大型光伏電站電氣設計與分析①

吳瞻

摘要：隨著我國經濟、科技的不斷發展，綠色、環保發展理念也愈發的受到重視。傳統火力發電廠需要消耗大量的煤炭等不可再生資源，同時還會排放大量的碳化物和硫化物等，造成環境污染，不利于環境友好型社會的建成。在此情形下，我國發電廠結構也開始調整，清潔、可再生能源逐漸占據重要地位。光伏主要依靠可再生太陽能發電，與傳統的煤炭發電行業相比，大規模的光伏發電在保證生態環境的前提下，可以有效地節約不可再生資源，減少污染氣體排放，有利于社會健康、綠色發展。本文主要對某大型光伏電站的電氣設計進行了研究，對主要設備和光伏配置進行了選型分析，通過這些以期對相關人員有所啟發。

關鍵詞：大型光伏電站;光伏發電;電氣設計;

能源工業是國民經濟的基礎，新能源產業集中體現了現代能源產業“高新、低碳、安全”的技術特點，是未來能源產業的發展方向與技術制高點新能源、可再生能源的開發利用是國家能源產業戰略布局的重要一環，2016年國家就提出了控制能源消費中煤炭能源消費量的比重，消費比重將從66%降低到60%，積極發展煤炭的替代能源，在“十三五”期間，可再生能源如風電、光伏產業獲得了大發展的機遇，國家對新能源產業政策的支持力度也不斷增大。太陽能是世界上分布最廣的可再生能源，光伏發電廠是以太陽能為基礎的發電廠。但由于光伏組件價格、陸上集控中心用地以及光伏送出路徑等因素的制約，集中連片開發大型光伏就顯得尤為重要。大型光伏能整合地區資源優勢，集中送出，減少征地，降低企業成本，達到降本增效的目的，也是光伏產業未來的發展趨勢。

1基本設備選擇

1.1光伏逆變器

目前逆變器主要分為組串式逆變器和集中式逆變器。隨著技術的進步，目前組串式逆變器容量一般在120～180kW級，采用多路MPPT進行跟蹤，比較適合于大型地面、山地、丘陵和屋頂分布式光伏場址;集中式逆變器容量一般在1000kW～3500kW，采用1～4路MPPT進行跟蹤，比較適合于平坦的一般農田、戈壁、水上等地形起伏較小的站址。對于組串式逆變器，如有單機故障，整體更換，維護較為方便，對整體發電幾乎無影響;對于集中式逆變器，一旦故障，造成大面積停電，但逆變器數量少，維護方便。可以根據項目的實際情況選用不同的逆變器。

1.2光伏組件

用于大型光伏電站電氣設計的光伏組件主要是晶體硅組件，太陽能電池的技術性能主要考慮成熟度和轉換效率兩個方面。結合目前國內光伏組件現狀，選取市場主流組件進行比較。單晶硅生產工藝比多晶硅復雜，成本也比多晶硅高，但性能優秀。在衰減率上，單晶硅要優于多晶硅。太陽能電池板在長期的高低溫交替中容易出線隱裂，單晶硅要具備更好的機械性能，抗隱裂會更好一些。單晶硅相比多晶硅的優勢在于低工作溫度、弱光響應、低線損以及低衰減等，故國內光伏電站多采用單晶硅。

1.3電池組件安裝方式

（1）固定式安裝，對普通的單晶硅太陽能電池組件常用的固定布置方式是按當地的最佳傾角。這種布置方式的優點是支架系統簡單，安裝方便，布置緊湊，節約場地，缺點是不能對太陽能資源充分利用。（2）傾角季度調節式，與固定式類似，不同之處在于其方陣傾角通常設計成約15°～65°，在此角度之間可以手動調節，每季度設置一個檔位。在夏季，正午太陽高度角較大，方陣傾角可適當減小;而在冬季時，正午太陽高角度較低，方陣傾角可適當增大，從而使太陽光入射到方陣面上，使其入射光線與方陣面法線間的夾角盡可能小來提高方陣年發電量。（3）逐日跟蹤式，針對組件固定式布置方式存在的缺點，開發研制出逐日跟蹤式太陽能光伏發電系統，根據組件陣列面旋轉軸的數量又分為單軸和雙軸跟蹤。逐日跟蹤式光伏發電系統雖然能提高組件對太陽能資源利用效率，但是需要增加機械跟蹤設備、光學儀器等，會增加單位工程造價。

