張博靜，滕曉峰，李 健，葉冬挺

(上海電氣電站工程公司，上海 201100)

0 引言

在“碳中和”“碳達(dá)峰”目標(biāo)的推動(dòng)下，光伏產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)快速發(fā)展的機(jī)遇期，全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)。但在光伏電站的建設(shè)過(guò)程中，除光伏組件、逆變器、變壓器等關(guān)鍵部件外，配套的直流電纜對(duì)光伏電站長(zhǎng)期的安全穩(wěn)定運(yùn)行，以及整體盈利能力同樣起到了至關(guān)重要的作用。

目前，由于成本壓力、未考慮安全裕量、敷設(shè)系數(shù)考慮不全面等原因，導(dǎo)致光伏電站中直流電纜的選型不能滿足其全生命周期內(nèi)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行要求，電纜燒毀的事故時(shí)有發(fā)生。同時(shí)，隨著光伏方陣規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電纜長(zhǎng)度也隨之增加，電纜的壓降和線損問(wèn)題也應(yīng)引起更多重視。因此電纜選型應(yīng)在滿足電纜載流量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮控制電纜的線損和壓降。線損主要是為平衡光伏電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性與電站發(fā)電量損失之間的關(guān)系，從光伏組件到光伏方陣逆變器之間的電纜線損一般應(yīng)不超過(guò)1.5%；而直流側(cè)的電纜壓降會(huì)導(dǎo)致光伏組串失配損失的增加，因此直流電纜壓降通常需要控制在1%～2%。

雖然目前國(guó)際上針對(duì)光伏用電纜選型已有較為成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系，但現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)中并未明確雙面光伏組件背面增益對(duì)電纜選型的影響，這會(huì)對(duì)在引用一些標(biāo)準(zhǔn)時(shí)造成困惑?；诖?，最新的IEC 61215:2021中引入了雙面銘牌太陽(yáng)輻照度(BNPI)和雙面可靠性太陽(yáng)輻照度(BSI)這2個(gè)術(shù)語(yǔ)，進(jìn)一步規(guī)范了雙面光伏組件應(yīng)用場(chǎng)景下的輸出電流量，為雙面光伏組件的電纜選型提供了指導(dǎo)。

本文對(duì)當(dāng)前IEC標(biāo)準(zhǔn)中與光伏用直流電纜相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了解讀，梳理了光伏電站中直流電纜選型的原則和計(jì)算方式，并以某大型地面光伏電站為例進(jìn)行了直流電纜選型分析，為保障光伏電站全生命周期內(nèi)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了指引。

1 基于IEC標(biāo)準(zhǔn)的分析及解讀

目前與光伏用直流電纜相關(guān)的IEC標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

1.1 電纜載流能力概述

電纜的材料(銅或鋁)和電纜的橫截面面積(即金屬線的直徑)決定了電纜載流量的大小。但受環(huán)境和敷設(shè)方式等因素的影響，電纜實(shí)際的載流量會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)載流量的基礎(chǔ)上出現(xiàn)下降。

表1 當(dāng)前與光伏用直流電纜相關(guān)的IEC標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Current IEC standards related to DC cables for PV

電纜載流量的具體影響因素包括：1)導(dǎo)體的溫度；2)電纜的排列形態(tài)、敷設(shè)間距、并聯(lián)數(shù)量等；3)敷設(shè)類型(直埋、穿管等)；4)土壤熱阻系數(shù)。

電纜的敷設(shè)方式很多，且在IEC 60364-5-52:2009附錄中已有詳細(xì)描述，本文不再贅述。

電纜的標(biāo)準(zhǔn)載流量I0可簡(jiǎn)單地表述為：

式中，Iz為考慮降額后的電纜的實(shí)際載流量；f1為不同土壤溫度時(shí)電纜載流量的校正系數(shù)；f2為土壤中直埋多根并行敷設(shè)的電纜時(shí)電纜載流量的校正系數(shù)；f3為不同土壤熱阻系數(shù)時(shí)電纜載流量的校正系數(shù)；f4為不同電纜埋地深度時(shí)電纜載流量的校正系數(shù)。

I0可查閱IEC 60364-5-52:2009中表B.52.3得到，或參考電纜廠家提供的數(shù)值。

1.2 光伏用直流電纜的選型分析

1.2.1 IEC標(biāo)準(zhǔn)的解讀

在光伏電站中，直流電纜一般是指從光伏組件到光伏方陣逆變器之間的電纜，而其所涉及到的區(qū)域就相當(dāng)于是光伏方陣的范圍。根據(jù)IEC 62548:2016提供的光伏方陣示意圖(見(jiàn)圖1)可知，光伏方陣中的直流電纜通常包括光伏組串直流電纜、光伏子方陣直流電纜和光伏方陣直流電纜這3段直流電纜。多個(gè)光伏組串并聯(lián)后，在光伏組串匯流箱處進(jìn)行一次匯流，在一次匯流場(chǎng)景中，可能不涉及到光伏子方陣直流電纜和光伏方陣直流電纜；從多個(gè)組串匯流箱輸出的光伏子方陣直流電纜并聯(lián)后，在光伏方陣匯流箱處進(jìn)行二次匯流，在二次匯流場(chǎng)景中，可能不涉及到光伏方陣直流電纜。

