預制艙式變電站在高海拔光伏項目中的應用

肖 利 建， 高 爽

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

近幾年來，我國的光伏產業規模實現了迅速的發展和擴張，目前，中國的光伏行業產能已經穩居世界前列，是全球最大的光伏設備出口國。2010年之后，國內光伏裝機規模持續上升，近兩年的光伏行業新增裝機規模有所放緩，但每年仍有30～40 GW新增裝機容量。

四川省是中國西南地區的水電大省，省內的光伏項目近幾年來初具規模，但在整個能源結構中，裝機規模占比仍然相對較小，具有很大的發展潛力。四川地勢西高東低，省內的年總輻射分布按照地理分布，自西向東逐漸減少。川西高原地區，包括甘孜藏族自治州、涼山彝族自治州和阿壩藏族羌族自治州，以及攀枝花地區，是四川省太陽能資源較好的地區。這些區域的年太陽能總輻射量在4 100 ～5 500 MJ/m2以上,日照時數超過1 800 h，具有較好的開發價值[1-2]。集中式光伏發電站項目一般需要占用較大的地表面積以安裝足夠的光伏電池板。因此，通常選址在人煙稀少、地勢開闊的區域。川西高原地區人口密度小，面積廣闊，且經過四川省多年的能源開發建設，已具備了較好的電力輸出條件，非常適宜于開發山地光伏項目。盡管如此，由于川西高原地區較特殊的地理條件，這類項目在建設過程中又面臨海拔高、氣候條件惡劣、建設場地地表起伏不平、施工難度大等困難[3]。預制艙式變電站因其在工期、質量、項目管理、環境影響等方面的優勢，在新能源項目中具有較強的適用性，適合應用在該類高海拔山地光伏建設項目中。本文通過預制艙式變電站在正斗光伏電站中的應用，對此進行簡要的分析和介紹。

2 正斗光伏電站的基本情況

正斗光伏電站工程場址位于四川省甘孜藏族自治州鄉城縣正斗鄉頂貢大草原，場址區域為高山牧場。場址南北長約1.4 km，東西寬約1.8 km，植被以草甸為主，零星見樹木；地形坡度以0～10°為主，地勢開闊，地形平坦，場內海拔高度3 920～4 010 m，屬山地地貌。鄉城縣地處四川省西部青藏高原東南緣，屬于亞熱帶半干旱季風氣候區，主要特征是雨量少而集中，干濕季分明；降雨多集中在6～8月，冬、春季雨量少。日照充足，氣溫年差較小，日差較大，最高溫度出現在7月份，最低溫度出現在1月份，無霜期短，年平均霜期218.4 d，無霜期146.6 d。項目現場冬季氣溫極低，氣候惡劣，因此，每年的4月份仍有大雪極端天氣出現。

本項目總裝機容量為50 MWp，項目采用280 Wp單晶硅組件，組串式逆變器，平單軸式跟蹤支架系統。電站陣列區共包括32個子陣，每個陣列區布置1臺35 kV歐式箱變，采用3回35 kV集電線路接入220 kV升壓站35 kV母線，并通過1臺100 MVA的變壓器升壓至220 kV。電站新建220 kV升壓站1座，通過同期建設的220 kV高壓輸電線路接入項目西南方向的茨巫220 kV變電站220 kV側間隔。正斗光伏電站于2017年1月進場施工準備，根據項目建設要求，需在2017年6月30日前并網發電，期間面臨冬季施工、春節長假、運輸道路通行條件差等困難，建設任務艱巨。另外，由于本項目地處高山牧場區域，根據國家環保政策的要求，項目建設過程中還需考慮項目施工對項目所在地生態環境的影響，減少對高山草甸的破壞，該因素也對項目的施工組織措施、技術方案等方面提出較高的要求。

3 預制艙式變電站在高山光伏建設中的優勢

本項目地處4 000 m高海拔地區，冬季氣候極端惡劣，早晚溫差大。因此，在冬季施工過程中，若變電站主體建筑采用混凝土框架結構，則混凝土養護將面臨較大困難，費用成本較高，周期較長。經過技術經濟比選，結合項目實際的工期情況，本項目最終采用預制艙式變電站建設方案。

