分布式光伏電站電氣一次設(shè)計(jì)研究

陳 林

（湖南動(dòng)力源電力勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410021）

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全社會(huì)對(duì)能源的消耗量日益增加，世界各國(guó)都在尋求新的能源替代戰(zhàn)略，以求得可持續(xù)發(fā)展和在日后的發(fā)展中獲取優(yōu)勢(shì)地位，加大對(duì)清潔可再生能源的發(fā)展力度已成為現(xiàn)行國(guó)家節(jié)能減排目標(biāo)的重要手段之一[1]。在可再生新能源中，太陽(yáng)能發(fā)電是一次性轉(zhuǎn)換效率最高的能源，且使用簡(jiǎn)單、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)[2-4]。截至2020年底，我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到2.53×108kW，位居世界第一。預(yù)計(jì)我國(guó)“十四五”期間年新增裝機(jī)容量將在70～90 GW內(nèi)，故太陽(yáng)能光伏發(fā)電的未來(lái)市場(chǎng)和發(fā)展空間還很大。

本文以湖南省常德市水沐堰20 MW光伏電站項(xiàng)目為設(shè)計(jì)案例，基于該光伏電站的實(shí)際情況，主要從電力接入系統(tǒng)、電氣主接線、主要電氣設(shè)備選擇、電氣設(shè)備布置以及防雷接地等幾個(gè)方面進(jìn)行分析，確定本光伏電站開(kāi)關(guān)站35 kV電氣一次設(shè)計(jì)方案，為我國(guó)光伏發(fā)電企業(yè)在類(lèi)似項(xiàng)目設(shè)計(jì)上提供一定的參考[5]。

1 電力接入系統(tǒng)

水沐堰光伏電站周邊僅有如東35 kV變電站、向陽(yáng)橋～如東35 kV線路以及夢(mèng)溪～如東35 kV線路，其到如東變的直線距離約1.5 km，到向陽(yáng)橋～如東35 kV線路的直線距離約1 km，到夢(mèng)溪～如東35 kV線路的直線距離約2 km，如圖1所示。

圖1 水沐堰光伏電站接入系統(tǒng)方案示意圖

根據(jù)水沐堰光伏電站的地理位置、系統(tǒng)地位以及裝機(jī)容量，考慮周邊電網(wǎng)現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃，從實(shí)施與過(guò)渡難易程度、送出可靠性、運(yùn)行靈活性及遠(yuǎn)景適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性等多方面比較，水沐堰光伏電站π接向陽(yáng)橋～如東35 kV線路。中華110 kV變投產(chǎn)后，該線路剖入中華變，以35 kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)。

2 電氣主接線

2.1 電氣主接線選擇

本工程為20 MW分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目，采用分塊發(fā)電、集中逆變、升壓并網(wǎng)方案。各光伏組件產(chǎn)生直流電在就地匯流后，通過(guò)電纜將電能集中送至對(duì)應(yīng)的逆變和升壓變，升壓至35 kV電壓，在新建的35 kV開(kāi)關(guān)站內(nèi)匯流后并入電網(wǎng)。

光伏電站35 kV開(kāi)關(guān)站內(nèi)采用單母線斷路器分段接線方式，光伏電站集電線路在Ⅰ段母線，新建的2回35 kV出線在Ⅱ段母線，如圖2所示。35 kVⅠ段母線上共設(shè)7面35 kV高壓開(kāi)關(guān)柜，其中包括兩面集電線路開(kāi)關(guān)柜、1面無(wú)功補(bǔ)償裝置開(kāi)關(guān)柜、1面接地變兼站用變壓器開(kāi)關(guān)柜、1面母線PT柜、1面母聯(lián)柜以及1面隔離柜。35 kVⅡ段母線上共設(shè)4面35 kV高壓開(kāi)關(guān)柜，其中包括1面計(jì)量柜、1面PT柜、1面向陽(yáng)橋變出線柜以及1面如東變出線柜。

