云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 ■ 蘇穎 晉春杰 武平 郭巍 徐武 何晉

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，世界上各個(gè)國(guó)家對(duì)電力的需求量也在逐年增加，太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿惹鍧?、綠色能源受到了全世界廣泛的認(rèn)可與關(guān)注[1]。在各種新能源快速發(fā)展的情況下，光伏發(fā)電擁有巨大的國(guó)際市場(chǎng)和廣闊的發(fā)展前景。目前，光伏發(fā)電的核心技術(shù)已經(jīng)慢慢進(jìn)入成熟的軌道，其對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用，在全球能源高度緊張的情況下，這一技術(shù)也能很大程度上滿足人們對(duì)新能源的需求。

以我國(guó)西南地區(qū)云南省為例，“十二五”期間，云南省大型并網(wǎng)光伏電站的建設(shè)容量達(dá)到101.6萬(wàn)kW，代表云南省大型并網(wǎng)光伏電站的建設(shè)發(fā)展邁入了一個(gè)更高的臺(tái)階。賓川縣位于云南大理白族自治州東部，是云南省太陽(yáng)能資源最具開(kāi)發(fā)價(jià)值的區(qū)域之一。該地年平均日照率高達(dá)60%，大氣中透明度也較高，太陽(yáng)光照射在空氣中的耗損十分少，其總輻射值基本保持在一定的范圍內(nèi)，年平均太陽(yáng)總輻射為6425.2 MJ/(m2·a)，可持續(xù)輸出太陽(yáng)能。由此可以判定，賓川縣具有非常豐富的太陽(yáng)能資源，完全具備太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)所需的必要條件。在賓川縣進(jìn)行并網(wǎng)光伏電站項(xiàng)目的規(guī)劃建設(shè)，將大力推動(dòng)云南省并網(wǎng)光伏電站建設(shè)的高速發(fā)展[2]。

1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究

1.1 光伏組件

光伏組件是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中最基本的結(jié)構(gòu)單元。單個(gè)太陽(yáng)電池片很少被用做電源，通常是將電池片串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)封裝成不同功率的光伏組件。光伏組件作為系統(tǒng)中的基礎(chǔ)核心部分，其質(zhì)量好壞和成本高低在很大程度上代表了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本參數(shù)指標(biāo)，質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定、封裝良好的光伏組件能夠在潮濕、惡劣和太陽(yáng)暴曬的自然環(huán)境下工作20年以上[3]。

1.1.1 太陽(yáng)電池種類(lèi)及性質(zhì)

目前常規(guī)使用的太陽(yáng)電池主要有：晶體硅太陽(yáng)電池、銅銦硒薄膜太陽(yáng)電池、碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池、非晶硅太陽(yáng)電池等。它們之間的比較如表1所示。

表1 常用的太陽(yáng)電池對(duì)比

由表1可知，晶體硅太陽(yáng)電池與其他2種太陽(yáng)電池相比，具有更長(zhǎng)的運(yùn)行壽命、相對(duì)較低的成本且無(wú)污染，用于大型光伏電站更為經(jīng)濟(jì)可靠。

1.1.2 光伏組件選型

光伏組件不僅需要有非常好的耐候性，還需在嚴(yán)酷的環(huán)境下能持久穩(wěn)定地工作，同時(shí)保持理想的光電轉(zhuǎn)換效率。

西村光伏電站位于賓川縣大營(yíng)鎮(zhèn)西村以西，總規(guī)劃裝機(jī)容量為150 MWp，共分為三期建設(shè)。第一期并網(wǎng)光伏電站工程裝機(jī)容量為50 MWp，已基本建設(shè)完畢。由于西村光伏電站規(guī)模較大，所以在光伏組件選型方面，應(yīng)首先考慮光電轉(zhuǎn)換效率較高且功率較大的光伏組件。一期50 MWp并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用的是72片的280 Wp多晶硅光伏組件，原因在于：1)由于72片多晶硅光伏組件平均轉(zhuǎn)換效率高于60片多晶硅光伏組件平均效率，且72片組件更加緊湊，所以使用72片的280 Wp多晶硅光伏組件能夠減少土地占用面積，充分考慮了土地的裕度；2)單個(gè)組件的功率越大，1 MW方陣所需要的組件數(shù)量越少，連接組件的直流電纜也越少，一方面可降低投資，另一方面可降低直流損耗，提高系統(tǒng)發(fā)電效率。