2光伏系統配置

大型光伏電站光伏系統配置時應考慮光伏組件的安裝方式、組件性能、溫度和輻射系數、串結構、角度和間距等因素，選擇合適的配置方案可以優化大型光伏電站的電氣設計，減少工程投資，同時還能增加發電量。

3光伏發電廠電氣設計

3.1電氣主接線

（1）光伏方陣配電系統，多個電池組件串聯成一個電池組件，多個組件接入一臺逆變器，多個逆變器接入一套箱變，經箱變升壓至35kV，通過35kV集電線路送至升壓站。（2）集電線路，根據光伏陣列的布置位置情況，每6～7個光伏陣列組成一個集電線路單元，根據回路最大電流選擇導線載流量，并考慮降容系數。35kV集電線路采用電纜連接。若采用架空線，桿塔勢必會對組件布置產生陰影，且會站用一部分光伏用地。地塊中布置較為緊湊，采用電纜的用量相對來說不大，綜合考慮采用電纜有較大的優勢。（3）配電系統主要電氣設備，光伏電站配電系統主要電氣設備有升壓變電站和35kV集電線路，升壓變壓器選用箱變，容量2500kVA;箱變高壓側采用電纜連接方案，箱變之間采用35kV電力電纜直埋敷設連接。根據回路最大電流選擇導線載流量，并考慮降容系數。

3.2主要電氣設備選型

（1）短路開斷電流水平選擇，35kV開關設備短路開斷電流按31.5kA進行選擇，箱變高壓側負荷開關設備短路開斷電流按25kA進行選擇，箱變低壓側斷開電流按50kA進行選擇。（2）110kV配電裝置選擇，110kV配電裝置常用的型式有兩種：常規屋外敞開式布置和GIS形式布置。考慮到升壓站占地面積以及檢修維護性，綜合考慮建議采用戶內GIS配電裝置。（3）無功補償裝置選擇，逆變器可以保證的功率因數在0.98以上，根據此特點，光伏組件及逆變器本身無需再進行無功補償，光伏電站的無功補償主要集中在35kV箱變、集電線路、主變和送出線路無功損耗上。（4）站用電選擇，根據站用負荷統計用電設備功率，選用干式變壓器，電源從35kV配電裝置引接，站用電380V配電裝置選用MNS型低壓配電柜，采用電纜饋出至用電負荷。

3.3升壓站一次設備布置

（1）升壓站110kV配電裝置采用戶內GIS設備布置，主變壓器采用戶外布置方式。主變壓器高壓側采用鋼芯鋁絞線與110kV屋外GIS配電裝置相連，低壓側采用絕緣管母線與35kV配電裝置相連。在110kV 屋外配電裝置出線處設置門型構架，便于架空導線引出。（2）35kV開關柜布置在各升壓站35kV配電室內，開關柜采用單排布置。（3）站用配電裝置布置本工程站用接地變與接地變布置在戶外，低壓開關柜布置在綜合樓繼電器室內。（4）35kV無功補償裝置的布置，35kV無功補償裝置采用集裝箱成套設備，布置于戶外。

3.4防雷、接地、過電壓保護

（1）光伏電場逆變器設有防浪涌保護，防止感應雷和操作過電壓。光伏電池組支架與支架之間，支架與接地體之間通過扁鋼焊接成電氣通路，實現全場光伏電池支架電氣接地;箱變35kV側采用無間隙的氧化鋅避雷器作為過電壓保護器;站區接地需結合場地地質條件，選用經濟合理的接地方案。（2）主、輔建（構）筑物的防雷主要由避雷針和避雷器來進行保護。（3）在匯流箱、逆變器及35kV箱式變電站內逐級裝設浪涌保護器或者避雷器。35kV及以下電氣設備以避雷器標稱放電電流5kA時雷電過電壓殘壓為基礎進行配合，滿足規范要求。在110kV出線，35kV母線以及廠用電線路終端均裝設氧化鋅避雷器。

結論

太陽能是潔凈無污染的能源，大型光伏電站能整合區域資源，改善當地電力系統的能源結構，實現電力供應的多元化。提高電網中可再生能源發電的比例，優化電源結構，減少常規能源發電帶來的環境影響，推動社會和經濟的可持續發展。

參考文獻

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