圖2 35 kV開(kāi)關(guān)站電氣主接線

2.2 35 kV系統(tǒng)接地方式

根據(jù)《十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施（修訂版）及編制說(shuō)明》，要求快速切除匯集線系統(tǒng)單相故障，因此光伏電站開(kāi)關(guān)站35 kV母線采用經(jīng)消弧線圈接地方式。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)兩回35 kV集電線路，電纜長(zhǎng)度約為3.8 km，由開(kāi)關(guān)站π接向如線35 kV線路送出，采用雙回電纜線路至站外電纜終端塔后改為架空線路，接至現(xiàn)有35 kV向如線#87和#89桿附近的π接點(diǎn)，新建線路路徑全長(zhǎng)約1.37 km。經(jīng)計(jì)算，35 kV單相短路的接地電容電流約為13.3 A。考慮變電站增加的接地電容電流（35 kV按照13%附加值計(jì)算），接地電容電流約為15.21 A[6,7]。大于規(guī)程要求的10 A水平，需進(jìn)行接地補(bǔ)償，根據(jù)計(jì)算出消弧線圈容量為415 kVA，故本期消弧線圈容量選為430 kVA。此外，35 kV母線裝設(shè)1臺(tái)接地變兼站用變壓器成套裝置，變?nèi)萘窟x擇630 kVA。

3 短路電流及主要電氣設(shè)備選擇

3.1 短路電流

水沐堰光伏電站35 kV開(kāi)關(guān)站母線遠(yuǎn)景短路電流為4 kA。光伏電站π接向陽(yáng)橋～如東35 kV線路，中華變投產(chǎn)后，中華35 kV母線遠(yuǎn)景短路電流為10.5 kA。考慮為系統(tǒng)發(fā)展留有余度，水沐堰光伏電站35 kV斷路器遮斷容量選用31.5 kA。

3.2 35 kV配電裝置

35 kV開(kāi)關(guān)站內(nèi)采用單母線斷路器分段接線方式，光伏電站集電線路在Ⅰ段母線，新建的2回35 kV出線在Ⅱ段母線。本項(xiàng)目35 kV高壓開(kāi)關(guān)柜選用KYN61-40.5型移開(kāi)式金屬鎧裝高壓開(kāi)關(guān)柜，額定電壓為40.5 kV，額定電流為1 250 A，額定頻率為50 Hz，額定短路開(kāi)斷電流為31.5 kA，額定短路關(guān)合電流為80 kA，額定動(dòng)穩(wěn)定電流為80 kA，額定熱穩(wěn)定電流為31.5 kA/4 s，柜體的外殼防護(hù)等級(jí)不低于IP3X。

3.3 無(wú)功補(bǔ)償裝置

光伏電站滿發(fā)時(shí)，計(jì)算箱變、集電線路電纜以及架空送出線路的無(wú)功損耗[8,9]。在充分利用光伏逆變器的無(wú)功及其調(diào)節(jié)能力的基礎(chǔ)上，應(yīng)保證光伏電站無(wú)功功率在任何運(yùn)行方式下都有一定的調(diào)節(jié)容量，該容量為開(kāi)關(guān)站額定運(yùn)行時(shí)功率因素0.98(容性)～0.98(感性)所確定的無(wú)功功率容量范圍。考慮光伏電站終期裝機(jī)容量，本光伏電站在35 kV母線上配置1套-2～+2 MVar SVG動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

3.4 站用接地變裝置

根據(jù)35 kV母線單相短路電容電流的大小和站用負(fù)荷的要求，站用接地變壓器選用環(huán)氧樹(shù)脂澆注干式變壓器，變?nèi)萘窟x擇630 kVA，型號(hào)為DKSC-630/35-200/0.4，額定電壓為（37±2×2.5%/0.4）kV，接線組別為ZN和yn11，二次側(cè)為站用電源，容量為200 kVA。

