山地光伏電站的集中送出開關(guān)站設(shè)計(jì)特點(diǎn)簡介

戚宏勛

（中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063）

光伏發(fā)電項(xiàng)目屬于綠色清潔能源，是國家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和3060目標(biāo)需大力實(shí)施的重要舉措，而山地光伏項(xiàng)目又是光伏發(fā)電項(xiàng)目的幾種主要形式之一。在我國東南地區(qū)存在大量丘陵地貌，丘陵絕對高度不高，頂部較為平緩，在同緯度地區(qū)中光照相對充足，適合開發(fā)光伏項(xiàng)目。同時(shí)，在丘陵地貌的低矮山丘之間，道路狹窄曲折，平地資源稀缺，給項(xiàng)目集中送出開關(guān)站選址、設(shè)備運(yùn)輸?shù)跹b、高效施工等均造成影響，這些問題在集中送出開關(guān)站的設(shè)計(jì)階段均需予以關(guān)注和討論。

1 站區(qū)整體布置優(yōu)化

在丘陵山區(qū)蜿蜒起伏的山巒之間，很難找到一整塊平地作為送出開關(guān)站的站址場地。多數(shù)情況下，需人工開鑿山體邊坡，平整出部分平地以湊足所需面積。這就要求，在山地光伏項(xiàng)目中的集中送出開關(guān)站要盡量布置緊湊，減少占地，最大化降低工程場平工程量。

通常，將集中送出開關(guān)站布置在山腳下、鄉(xiāng)道旁，可方便設(shè)備運(yùn)輸?shù)跹b及減少山體邊坡開挖量。如站內(nèi)設(shè)置環(huán)形道路，則需考慮進(jìn)出站道路與之的銜接。當(dāng)站址標(biāo)高與鄉(xiāng)道一致時(shí)，進(jìn)出站道路可直接與站內(nèi)道路銜接。如為了減少山體邊坡開挖量而抬高站址標(biāo)高，則勢必需增設(shè)進(jìn)出站道路延伸段，以彌合鄉(xiāng)道與站址標(biāo)高之間的高差，將增加相應(yīng)的土建工程量，這與抬高站址標(biāo)高所減少的山體邊坡開挖及支護(hù)工程量之間，需經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，才能明確站址標(biāo)高的抬高高度。某山地光伏項(xiàng)目35kV開關(guān)站的三種站址標(biāo)高對應(yīng)的進(jìn)站道路、邊坡開挖及相應(yīng)費(fèi)用、工期對比如圖1和表1所示。

圖1 不同站址標(biāo)高對應(yīng)的邊坡支護(hù)與進(jìn)站道路平面布置

表1 不同站址標(biāo)高土建工程量技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比

由圖及表可知，站址標(biāo)高與鄉(xiāng)道平齊的a方案，與站址標(biāo)高抬高2.5m后的b方案的總費(fèi)用十分接近，考慮到進(jìn)站道路還需新增征地等政策處理工作，且工期更長，最終該項(xiàng)目采用了a方案。

根據(jù)光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50797)，站內(nèi)道路的主要功能是滿足設(shè)備運(yùn)輸、安裝和運(yùn)行維護(hù)的要求，并保留可進(jìn)行大修與吊裝的作業(yè)面。當(dāng)開關(guān)站設(shè)置在鄉(xiāng)道邊時(shí)，如果站內(nèi)設(shè)備配置較為簡化，可考慮取消站內(nèi)道路，改為將所有設(shè)備面向鄉(xiāng)道一字排開，同時(shí)適當(dāng)提高站址標(biāo)高，并在靠道路側(cè)設(shè)置擋墻。考慮到50t汽車吊的吊車操作艙高度及起吊高度，建議站址標(biāo)高以高出路面2m為宜，并盡可能與鄉(xiāng)道間空出一塊3～4m寬的狹長地帶。

這樣，利用狹長地帶及小部分鄉(xiāng)道寬度，即可在不影響社會(huì)車輛通行的前提下，完成大型設(shè)備的運(yùn)輸車輛停靠、吊裝機(jī)械就位等布置；當(dāng)站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，該區(qū)域也能滿足消防車停靠滅火的空間需求。站址的抬高，可顯著降低邊坡開挖量，節(jié)省施工時(shí)間。一種典型的50MW以下山地光伏項(xiàng)目35kV開關(guān)站靠路邊緊湊布置如圖2所示。

