林 淦 俞先鋒 史珍珍

(浙江水利水電學院 電氣工程學院,浙江 杭州310018)

在當今這個科學技術水平發(fā)展迅速的時代下,人們也越來越意識到長期以來采用的傳統(tǒng)發(fā)電方式的不合理性,于是紛紛開始尋找清潔可持續(xù)的發(fā)電方式,近些年來屋頂光伏發(fā)電技術因其獨特的優(yōu)勢而受到關注,漸漸地形成產(chǎn)業(yè)并帶動經(jīng)濟發(fā)展,未來必定會成為電力工業(yè)建設中較為重要且不可缺少的一個部分。本文中,在分析屋頂光伏電站所在地點的地理條件以及太陽能資源的情況下,參考了大量已有的光伏電站設計資料以及相關設計規(guī)范,提出了10kV/5MW 分布式屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)與電氣一次的設計方案,整個設計方案力求規(guī)范、可靠和優(yōu)化性。

1 光伏電站的總體設計思路

該屋頂光伏電站位于杭州地區(qū)的某一廠用建筑,該電站的光伏組件均布置在廠房的屋頂,四周無遮擋物,屋頂類型為混凝土屋頂,經(jīng)初步計算占用廠房屋頂面積約5 萬平方米,電站容量為5MW。

該光伏電站的總體設計框圖如圖1 所示。本次設計主要分光伏發(fā)電系統(tǒng)和升壓并網(wǎng)電氣一次系統(tǒng)兩部分內(nèi)容,其中光伏系統(tǒng)部分設計主要完成光伏陣列設計、直流匯流箱以及組串式逆變器的選型,升壓并網(wǎng)電氣一次系統(tǒng)設計主要完成低壓側開關柜、母線、SVG、主變以及網(wǎng)側開關柜相關設備選型、短路電路計算以及防雷接地設計等,如圖1。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計

2.1 光伏陣列設計

光伏陣列由一定數(shù)量的光伏組件組串用直流匯流箱并聯(lián)構成。近些年來,多晶硅電池在中國的市場變得越來越好。雖然單看電池的轉換效率,單晶硅要更優(yōu),但是如果考慮到性價比,多晶硅是低于單晶硅的[1],權衡利弊條件,選用280Wp 的多晶硅組件。組件的安裝方式根據(jù)廠方水平混疑土屋頂?shù)臈l件,以及參考文獻[1-3],選用最理想傾角固定安裝方式,朝向正南,傾角為23°[4],為防止產(chǎn)生的陰影影響效率[5],組件間隔為1.17 米。

為確定光伏組件組串數(shù)量,根據(jù)GB50797-2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》按式(1)和(2)進行計算,得：

圖1 光伏電站總體設計框圖

即串聯(lián)光伏組件的數(shù)量N 為：1 3.8 ≤ N≤24.4,因此選擇每組串聯(lián)的組件數(shù)量為22 塊。

整個光伏系統(tǒng)配置48 臺直流匯流箱,每16 路光伏組串接入一個(16 進1 出智能直流)匯流箱,每路將串聯(lián)22 塊光伏組件。本設計中多晶硅組件的平面布局圖[6]如圖2 所示。

圖2 光伏組件布置圖

2.2 直流匯流箱及電纜

匯流箱在光伏發(fā)電系統(tǒng)中是保證光伏組件有序連接和匯流功能的接線裝置。本次選擇的直流匯流箱如表1 所示。

2.3 逆變器的選型

逆變器需要首選容量較大的設備,因為一臺大容量的設備和幾臺小容量的設備相比,大容量設備后期維護成本要低得多,因此考慮到各方面因素,本設計方案選用5 臺容量為1MW 的組串式逆變器,逆變器輸出為320V 三相交流。

3 電氣一次設計

表1 匯流箱及電纜相關參數(shù)

表2 短路計算結果

3.1 電氣一次主接線

電氣主接線的設計最基礎的要求要做到保證可靠性和安全,確保能產(chǎn)出符合要求的電能,同時也要盡量控制成本。如圖3 所示,光伏發(fā)電系統(tǒng)通過5 臺組串式逆變器逆變,后分5 路經(jīng)低壓側開關柜連接320V 母線,然后以單母線接線方式連接1臺主變,經(jīng)升壓至10kV 后,通過高壓電纜連到高壓側開關柜內(nèi),并通過開關柜實現(xiàn)并網(wǎng)。