1.2 逆變器選型

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)研究中的核心之一就是逆變器的研究與設(shè)計(jì)，并網(wǎng)逆變器在系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率和可靠性中占有非常重要的地位。為了提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，同時(shí)也要使發(fā)電成本降到最低，需要對(duì)逆變器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其控制方法進(jìn)行研究，逆變器最基本的作用就是可以將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電[4]。2種并網(wǎng)逆變器的參數(shù)比較如表2所示。

由表2可知，根據(jù)并網(wǎng)逆變器目前的技術(shù)水平及價(jià)格因素，考慮到可靠性、實(shí)用性、靈活性等要求，本工程應(yīng)選擇集中式逆變器。組串式逆變器容量小，不適合用于大型光伏電站，目前世界上大型并網(wǎng)光伏工程一般都采用集中式逆變器，例如美國(guó)15 MW空軍基地光伏發(fā)電項(xiàng)目采用了52臺(tái)GT250(250 kW)逆變器，德國(guó)萊比錫6 MW光伏項(xiàng)目采用了11臺(tái)GT500E(500 kW)逆變器。

表2 并網(wǎng)逆變器的參數(shù)比較

在選擇了集中式逆變器的基礎(chǔ)上，結(jié)合一期50 MWp的裝機(jī)容量及設(shè)備運(yùn)輸條件，若選用單臺(tái)容量大的逆變器，其發(fā)生故障時(shí)發(fā)電系統(tǒng)損失發(fā)電量較大；若選用單臺(tái)容量小的逆變器，所需逆變器數(shù)量較多，會(huì)增加后期維護(hù)的工作量。因此，從工程運(yùn)行及維護(hù)角度考慮，經(jīng)過(guò)對(duì)比，本工程推薦選用型號(hào)為SSL0500的逆變器，該逆變器輸出額定功率為500 kW，最大光伏輸入功率可達(dá)560 kW，最高轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98.3%。

1.3 光伏方陣設(shè)計(jì)

1.3.1 光伏方陣布置

光伏電站經(jīng)常使用的光伏組件支架有固定式支架、傾斜單軸跟蹤支架、水平單軸跟蹤支架等。綜合地形、經(jīng)濟(jì)等方面的因素考慮，本工程光伏方陣的運(yùn)行方式?jīng)Q定采用固定式，所以方陣支架采用固定式支架[5]。光伏方陣的設(shè)計(jì)有2種選擇方案，2種方案對(duì)比如表3所示。

1)方案1：1 MW逆變器單元(2臺(tái)500 kW逆變器安放在一間逆變器室里)與2個(gè)500 kWp光伏方陣進(jìn)行連接，從而組成1 MWp光伏發(fā)電分系統(tǒng)。系統(tǒng)原理圖如所圖1示。

圖1 方案1光伏發(fā)電分系統(tǒng)原理框架圖

2)方案2：500 kW逆變器可與1個(gè)500 kWp光伏方陣進(jìn)行連接，從而組成0.5 MWp光伏發(fā)電分系統(tǒng)。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 方案2光伏發(fā)電分系統(tǒng)原理框架圖

表3 光伏發(fā)電分系統(tǒng)方案對(duì)比

綜上所述，本并網(wǎng)光伏系統(tǒng)宜采用“集中安裝建設(shè)，多支路上網(wǎng)”的技術(shù)路線，所以采用方案1，即1 MW逆變器單元與2個(gè)500 kWp光伏方陣進(jìn)行連接的方案。

1.3.2 光伏子方陣設(shè)計(jì)