3.1 建設工期

傳統混凝土框架結構變電站在施工過程中，包括紅線范圍內的場地平整、基礎開挖、基礎澆筑、主體框架澆筑、墻體砌筑、室內外裝修等工序。而采用預制艙式變電站，則前期僅需完成紅線范圍內的場地平整、基礎開挖、基礎澆筑及預埋件埋設，后續待預制艙運抵現場之后進行吊裝即可，土建工程工期大為縮短。同時，也可以避免在高寒、高海拔地區進行冬季施工的困難[4]。

電氣工程方面，傳統結構變電站在土建工作完成并交面后，才能進入室內的電氣設備吊裝作業、電纜敷設、配線、上電調試等工序，需要較長的現場作業時間。而預制艙式變電站方案，可以將艙體生產工作與土建基礎澆筑工作同時開展，在基礎混凝土等強期，即可在預制艙制造廠內開展艙內電氣設備安裝、敷設電纜、電纜配線、廠內上電調試等工作，大幅度減少現場電氣安裝工作量和安裝周期[5]。

3.2 工程質量

傳統混凝土框架結構變電站與預制艙式變電站相比，混凝土澆筑量較大。本項目所在地位于高寒高海拔區域，面臨冬季施工的難題，一方面，作業人員難以及時就位，另一方面，混凝土養護成本較高，且由于現場施工條件限制，混凝土澆筑質量管控難度較大。采用預制艙方案可以大幅減少現場混凝土澆筑量，并且預制艙體在專業工廠內生產，質量更有保障，可以有效提高建筑質量。

在電氣設備安裝方面，采用傳統混凝土框架結構，則所有電氣設備需要在土建交面之后，在工程現場進行安裝調試，而預制艙式變電站建設方案中，大部分電氣設備可在工廠內完成艙內組裝和主要配線工作。通常情況下，工廠內安裝調試條件較好、安裝人員技術較高、安裝調試工具更為齊全，相較于現場安裝而言，可以實現更好的安裝質量和工藝水平[6-7]。

3.3 項目管控

預制艙式變電站，在艙體內集成了升壓站綜合自動化系統、中低壓開關柜設備、站用變壓器設備、通信設備、調度數據網設備、消防設備、工業電視設備、直流系統設備等設備，具有高度的集成性，減少了設備采購標段的劃分，降低了項目建設中的協調工作量，有利于建設方的項目管控[8]。

3.4 環境影響

相較于傳統方案，預制艙式變電站方案大大減少了變電站占地面積和土建工作量，現場施工作業人員數量大為減少，降低了現場施工臨建設施的使用需求，省減了混凝土澆筑方量，極大地減少了施工作業對項目所在地環境的負面影響，有利于當地生態環境的保護。

4 預制艙式變電站在正斗光伏項目中的應用

4.1 總體設計方案

正斗光伏項目預制艙式變電站共設置艙體7個，包括中控艙1個、二次設備艙1個、35 kV設備艙1個、站用電設備艙1個、蓄電池艙1個、生活艙2個。預制艙體的主體骨架由優質碳鋼、型鋼及鋼板等金屬材料經整體焊接而成， 以保證足夠的強度連接，并形成等電位。艙體的底架部件由型鋼焊接而成，主要鋼材材質選用優質碳素結構鋼，框架、門板及頂蓋均采用優質冷軋鋼板經噴砂、熱浸鋅防腐處理或采用不銹鋼部件(圖1)。預制艙體的墻體結構由外墻板、防火板、吸濕層、骨架內保溫層、內墻板等組成。預制艙頂部采用人字型結構，人字型頂部斜度大于3°，并配套設置排水槽和落水管。

圖1 艙體底部結構

在艙體功能劃分中，中控艙內主要裝設電站綜自系統上位機設備、調度設備、逆變器監控系統上位機設備、火災自動報警系統設備、工業電視顯示屏等；二次設備艙內裝設升壓站內的控制、保護屏柜、服務器機柜、通信機柜等設備；站用電設備艙內裝設400 V站用電配電盤、站用變等；35 kV設備艙內裝設接集電線路的35 kV充氣式開關柜，并通過絕緣管母線與主變低壓側相連，另外，還通過電力電纜連接電站SVG設備；蓄電池預制艙內主要裝設直流系統蓄電池，采用防爆艙體；生活預制艙內主要布置運行人員生活起居設施，供運行值班人員使用，預制艙式變電站總體布置方式，見圖2。