3.5 35 kV箱式變電站

35 kV箱式變電站采用美式箱變，其采用戶外布置，具有體積小、安裝方便以及維護(hù)少等特點(diǎn)。箱式變電站容量選用1 000 kVA，選用35 kV電壓等級(jí)箱式變電站[10]。箱式變電站內(nèi)的35 kV變壓器采用三相雙分裂銅芯油浸式自冷無(wú)勵(lì)磁升壓變壓器，型號(hào)規(guī)格為S11-M-1000 kVA，變壓器高壓側(cè)額定電壓為37 kV，低壓側(cè)額定電壓為0.315 kV，短路阻抗為6.5%，聯(lián)接組別為D和y11。

3.6 站用電源

站用電系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)站用變，其中1臺(tái)采用35 kV接地變兼站用變壓器，從35 kV母線引取，另1臺(tái)采用10 kV預(yù)裝式箱變，從水沐堰村抗旱抽水機(jī)埠的配電室取得。其中10 kV站用變壓器采用1臺(tái)10 kV預(yù)裝式變電站（歐式箱變）作光伏電站備用電源用，箱變內(nèi)10 kV變壓器型號(hào)為SCB11-200/10，容量為200 kVA，電壓組合為（10±2×2.5%/0.4）kV，聯(lián)接組標(biāo)號(hào)為D和yn11，阻抗電壓Ud=4%。

4 電氣設(shè)備布置

4.1 電氣總平面布置

35 kV開(kāi)關(guān)站占地2 700 m2，開(kāi)關(guān)站圍墻為實(shí)體圍墻，站區(qū)東西方向長(zhǎng)為60 m，南北方向長(zhǎng)為45 m，建筑物主體是生產(chǎn)用房和35 kV配電樓，均為單層建筑。開(kāi)關(guān)站整體布置簡(jiǎn)明清晰，緊湊合理，能滿足運(yùn)行要求。此外，站內(nèi)設(shè)置車(chē)道，道路寬4 m，道路內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑為9 m。

4.2 35 kV配電裝置布置

35 kV高壓開(kāi)關(guān)柜統(tǒng)一布置在35 kV配電樓配電裝置室內(nèi)，為單列布置，站用接地變及消弧線圈裝置采用室外集裝箱式布置。

4.3 35 kV無(wú)功補(bǔ)償裝置布置

35 kV無(wú)功補(bǔ)償裝置控制設(shè)備布置35 kV配電樓無(wú)功補(bǔ)償裝置室內(nèi)，無(wú)功補(bǔ)償裝置戶外降壓變壓器布置在35 kV開(kāi)關(guān)站東南角。

4.4 低壓配電裝置布置

站用低壓配電裝置共設(shè)3面低壓配電柜，布置在35 kV配電樓二次設(shè)備室內(nèi)。

5 防雷接地

開(kāi)關(guān)站周?chē)笤O(shè)以水平接地體為主，垂直接地體為輔，聯(lián)合構(gòu)成的閉合回路的接地裝置，供工作接地和保護(hù)接地之用。水平接地體采用-50×5的熱鍍鋅扁鋼、垂直接地體采用L 50×50×5的熱鍍鋅角鋼，接地電阻應(yīng)小于4 Ω。

主接地網(wǎng)采用以熱鍍鋅扁鋼為水平接地帶，鋅包鋼接地極為垂直接地極，并局部添加土壤改良劑的綜合方法設(shè)置。開(kāi)關(guān)站新上一支高25 m的避雷針，保護(hù)范圍為所有35 kV戶外配電設(shè)備及配電樓部分屋頂。本站生產(chǎn)用房和35 kV配電樓采用沿屋頂女兒墻敷設(shè)避雷帶進(jìn)行防直擊雷保護(hù)。

6 結(jié) 論

分布式光伏發(fā)電電氣一次設(shè)計(jì)是分布式光伏發(fā)電的關(guān)鍵組成部分，是光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)有效結(jié)合的紐帶。本文結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)案例，通過(guò)分析分布式光伏電站電力接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣主接線、主要電氣設(shè)備選擇、電氣設(shè)備布置以及防雷接地等幾個(gè)方面，確定本光伏電站開(kāi)關(guān)站35 kV電氣一次總體設(shè)計(jì)方案，為其他類(lèi)似分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目提供理論基礎(chǔ)。