一個(gè)較大光伏發(fā)電總系統(tǒng)往往是由一個(gè)個(gè)小的光伏發(fā)電分系統(tǒng)組成，這樣管理更方便，維修也更簡(jiǎn)便。本工程一期50 MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電總系統(tǒng)是由50個(gè)1 MWp光伏發(fā)電分系統(tǒng)組合而成；每個(gè)1 MWp光伏發(fā)電分系統(tǒng)是由2個(gè)500 kWp光伏發(fā)電子系統(tǒng)組合而成；而1個(gè)光伏發(fā)電子系統(tǒng)是由1個(gè)500 kWp光伏方陣和1臺(tái)500 kW逆變器組成。在每個(gè)光伏發(fā)電分系統(tǒng)中，通過(guò)2臺(tái)逆變器流出的交流電經(jīng)過(guò)1臺(tái)升壓變壓器，將電壓從270 V升至35 kV，當(dāng)電壓流到35 kV母線段后，再經(jīng)過(guò)1臺(tái)升壓并網(wǎng)變壓器，將電壓從35 kV上升到110 kV，同時(shí)將其并入電網(wǎng)[6]。

1.3.3 光伏組件的串、并聯(lián)

光伏方陣是由光伏組件通過(guò)串、并聯(lián)組合而成，并網(wǎng)逆變器的電壓性能和光伏組件可以承受的最大電壓決定了光伏組件所需要串聯(lián)的數(shù)目，逆變器的容量大小則確定了并聯(lián)數(shù)目。本工程采用280 Wp多晶硅光伏組件，并網(wǎng)逆變器的額定容量為500 kW。根據(jù)實(shí)際計(jì)算，確定一個(gè)組串需要串聯(lián)18塊組件，每一路組件串聯(lián)的額定功率容量為280×18=5040 Wp；與此同時(shí)，按照逆變器的參數(shù)計(jì)算出并聯(lián)路數(shù)N為500/5.04=99.2路，則取100路。所以，1個(gè)500 kWp的方陣的串聯(lián)數(shù)為18塊，并聯(lián)組串?dāng)?shù)為100路。

1.4 光伏方陣接線方案設(shè)計(jì)

1.4.1 光伏方陣布置

每個(gè)1 MWp光伏方陣有200個(gè)組串，每個(gè)組串需18塊光伏組件，共3600塊組件；對(duì)應(yīng)布置100個(gè)支架，每個(gè)支架上布置2個(gè)組串，即36塊組件。

因?yàn)閺?fù)雜的地理環(huán)境，方陣陣列之間的間距和所處地理位置需根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況確定，盡量做到少占土地及節(jié)約電纜。

1.4.2 直流匯流及直流配電

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的直流系統(tǒng)一般由光伏組件、光伏陣列防雷匯流箱、直流防雷配電柜、光伏并網(wǎng)逆變器及直流電纜組成。在大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要，選擇合適的匯流箱和直流防雷配電柜可以優(yōu)化直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)效率，降低發(fā)電成本。

直流匯流箱需具備以下特點(diǎn)：1)可同時(shí)接入16路光伏陣列，可對(duì)8路組串電流監(jiān)測(cè)；2)每路輸入回路的保護(hù)措施要用專(zhuān)用的高壓直流熔絲。綜合考慮技術(shù)及經(jīng)濟(jì)原因，本工程決定采用國(guó)產(chǎn)SPVCB-16型直流匯流箱。

直流防雷配電柜需要滿足：1)最大容量為500 kW；2) 8路直流輸入接口，最大工作狀態(tài)時(shí)可接8臺(tái)匯流箱；3)每路直流輸入側(cè)都有容易分?jǐn)嗟臄嗦菲骱头乐狗较蜃兎吹亩O管。滿足上述要求的選型即可優(yōu)化直流系統(tǒng)[7]。

2 電氣設(shè)計(jì)部分

光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏方陣、充放電控制器、逆變器、交流配電柜、太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等設(shè)備組成。并網(wǎng)光伏發(fā)電就是光伏組件產(chǎn)生的直流電，經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電，之后直接接入公共電網(wǎng)。圖3為集中式并網(wǎng)光伏發(fā)電原理圖。

圖3 集中式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.1 電氣一次主接線

西村光伏電站一期50 MWp需按照近區(qū)電網(wǎng)的現(xiàn)狀及發(fā)展情況選擇合適的接入點(diǎn)，適合以110 kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)了2種方案：

1)方案1：西村光伏1～3期共新建1座110 kV升壓站，最終以1回110 kV線路的形式接入系統(tǒng)。本期建成1回110 kV線路，然后接入220 kV海東變電站，線路的總長(zhǎng)度為11 km。

