架蓋板，從而防止直擊雷的打擊，起到保護電纜的作用。

3 結語

云南省大理州賓川縣西村并網光伏電站一期工程規模容量為50 MWp，預計建成后的25年年平均發電量將達到69812.08 MWh，年利用小時數可高達1396.24 h。本項目的太陽能資源條件好，所選場址的工程建設條件滿足項目規劃建設容量的要求，項目建成后的上網含稅電價相對較低，是云南省最好的大型光伏發電項目之一。光伏電站的投資大、運行費用低、發電成本較高，需要獲得較大的政策支持力度。根據我國國情，在我國太陽能資源豐富的地方建設并網光伏電站，并提供適當的并網光伏發電補貼，可促進光伏產業各個環節的發展，從而促進我國光伏發電的有效發展。

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[2] 艾欣, 韓曉男, 孫英云. 光伏發電并網及其相關技術發展現狀與展望[J]. 現代電力, 2013, 30(1): 1－2.

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[7] 劉張強. 大型地面并網光伏電站電氣系統淺論[J]. 電力訊息, 2017, 5(2): 224－225.

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[9] 崔自剛. 50MWp并網光伏電站發電系統研究[D]. 北京: 華北電力大學, 2014.