圖2 正斗升壓站航拍圖

表1 兩種方案標段數量對比

4.2 采購方案

升壓站內電氣設備較多，相較常規建設方案，采用預制艙式變電站建設方案，在設備采購階段需要對標段劃分進行適當的調整，在預制艙采購標段中進行設備集成。本項目在實施過程中，將主要的控制、保護設備以及高低壓開關柜設備等均集成到預制艙設備標中。

由表1可以看出，新的建設方案中，標段數量明顯減少，對于項目建設方而言，這種調整降低了采購工作量，減小了各標段之間的管理協調難度。

4.3 運 輸

預制艙一般體積較大，在運輸中應選用大型平板拖車進行運輸。而且，根據公路超限運輸的規定，對于體積過大的艙體還需進行分段運輸。同時，需提早向交通管理部門申辦超限運輸手續。本項目中，二次設備艙體積龐大，采用了分段運輸、現場拼接的方式，其余艙體均整體運輸。

預制艙式變電站在廠內已完成了主要電氣設備的艙內安裝工作，為防止設備在運輸和吊裝過程中的損傷，在運輸前應采取額外的加固措施(圖3)。

圖3 運輸保護措施

4.4 吊裝和拼艙

預制艙裝及落位都需要采吊裝，預制艙基本吊卸具有吊/航吊、吊桿、卸扣、吊帶和鋼絲繩。預制艙吊卸落位于運輸輛時，采麻繩、鋼絲繩等加固件將預制艙與體結實牢固地連接在一起(圖4)。

4.5 實際應用中的要點

預制艙式變電站方案，相較于傳統變電站建設實施方案有不少的優點和長處，但是在實際應用過程中，要充分發揮其優點和長處，還需要注意以下方面：

圖4 艙體吊裝

(1)設計先行。盡早確定設計方案和電氣設備供應商。預制艙式變電站成套性強的特點，是其優點之一，但在工程實施中，這一特點也要求項目設計工作提早開展，盡早完成設備選型、確定品牌，否則，將嚴重制約預制艙整體設計、制作工作，變優勢為劣勢。

(2)加強統籌管理，合理安排施工工序。預制艙式變電站在項目建設工期方面的主要優勢在于可以變直線工期為并行作業，有效縮短項目整體建設周期。在項目建設過程中，應充分協調各作業單位的工期進度，實現工廠生產和現場施工作業的有序、無縫銜接。

(3)做好運輸和吊裝方案策劃。預制艙式變電站的艙體運輸是一個重點，亦是一個難點，一般山地光伏項目均地處偏遠地區，在艙體設計階段，應提前開展運輸策劃工作，以確保艙體運輸方案的可行性和安全性。

(4)加強現場拼接施工工藝的管控。由于公路超限運輸的限制，大型艙體一般需進行分割運輸，現場拼接。預制艙體的使用年限一般在20～30年以上，內部多有精密設備。因此，艙體的拼接質量非常重要，應嚴格按照施工工序進行，做好艙體拼接、密封、電氣連接和整艙檢驗工作。

5 結 語

正斗光伏電站已于2017年6月底順利并網發電，年利用小時數連年超過設計值，取得了較好的社會經濟效益。本項目采用了一些先進的技術和施工方案，如大規模應用在高海拔山地條件下的平單軸跟蹤系統、智能光伏運維管理系統、新型箱變基礎方案等，預制艙式變電站作為較新穎的變電站實施方案，也在本項目中實現了成功的應用。預制艙式變電站因其在工期、質量、項目管理、環境影響等方面的優勢，在新能源項目中具有較強的適用性，適合應用于該類高海拔山地光伏建設項目中，本文通過預制艙式變電站在正斗光伏電站中的應用，對此進行簡要的分析和介紹。預制艙式變電站近年來在國內推廣應用較多，一些主流廠家不斷推出新的技術標準和產品，是未來變電站建設方式的一個發展方向，其特點符合高海拔山地光伏建設項目的實際需求，值得推廣。