2)方案2：西村光伏1～3期共新建1座110 kV升壓站，最終以1回110 kV線路接入系統(tǒng)。本期建成1回110 kV線路，然后接入到大營(yíng)光伏110 kV升壓站，大營(yíng)光伏升壓站為了滿足匯集光伏送出需要，本期需建成大營(yíng)-海東變電站II線路。

對(duì)2種方案進(jìn)行對(duì)比分析可知，方案1投資成本少，年費(fèi)用少，潮流走向合理。方案2中，西村光伏送至大營(yíng)光伏升壓站后再接入海東變電站，新建線路長(zhǎng)，潮流迂回，損耗大；另外，西村光伏接入大營(yíng)后，擠占了其后續(xù)建設(shè)光伏電站的外送空間。綜上所述，推薦方案1。

本項(xiàng)目交流并網(wǎng)電壓為110 kV，可采取由逆變器交流輸出110 kV升壓并網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能交流輸出的匯集并網(wǎng)。這種方式共采用容量為1000 kVA、0.27/35 kV逆變升壓變壓器50臺(tái)，分別將每1 MWp逆變器的270 V交流輸出電壓升至35 kV后，用35 kV電纜匯流至升壓站35 kV母線，再通過(guò)1臺(tái)容量為75 MVA(考慮整個(gè)電站項(xiàng)目期共150 MWp光伏安裝容量)、35/110 kV主變壓器升壓至110 kV后接入電網(wǎng)[8]。

2.2 升壓站電氣主接線

在并網(wǎng)光伏電站中建設(shè)一座110 kV升壓站，升壓站一共可分為3個(gè)電壓層次：0.4 kV、35 kV和110 kV。其中0.4 kV為低壓站用電壓，35 kV為光伏方陣逆變升壓電壓，110 kV為接入系統(tǒng)電壓。75 MW的電能經(jīng)過(guò)1臺(tái)110 kV主變壓器將其自身的電壓升壓至110 kV，最后再并入其對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)中。由于西村光伏電站整體項(xiàng)目規(guī)模為150 MWp，所以一共需要2臺(tái)主變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。光伏發(fā)電子方陣經(jīng)升壓變壓器升壓后串接，接入光伏電站內(nèi)35 kV配電室，經(jīng)過(guò)箱式變壓器回流后接入35 kV母線，經(jīng)過(guò)升壓后送入110 kV配電裝置。

1)110 kV系統(tǒng)接線：110 kV是一期50 MWp電能接入系統(tǒng)的電壓等級(jí)。主變終期容量2×75 MVA，安裝1臺(tái)75 MVA主變壓器，經(jīng)110 kV組合電器接入110 kV母線側(cè)，并通過(guò)1回110 kV線路接入220 kV海東變，實(shí)現(xiàn)和電網(wǎng)的連接。

2)35 kV系統(tǒng)接線：一期工程出線3回，35 kV-I段母線包括1臺(tái)主變進(jìn)線柜，3臺(tái)電纜出線柜、1臺(tái)無(wú)功補(bǔ)償柜、1臺(tái)母線PT柜、1臺(tái)站用變柜，共7臺(tái)。后期工作方面：設(shè)置35 kV-I段母線，預(yù)留35 kV-II段配電裝置場(chǎng)地，35 kV-I段母線終期為5回出線。

站用電380/220 V系統(tǒng)采用單母線分段接線，設(shè)0.4 kV-I段、0.4 kV-II段2段母線，1#站用變電源進(jìn)線接至0.4 kV-I段， 2#站用變電源進(jìn)線接至0.4 kV-II段，施工/備用變電源進(jìn)線分別接至0.4 kV-I段和0.4 kV-II段，I段和II段之間設(shè)分段斷路器。進(jìn)線開(kāi)關(guān)采用智能型框架斷路器，進(jìn)線及分段斷路器額定電流為800 A。廠用電采用雙電源供電，一路電源由35 kV施工電源(施工變)改造而來(lái)，該電源規(guī)劃引自附近35 kV變電站，經(jīng)過(guò)35 kV施工變降壓接入0.4 kV母線；另一路引自本站35 kV母線，經(jīng)過(guò)廠用干式降壓變接入0.4 kV母線。低壓配電室設(shè)置廠用雙電源自動(dòng)切換柜和低壓配電柜[9]。