需要說明的是，用于建筑材料、小件設(shè)備、小型機(jī)械工具等擺放的施工臨建堆場，也需要在站址選址時(shí)一并進(jìn)行考慮，面積約200m2，距離站址不宜過遠(yuǎn)。

2 預(yù)制艙的應(yīng)用

由于山地光伏項(xiàng)目的平地資源稀缺，以及光伏項(xiàng)目的建設(shè)周期十分短促，故主要電氣設(shè)備采用工廠預(yù)制的集成箱體式設(shè)備已是目前普遍的做法。

2.1 預(yù)制艙與集裝箱的差異

預(yù)制艙與集裝箱均是目前普遍采用的集成箱體式電氣設(shè)備布置方案，均可實(shí)現(xiàn)工廠化集成安裝、艙內(nèi)接線及單體調(diào)試，大幅減少現(xiàn)場安裝調(diào)試工作量，與集裝箱相比，預(yù)制艙還具有以下特點(diǎn)：

（1）集裝箱尺寸相對固定，無法內(nèi)置體積較大的電氣設(shè)備，如35kV開關(guān)柜。而預(yù)制艙的艙體可根據(jù)設(shè)備尺寸定制，按內(nèi)部設(shè)備配置的不同要求，設(shè)置不同的檢修門、進(jìn)出線開孔等，方案多樣，可滿足用戶的不同需求。當(dāng)艙體較大時(shí)，還可對艙體進(jìn)行分隔分段運(yùn)輸，現(xiàn)場拼裝。分艙運(yùn)輸過程中，采用艙內(nèi)臨時(shí)斜撐加固、分艙拼接處采用相互疊壓封板，并用臨時(shí)橫檔方管螺栓固定等措施，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封等技術(shù)要求。

（2）預(yù)制艙頂通常采用雙坡斜頂結(jié)構(gòu)，雨檐設(shè)計(jì)，坡度不小于5%，與集裝箱的平頂結(jié)構(gòu)相比，斜頂結(jié)構(gòu)更利于防水密封，對于多雨雪天氣的地區(qū)，該結(jié)構(gòu)較集裝箱更為適應(yīng)。

（3）預(yù)制艙防護(hù)要求除了IP等級的要求，還增加了IK等級要求。

圖3 某山地光伏電站大尺寸預(yù)制艙分段運(yùn)輸及現(xiàn)場拼裝

2.2 二次設(shè)備預(yù)制艙布置的優(yōu)化

與電網(wǎng)常規(guī)110kV/35kV變電站的二次屏柜相比，光伏電站集中送出開關(guān)站內(nèi)的二次屏柜多數(shù)與之相同，區(qū)別主要在于光伏電站內(nèi)還需增加發(fā)電側(cè)所需的AGC/AVC功率控制系統(tǒng)屏、光功率預(yù)測系統(tǒng)屏、安全穩(wěn)定控制屏等，此外，根據(jù)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，可能還需要增設(shè)光伏智能云系統(tǒng)屏、智能光伏無線傳輸系統(tǒng)屏等。

對于二次屏柜數(shù)量的優(yōu)化，主要是從系統(tǒng)功能的下放與合并入手。比如，公用及時(shí)鐘同步電能計(jì)量柜，與在電網(wǎng)變電站中相比，光伏電站中并沒有那么多回饋線需要電能計(jì)量，故其屏內(nèi)的接線較少，設(shè)備也相對簡化，僅有電能質(zhì)量監(jiān)測裝置、電能計(jì)量采集終端兩臺(tái)設(shè)備，可下放至高壓開關(guān)柜的母線設(shè)備柜中，與計(jì)量電度表一起放在該柜的二次小室內(nèi)。公用及時(shí)鐘同步電能計(jì)量柜內(nèi)的另一臺(tái)設(shè)備——時(shí)鐘同步裝置，本身體積不大，且功能相對獨(dú)立，可并入柜內(nèi)富余空間較多的屏柜，如故障錄波器屏、監(jiān)控主機(jī)及遠(yuǎn)動(dòng)通信屏等。

除了盡量精簡屏柜數(shù)量，一些廠家的二次屏可實(shí)現(xiàn)屏前接線，如預(yù)制艙配套采用這些廠家的二次屏，則可采用二次屏面對面，背面緊靠兩側(cè)艙壁的兩列布置方式，如圖4所示，與傳統(tǒng)的屏后接線屏前后均需要留出操作和巡視通道相比，采用屏前接線屏可使二次設(shè)備預(yù)制艙的尺寸大幅縮小，占地空間得到了優(yōu)化。

