陳祥，汪玉華

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，昆明 650011)

光伏電站陣列內(nèi)電纜損耗分析

陳祥，汪玉華

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，昆明 650011)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)光伏陣列的設(shè)計(jì)的多樣性，對(duì)整理其電纜設(shè)計(jì)的模型，應(yīng)用經(jīng)典公式對(duì)電纜的損耗進(jìn)行了計(jì)算分析。依據(jù)各方案的分析結(jié)論，進(jìn)一步得出對(duì)類似工程建設(shè)具有借鑒意義的電纜損耗參考值。

光伏陣列；電纜損耗；光伏電站效率

0 前言

2013年我國(guó)光伏電站新增裝機(jī)位列世界第一[1]，大型光伏電站列陣設(shè)計(jì)方案主要采用集中式逆變器、分布式逆變器兩種方案。前者國(guó)內(nèi)慣用采用兩級(jí)匯流的方式：光伏組串經(jīng)匯流箱的一次匯流后，再匯流至直流配電柜 (或逆變器內(nèi)直流側(cè))。后者采用兩級(jí) (三級(jí))回流方式：光伏組串回流至分布式逆變器，再匯流至交流母線(或經(jīng)交流匯流箱三級(jí)匯流至交流母線)。

目前，縱觀國(guó)內(nèi)外尚缺乏對(duì)上述兩種方案中陣列內(nèi)電纜損耗的定量分析。因此，本文首先對(duì)集中式逆變器方案的不同回路數(shù)的匯流箱進(jìn)行電纜損耗計(jì)算分析。再對(duì)兩種方案在一次匯流回路數(shù)相同的情況下進(jìn)行對(duì)比分析。最后得出各方案的分析結(jié)論。

1 光伏方陣損耗分析

光伏電站方陣效率為：

光伏組件可認(rèn)為是電流源，同時(shí)：

同時(shí)考慮到ΔU=UΔU(%)

結(jié)合上式，得出

故，光伏電站方陣效率即轉(zhuǎn)化為壓降計(jì)算。

2 集中式逆變器電纜電壓降計(jì)算

根據(jù) 《電氣設(shè)計(jì)一次手冊(cè)》中提供的直流、交流電纜壓降公式[2]分別為式3、式4：

式中：

ΔU：直流電壓壓降百分比 (%)

Ig：電流 (A)

L：電纜長(zhǎng)度 (km)

R：直流電纜電阻 (Ω/km)

r：交流電纜電阻 (Ω/km)

x：交流電纜電抗 (Ω/km)

φ：功率因素，本文逆變器出口交流電源的cosφ取1。

上述參數(shù)中：電流、長(zhǎng)度、電壓均可根據(jù)電池板參數(shù)確定，電纜電阻則可根據(jù)國(guó)標(biāo) 《電纜的導(dǎo)體》 (GB/T 3956-2008)[3]中查得，基于上述數(shù)據(jù)即可完成電纜的壓降計(jì)算。

當(dāng)環(huán)境的溫度、輻射值發(fā)生變化，光伏組件的工作電壓、電流隨之變化。最終將引起光伏方陣內(nèi)電纜壓降的變化。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，本文取光伏組件為穩(wěn)定電流源，即光伏組件的工作電壓恒定，僅工作電流隨環(huán)境參數(shù)變化。

本文對(duì)單位MWp光伏陣列進(jìn)行計(jì)算分析，其模型取值如下：

光伏陣列所處緯度：23°；光伏組件為60片多晶硅250 W 組件，其中 Vmppt=30.7 V，Imppt= 8.15 A；組串?dāng)?shù)采用22，組串并聯(lián)數(shù)182回；組件至匯流箱電纜采用1×4 mm2；匯流箱采用8、16回路匯流箱，對(duì)應(yīng)數(shù)量取24、12臺(tái)，匯流箱出線電纜截面相應(yīng)采用1×35 mm2、1×70 mm2；

基于上述模型，針對(duì)理論方陣 (地面坡度為0度)：首先繪制出單位MWp光伏陣列的布置圖，再分別布置8、16回路的匯流箱，測(cè)量各段電纜的長(zhǎng)度；針對(duì)山地方陣：其電纜長(zhǎng)度采用云南某山地工程的實(shí)際敷設(shè)值。

最后結(jié)合式1～4、表1分別計(jì)算理論方陣、實(shí)際工程計(jì)算電纜損耗占比，計(jì)算結(jié)果分析得出：

1)理論狀態(tài)下，采用何種匯流箱，當(dāng)計(jì)算口徑一致時(shí)，其理論損耗與匯流箱的選擇差異不大，考慮到電纜參數(shù)的特性，可認(rèn)為其理論損耗在各種狀態(tài)下一致。

2)實(shí)地狀態(tài)下，電纜的連接長(zhǎng)度在復(fù)雜地形條件下大幅增加，因此，相比于理論狀態(tài)下，電纜損耗大幅增加，同時(shí)。由于多回路匯流箱的涉及組串?dāng)?shù)多，16回路匯流箱電纜損耗明顯大于8回路的電纜損耗，當(dāng)電流值為8.15 A時(shí)，前者損耗占比高于后者2.63%。