圖3 電氣一次主接線圖

3.2 短路電流計算

如圖4 所示,建立等值網(wǎng)絡圖,圖中標注了k1、k2、k3 三個不同的短路點。根據(jù)等值網(wǎng)絡圖進行短路電流計算。

因為主變額定容量5MVA,阻抗電壓Ud=8%,線路L1長6km,L2長0.5km,L3長0.3km。經(jīng)過計算[1]得出如表2 所示數(shù)據(jù)。

3.3 主要設備選型

實際情況中設備的選型要根據(jù)具體的設備工作條件來決定,但設備選型的基本要求本質(按正常情況選擇,按短路情況校驗)是一致的。

3.3.1 主變壓器的選型

圖4 等值網(wǎng)絡圖

在選擇變壓器的時候要考慮到變壓器的大小是否合理,情況允許可以選擇盡量大容量的變壓器。該光伏電站的總裝機容量為5MW,因為光伏電站的負荷率低,逆變器的功率因數(shù)為1左右,可以選擇等于光伏電站容量的主變壓器。因為太陽能電池組件輸出的電能大小是根據(jù)太陽光照射強度決定的,所發(fā)無功也是瞬時變化的,這樣會引起升壓站母線電壓波動,對電站的運行不利,所以主變采用有載調壓方式。綜上所述,本設計方案選用1 臺容量為5MVA、有載調壓、阻抗電壓為8%的三相戶外式油浸升壓電力變壓器。本設計要求變壓器低壓側的電壓為320V,需要與廠家溝通定制。

3.3.2 10kV 母線選型

3.3.2.1 按長期允許電流來選擇,母線的最大可持續(xù)電流為288.68A。選用型號為ZRC-YJV22-6/10-3*240 的鋼帶鎧裝阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜,其質地較硬,在標準環(huán)境25℃下導體溫度70℃時的長期允許載流量為353A。導體長期允許載流量為 296.52A 大于288.68A 故符合要求。

3.3.2.2 按經(jīng)濟電流密度選擇,J 取1.65,經(jīng)計算應盡量接近174.96 平方毫米的截面。

3.3.2.3 熱穩(wěn)定校驗

主保護動作時間tp=0.05s,斷路器全斷開時間tb=0.15s,則計算時間為tk=tp+tb=0.2s。

滿足熱穩(wěn)定要求。

所以本設計選用型號為ZRC-YJV22-6/10-3*240 的鋼帶鎧裝阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜,標準環(huán)境載流量為353A,長期允許載流量為296.5A。

3.3.3 0.32kV 母線選型

本次項目0.32kV 母線選用型號為為涂漆的LF21 鋁錳合金管,標準環(huán)境載流量為11230A,長期允許載流量為9433A。(選型方法同10kV 母線)

3.3.4 開關柜主要設備選型

開關柜主要設備選型如表3 所示。

表3 開關柜主要設備相關參數(shù)

3.4 無功補償裝置選型

配置無功補償容量必須考慮一定的裕度,且經(jīng)過計算[8]推薦本電站配置一組-47.8kvar～+575kvar 的動態(tài)無功補償裝置SVG,動態(tài)調節(jié)響應時間不應大于30ms。

3.5 防雷與接地

本設計的所在地出現(xiàn)雷暴的時間較少,雖然太陽能組件安裝的高度較高,但受到直擊雷打擊的可能性還是很低,故在光伏組件方陣內(nèi)不安裝避雷針和避雷線等防直擊雷的設備。

由于光伏組件采用鋁合金支架,因此受到感應雷的破壞的幾率會比較大。為預防這種情況發(fā)生,要確保每一組支架與接地網(wǎng)的焊接要可靠,在匯流箱和配電柜里都要設置正負極對地過電壓保護器。在升壓站內(nèi)設置獨立避雷針對主變、配電裝置以及母線進行保護[9]。

4 結論

上述對廠房屋頂分布式光伏發(fā)電站基本按照光伏電站設計流程和規(guī)范完成設計,依據(jù)屋頂可利用面積和電站容量確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成以及設備選型,然后對電站升壓并網(wǎng)部分的電氣一次部分進行設計。整個設計內(nèi)容和方案可以為分布式屋頂光伏發(fā)電站設計提供一個較好的參考。