圖4 兩種不同屏位布置方式的二次設(shè)備預(yù)制艙

3 SVG成套裝置選型

根據(jù)光伏電站無功補(bǔ)償技術(shù)規(guī)范（GB/T 29321）的要求，通過35～110kV電壓等級接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電站，其并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差為相應(yīng)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的-3%～+7%；事故后恢復(fù)電壓為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的±10%。

光伏電站的無功電源通常包括并網(wǎng)逆變器和集中無功補(bǔ)償裝置兩大類。當(dāng)并網(wǎng)逆變器的無功容量不能滿足系統(tǒng)電壓與無功調(diào)節(jié)需要時(shí)，應(yīng)在光伏發(fā)電站配置集中無功補(bǔ)償裝置，并綜合考慮光伏電站各種出力水平和接入系統(tǒng)后各種運(yùn)行工況下的暫態(tài)、動(dòng)態(tài)過程，配置足夠的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償容量，動(dòng)態(tài)無功響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于30ms。

目前光伏電站中普遍配置SVG（Static Var Generator靜止無功發(fā)生器）作為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，主要由控制柜、功率柜、電抗器等組成，其基本原理是將橋式變流電路通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)，該電路采用IGBT為主要元件，適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式變流電路輸出電壓的相位和幅值或者直接調(diào)節(jié)其輸出電流，使該電路能夠快速連續(xù)地吸收或者發(fā)出滿足要求的無功功率，實(shí)現(xiàn)考核點(diǎn)恒定無功、恒定電壓和恒定功率因數(shù)等的控制要求，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)地運(yùn)行，SVG電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 SVG電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖（戶內(nèi)直掛式）

根據(jù)配置容量的不同，35kV電壓等級SVG成套裝置的并網(wǎng)連接方式，目前主要有直掛式和降壓式兩大類。對于10Mvar及以上容量普遍采用直掛式，即將一套35kV級SVG成套裝置通過外置串聯(lián)電抗器直接并聯(lián)到35kV母線上。而5Mvar及以下容量普遍采用降壓式，通過一臺(tái)35kV降壓變壓器連接一套10kV級SVG成套裝置。

在光伏電站中，一般均采用戶外型SVG，通常為集裝箱式，根據(jù)冷卻方式不同可分為水冷和風(fēng)冷兩大類。采用風(fēng)冷方式時(shí)，在集裝箱的側(cè)壁集中安裝一組風(fēng)機(jī)對成套裝置進(jìn)行冷卻；而采用水冷方式，在集裝箱的端部布置獨(dú)立的水冷系統(tǒng)，并通過一組外置獨(dú)立的熱交換風(fēng)機(jī)對水冷系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，水冷方式較風(fēng)冷方式的密閉性更好，噪音更小，對成套裝置的長期穩(wěn)定運(yùn)行更有利，但也將使設(shè)備總價(jià)較風(fēng)冷方式抬高約15%。

對于5～10Mvar容量的SVG成套裝置，并網(wǎng)方式采用直掛式與降壓式均可，具體需根據(jù)場地實(shí)際情況經(jīng)布置比較后確定。而對于冷卻方式，在山地光伏項(xiàng)目中，集中送出開關(guān)站所處環(huán)境的濕度、揚(yáng)塵等均較大，并且從降低對附近村莊噪音污染考慮，建議條件允許時(shí)均采用水冷方式。一種典型SVG成套裝置（9Mvar）的直掛式與降壓式設(shè)備布置如圖6所示，由于直掛式布置中采用外置干式空芯電抗器，需要考慮防電磁感應(yīng)的空氣距離要求（一般取不小于1.7倍電抗器外徑），而降壓式布置中的降壓變壓器采用箱式干變，無防火間距要求。此外，相同容量的SVG成套裝置，35kV級也比10kV級外包尺寸更大。故采用降壓式比直掛式的設(shè)備布置占地面積明顯減小，當(dāng)場地受限時(shí)，建議采用降壓式。

圖6 典型SVG成套裝置（9Mvar）設(shè)備布置

4 結(jié)語

本文就山地光伏電站的集中送出開關(guān)站的幾個(gè)主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了分析討論，以尋求在技術(shù)層面克服山地建設(shè)用地緊張，土地征收難度大等對項(xiàng)目影響的有效措施，為高效合理地完成山地光伏項(xiàng)目集中送出開關(guān)站建設(shè)，提供了參考。