光伏電站增容計算

馬彰勛

(協鑫能源工程有限公司， 江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

2020年9月，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會上宣布，中國CO2排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[1]。數據顯示，能源燃燒是我國主要的CO2排放源，占全部CO2排放的88%左右，電力行業排放又約占能源行業排放的41%[2]，因此推動高耗碳發電向綠色發電轉型是一個重要的發展方向。隨著近年來光伏電站的快速建設，規模化可利用“優質”地面愈發緊促，根據PVsyst軟件計算，在我國中緯度地區，100 MW規模級別的光伏電站有效占地愈133 hm2，高緯度地區或山地丘陵地形地區的數值將大幅增加，可見在不考慮電力接入的情況下，僅僅占地這一環節便束縛著大型地面電站的建設。經過現勘及了解發現，許多已建成電站周邊尚存許多可利用地塊，本文結合已投運項目，以充分利用本部分地面為基礎，從技術角度進行研究、計算并形成了結論。

1 可行性及方案介紹

根據行業發展現狀，在電力接入、土地以及與原設計深度契合等邊界條件下，提出了一種基于已投運電站條件擴容的生產模式及計算，主要依托于四點：

1)光伏電站的設計中，考慮產品的序列性，線纜及部分電氣元件的選型基本都會有一定的裕量，具備有限擴容的條件；

2)對于以往的光伏電站，容配比基本為1:1左右，但根據2020年典型地區不同容配比LCOE的計算結果，其容配比最大已至1.8：1[2]；

3)根據設計及運行數據，系統效率鮮有超過85%的項目，因此相較于核準容量，尚有15%以上的有效缺額；

4)作為組件固有屬性，光致衰減(首年2%～3%，之后0.55%～0.8%)為擴容出力提供了更大的空間。

因此，條件限額擴容基本不影響電力系統的接入，兼有可利用土地的情況下，在技術上具備可行性。

面向補貼電站的增容應分系統計量并劃分好產權分界，做到結構簡單、計量清晰、分界明確。基于此提出3種擴容方案：

方案一，新增光伏發電方陣，含就地升壓變，其出口并入原系統，接入點配置計量表計；

方案二，在原系統方陣的基礎上增加光伏組件陣列，含逆變器/匯流箱，其對應出口并入原系統，接入點配置計量表計；

方案三，新增光伏發電子陣、匯集線路及接入柜(升壓站內)，接入柜內配置計量表計。

考慮普適性，本文主要就方案一結合項目實例進行說明。

2 項目情況

項目地位于徐州，已于2016年實現并網。遠景建設規模為20 MW，一期實際裝機容量10.8427 MWp。建設35 kV開關站1座，35 kV采用單母線接線形式，包括：1回出線，2回光伏匯集線路進線，1個無功補償間隔，1個接地變兼站用變間隔，1個PT間隔，1個計量間隔。其中無功補償容量為5 Mvar。測控保護方面， 匯集進線斷路器配置常規線路保測一體裝置，35 kV出線柜至對側配置光纖差動保測一體裝置。

光伏場區配套建設9臺箱變，包括1臺容量為2 000 kVA的箱變和8臺1 000 kVA的箱變，其通過一回35 kV集電線路以直埋敷設接入35 kV開關站，35 kV匯集線連接方式及電纜規格選擇見表1。

表1 35 kV集電線路連接方式及電纜規格

3 設備核算

本項目光伏場區35 kV電纜選用兩種規格：ZR-YJHLV22-26/35 kV-3×95 mm2和ZR-YJHLV22-26/35 kV-3×120 mm2，以直埋方式敷設，敷設間距不小于0.25 m，其載流量見表2。

表2 35 kV鋁合金電纜載流量

電纜直埋敷設計算載流量時需考慮土壤溫度校正系數、土壤熱阻校正系數及并列敷設校正系數的影響[3]。根據項目地情況及電纜敷設現狀，綜合校正系數為

k1=k11×k12×k13[4]

(1)

式中：k11—溫度校正系數，取0.96；

k12—土壤熱阻系數，取0.93；

k13—并列敷設系數，取0.92。

因此，綜合校正系數為0.8214， 規格為ZR-YJHLV22-26/35 kV-3×120 mm2的電纜實際載流量為197 A。考慮35 kV匯集線額定電流為165 A，可知電纜約束下，可增配的容量約為2 MW。