2.3 電氣二次部分

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用的監(jiān)控方式是集中式控制，把所需要監(jiān)視的范圍集中在一起進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控。主要采用的監(jiān)控技術(shù)是微機(jī)保護(hù)裝置計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，從而完成全站機(jī)電設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)用來(lái)監(jiān)視、控制、測(cè)量、保護(hù)等。采集的數(shù)據(jù)和電站的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)等主要信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的形式上傳到特定的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本工程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控規(guī)模大致包含光伏方陣、逆變器、升壓站等電氣系統(tǒng)。在升壓站的領(lǐng)域內(nèi)成立一個(gè)主控制室，控制室的工作人員通過(guò)大屏幕和LED監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況；主控室內(nèi)還設(shè)有工業(yè)電視監(jiān)視墻，即在墻上安放一個(gè)巨幕，同時(shí)也安裝了閉路電視和火災(zāi)報(bào)警器等設(shè)備。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的覆蓋范圍包括光伏發(fā)電單元和35/110 kV升壓站系統(tǒng)，時(shí)間記載功能可以用GPS設(shè)備來(lái)完成時(shí)間校準(zhǔn)。

2.4 防雷屏蔽措施

光伏發(fā)電作為最近幾年興起的一種環(huán)保型發(fā)電產(chǎn)業(yè)，國(guó)內(nèi)還暫未出臺(tái)光伏電站防雷設(shè)計(jì)的明確規(guī)范說(shuō)明。雷電保護(hù)區(qū)的劃分如圖4所示。

圖4 雷電保護(hù)區(qū)的劃分

由圖4分析可知，一個(gè)被保護(hù)的區(qū)域，由外到內(nèi)可以劃分為不一樣的被保護(hù)等級(jí)：最危險(xiǎn)的區(qū)域就是最外層的0區(qū)，越往內(nèi)部，危險(xiǎn)程度越低，最里面的空間部分則是被保護(hù)的最好的。很顯然，電站內(nèi)的逆變升壓機(jī)房只獲得了一層屏蔽，因?yàn)樗c0區(qū)之間只有一面墻的距離；成套機(jī)房?jī)?nèi)的空間被定義為1區(qū)；機(jī)房?jī)?nèi)各電氣設(shè)備的外殼則成為一層屏蔽層，電氣設(shè)備內(nèi)的空間則定義為2區(qū)。

相應(yīng)的在線路屏蔽措施方面，由于光伏電站場(chǎng)地非常開(kāi)闊，所占面積也非常大，光伏方陣?yán)锎罅康碾娎|暴露在戶外，很容易遭受到直擊雷，易對(duì)電纜產(chǎn)生傷害。因此，在實(shí)際情況允許的范圍內(nèi)，電纜應(yīng)該沿電纜槽盒、橋架敷設(shè)和鋪設(shè)橋架蓋板，從而防止直擊雷的打擊，起到保護(hù)電纜的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

云南省大理州賓川縣西村并網(wǎng)光伏電站一期工程規(guī)模容量為50 MWp，預(yù)計(jì)建成后的25年年平均發(fā)電量將達(dá)到69812.08 MWh，年利用小時(shí)數(shù)可高達(dá)1396.24 h。本項(xiàng)目的太陽(yáng)能資源條件好，所選場(chǎng)址的工程建設(shè)條件滿足項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)容量的要求，項(xiàng)目建成后的上網(wǎng)含稅電價(jià)相對(duì)較低，是云南省最好的大型光伏發(fā)電項(xiàng)目之一。光伏電站的投資大、運(yùn)行費(fèi)用低、發(fā)電成本較高，需要獲得較大的政策支持力度。根據(jù)我國(guó)國(guó)情，在我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富的地方建設(shè)并網(wǎng)光伏電站，并提供適當(dāng)?shù)牟⒕W(wǎng)光伏發(fā)電補(bǔ)貼，可促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)的發(fā)展，從而促進(jìn)我國(guó)光伏發(fā)電的有效發(fā)展。

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