3 分布式逆變器電纜電壓降計(jì)算

近年來，隨國(guó)內(nèi)大量光伏電站的建設(shè)。為適應(yīng)地形起伏較大、分布式屋頂光伏系統(tǒng)的發(fā)展。在一些MWp級(jí)的光伏電站中，越來越多的分布式逆變器投入到建設(shè)中。兩類逆變器方案在不同的文獻(xiàn)中結(jié)論存在差異，本文將通過上述方法，在一級(jí)匯流前采用相同的匯流數(shù)，以完成相應(yīng)分析。電站模型分別如下：

3.1 集中式逆變器單位

光伏陣列所處緯度：23°；光伏組件為60片多晶硅250 W 組件，其中 Vmppt=30.7 V，Imppt= 8.15 A；組串?dāng)?shù)采用22，組串并聯(lián)數(shù)182回；組件至匯流箱電纜采用1×4 mm2；匯流箱采用6回路匯流箱，對(duì)應(yīng)數(shù)量取32臺(tái)，匯流箱出線電纜截面分別采用1×25 mm2、1×35 mm2；

3.2 分布式逆變器單位

光伏陣列所處緯度：23°；光伏組件為60片多晶硅250 W組件，其中Vmppt=30.7V，Imppt=8.15 A；組串?dāng)?shù)采用20，組串并聯(lián)數(shù)200回；組件至分布式逆變器電纜采用1×4 mm2；逆變器采用28 kW，其中Vmppt=480～800 V，36臺(tái)，每個(gè)逆變器接入6回組串；逆變器出口電纜：4×16 mm2；交流匯流箱：6回路，6臺(tái)；交流匯流箱出口電纜：3×95 mm2+1×50 mm2。計(jì)算結(jié)果分析得出：

1)采用集中式逆變器，結(jié)合表2、表3，當(dāng)匯流箱由8回路變?yōu)?回路時(shí)，當(dāng)接近滿負(fù)荷時(shí)，光伏方陣電纜損耗基本相同，當(dāng)負(fù)荷較低時(shí) (低電流)，根據(jù)對(duì)中間過程數(shù)據(jù)的分析，認(rèn)為此時(shí)的因一級(jí)匯流的電纜短，故壓降低，使得低負(fù)荷時(shí)其電纜損耗較低。與表2的分析結(jié)論一基本一致；

2)采用集中式逆變器，當(dāng)匯流箱出線電纜由25 mm2增加至35 mm2時(shí)，因電纜電阻降低，光伏方陣電纜損耗下降較明顯；

3)低負(fù)荷時(shí)分布式逆變器的損耗高于集中式逆變器；高負(fù)荷時(shí)分布式逆變器的損耗接近集中式逆變器。

4)上述表2中三個(gè)方案的銅耗量 (銅密度按照8.9 t/m3計(jì)算)分別為：1 t、1.35 t、1.33 t。可以看出，當(dāng)匯流箱出線電纜采用35 mm2時(shí)，集中式逆變器方案與分布式逆變器方案的電纜損耗基本一致，此時(shí)銅耗基本一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)理論狀態(tài)下，采用何種匯流箱，其理論損耗與匯流箱回路數(shù)的選擇差異不大。

2)采用集中式逆變器、分布式逆變器時(shí)，當(dāng)各方案的銅耗一致時(shí)，方陣的電纜損耗基本一致。

3)本文因未考慮兩種逆變器本體效率、可靠性等因素。因此對(duì)兩種逆變器的方陣整體損耗不做分析。

[1] Renewable Energy Policy.RENEWABLES 2014 GLOBAL STATUS REPORT [M] . REN21 Secretariatc/o UNEP，2014.

[2] 水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院.電氣設(shè)計(jì)一次手冊(cè) [M].中國(guó)電力出版社，1986.

[3] GB/T 3956-2008.電纜的導(dǎo)體 [S].

Analysis of Cable’s Energy Loss in PV Array

CHEN Xiang，WANG Yuhua
(Yunnan Electric Power Design Institute，Kunming 650011，China)

For the reason of design diversity in the PV Array，F(xiàn)irstly，we established the model of cable’s energy loss，Secondly，Base on the calculated result in classical formula，we figured out the reference values of cable’s energy loss in respective projects.

PV Array；cable’s energy loss；efficiency of PV power station

TK615

B

1006-7345(2015)05-0027-02

2015-02-04

陳祥 (1980)，男，碩士，高級(jí)工程師，中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，從事電站設(shè)計(jì)、研究工作 (email) skiecx＠126.com

汪玉華 (1962)，男，高級(jí)工程師，云南省電力設(shè)計(jì)院，從事電站設(shè)計(jì)、研究工作 (email)ynpdwyh＠sina.com