4 繼電保護定值現狀

按照新增2 MW裝機容量，根據繼電保護現狀，方案涉及1號匯集進線和出線繼保裝置的定值設定。

目前1號匯集進線、出線的保護功能投、退及定值設定見表3、表4。

②過流Ⅰ段、Ⅲ段電流為投入狀態，過流Ⅱ段電流為退出狀態。

5 繼電保護定值核定與計算

參照項目接入系統方案，按短路電流實用計算方式進行計算[5]，將新增的2 MW納入考慮后，短路電流計算結果見表5。

5.1 匯集進線保護定制核定與計算(PSL641U部分)

5.1.1 過流I段保護

過流I段保護動作電流按避越變壓器外部故障的最大短路電流計算[6]，即

Idz=Kk×Id.max

(2)

式中：Kk—可靠系數，取1.6；

Id.max—變壓器外部故障的最大短路電流。

因此，增容前整定計算值為414 A，增容后整定計算值為417 A，實際整定值為450 A。可知，增容前后計算整定值相差不大，因此本部分保持不變。

5.1.2 過流III段保護

過流III段保護動作電流應與相鄰的延時段或過電流保護配合整定，同時，電流定值還應躲過最大負荷電流，最大負荷電流應考慮常見運行條件下可能出線的最嚴重情況[7]，即：

Idz=Kk/Kf×Ifh.max

(3)

式中：Kk—可靠系數，取1.2；

Kf—返回系數，取0.95；

Ifh.max—最大負荷電流。

因此，增容前整定計算值為208 A，增容后整定計算值為250 A，實際整定值為110 A。可知，實際整定值與計算整定值不一致，經核查歷史記錄，存在實際運行電流為超過設定值110 A的情況，已復核調整。

5.2 出線保護定制核定與計算(NSR618RF-D02部分)

5.2.1 低壓閉鎖過流保護

低電壓閉鎖的過電流保護定值，與過電流保護計算基本一致，不同的是其最大負荷電流的計算可以不考慮負荷自啟動電流。本項目無功補償容量為5 Mvar，計算負荷電流時應按全容量投入考慮。經計算，增容前整定計算值為234 A，增容后整定計算值為271 A，實際整定值為240 A，與增容前計算基本一致，因此增容后，其值宜修整為280 A。

5.2.2 差動保護電流

差動保護動作電流應躲避合閘時的最大充電電流，并可靠躲過區外故障時的最大不平衡電流。通常按照電容電流乘以一定的系數整定(投入電容電流補償時，取較低系數；不投時取較高系數)，一般不小于0.1～0.2In[8]。

5.3 充電功率計算

光伏站內匯集線路充電功率：

(4)

式中：C1—單位長度35 kV電纜電容，取0.146 μF/km；

L1—35 kV電纜長度。

因此，增容前計算值為0.14 Mvar(電纜長度為2.5 km)，增容后計算值為0.168 Mvar(電纜長度為3 km)。

送出線路充電功率：

(5)

式中：C2—單位長度35 kV架空線路電容，取0.905 μF/100 km；

L2—35 kV架空線路距離，取4.2 km。

因此，增容前后對應的充電電流分別為2.43，2.89 A。

5.4 區外不平衡電流

區外故障時，最大不平衡電流為

Ig=Kf×Ifh.max

(6)

式中：Kf—分流系數，取0.3；

Ifh.max—最大負荷電流。

因此，增容前整定計算值為55.5 A，增容后整定計算值為59.4 A，實際整定值為80 A。可知，增容前后計算整定值相差不大，實際整定值均滿足需求。

5.5 儲 能

隨著以風、光為代表的新能源發電裝機規模的擴大，其對于電力系統的滲透率逐漸增加。為了提升電力系統的調節能力、促進新能源的消納和能源結構的優化調整，對于新建設的集中式風電、光伏發電應按地方要求結合項目實際情況配套建設一定容量的儲能系統。

6 結論與展望

在“碳達峰、碳中和”的背景下，基于一種新的光伏電站建設模式，完成了典型增容方式下的過程計算。在該模式下，結構簡單、產權清晰、功能齊備，響應了國家和行業標準對于光伏電站的最新要求，同時，在基本不增加基礎設備的情況下，通過微調部分保護定值即可釋放一定的產能。

截至2020年底，全國光伏發電累計裝機容量約253.4 GW，其中光伏電站占比69%，約174.7 GW。一般在原建設容量的基礎上擴容10%左右具有較高的可行度，按照光伏電站裝機容量50%具備擴容條件的前提下，可擴容裝機規模約9 GW，具有非常好的市場和社會價值。