圖1 光伏方陣示意圖Fig. 1 Diagram of PV array

若要確定直流電纜的最小載流量，需從正、反2個(gè)方向考慮，即從光伏組件側(cè)電流流向電網(wǎng)側(cè)，以及從電網(wǎng)側(cè)電流流向光伏組件側(cè)2個(gè)方向考慮可能流過(guò)直流電纜的最大電流。

根據(jù)IEC 62548:2016中提供的電路中最大電流等級(jí)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，表2列出了光伏方陣中各段直流電纜在有/無(wú)過(guò)流保護(hù)裝置時(shí)所應(yīng)具備的最小載流量。

對(duì)于電纜載流量的計(jì)算方式和過(guò)流保護(hù)裝置的選型方式，在IEC 62548:2016 的7.3.7.1章節(jié)和IEC 60364-7-712:2019 的712.524.1.101.1章節(jié)中都有相同的描述；而IEC 62548修訂稿在計(jì)算電纜載流量和過(guò)流保護(hù)裝置額定電流時(shí)考慮了雙面光伏組件的背面電流增益，新增了雙面增益因子KI的定義。

下文針對(duì)考慮了KI后有、無(wú)過(guò)流保護(hù)裝置時(shí)直流電纜的載流量和過(guò)流保護(hù)裝置的選型問(wèn)題進(jìn)行分析。

1)電路中有過(guò)流保護(hù)裝置時(shí)，由于過(guò)流保護(hù)裝置的選型是按照流經(jīng)其的最大正向電流來(lái)決定的；而當(dāng)反向電流超過(guò)保護(hù)電流值時(shí)，過(guò)流保護(hù)裝置也會(huì)切斷電路，因此流過(guò)直流電纜的正向和反向電流始終不會(huì)高于過(guò)流保護(hù)裝置的額定電流。此時(shí)直流電纜應(yīng)具備的載流量等于過(guò)流保護(hù)裝置的額定電流。

表2 各段直流電纜在有/無(wú)過(guò)流保護(hù)裝置時(shí)所應(yīng)具備的最小載流量Table 2 Minimum current carrying capacity that each section of DC cable can possess with/without overcurrent protection device

對(duì)于過(guò)流保護(hù)裝置的選型，IEC 62548修訂稿給出了針對(duì)光伏組串直流電纜的光伏組串過(guò)流保護(hù)裝置額定電流In_1的確定方法，即：

式中，IMOD_MAX_OCPR為光伏組件上標(biāo)明的熔絲可承受的最大電流。

而針對(duì)光伏子方陣直流電纜和光伏方陣直流電纜的光伏子方陣過(guò)流保護(hù)裝置和光伏方陣過(guò)流保護(hù)裝置進(jìn)行選型時(shí)，二者的額定電流In_2和In_3的確定方式分別為：

2)電路中無(wú)過(guò)流保護(hù)裝置時(shí)，需要分別考慮可能流經(jīng)直流電纜的最大正向電流和最大反向電流，然后取二者中的較大值。

①流經(jīng)直流電纜的最大正向電流Ip_max的計(jì)算式為：

式中，ISC為短路電流，其可根據(jù)情況替換為ISC_MOD、ISCS_ARRAY或ISC_ARRAY。

式中，N1為光伏組串匯流箱接入的光伏組串?dāng)?shù)。

式中，Nc1為光伏子方陣匯流箱中的直流電纜并聯(lián)數(shù)。

②流經(jīng)光伏組串直流電纜和光伏子方陣直流電纜的最大反向電流Ir1_max和Ir2_max的計(jì)算式分別為：

式中，ISC_else為同一級(jí)的其他光伏組串的短路電流之和。

1.2.2 安全系數(shù)SF

光伏組件的電流受環(huán)境因素的影響，在某些環(huán)境因素下其實(shí)際短路電流可能會(huì)比在STC時(shí)的更高。這些環(huán)境因素包括但不限于：1)高的直接太陽(yáng)輻照度；2)地面反射率高；3)云量減少；4)光伏組件工作溫度高；5)低大氣質(zhì)量(air mass)。

因此，綜合考慮上述環(huán)境影響因素后，IEC 62548:2016等標(biāo)準(zhǔn)中以1.25作為直流電纜部分過(guò)流保護(hù)裝置選型時(shí)安全系數(shù)的取值，而光伏組串過(guò)流保護(hù)裝置的安全系數(shù)的取值增加到了1.5。IEC 62548修訂稿中特別強(qiáng)調(diào)，在任何情況下都不建議安全系數(shù)的取值低于1.25。

1.2.3 雙面增益因子KI

雙面光伏組件具有雙面發(fā)電的特性，因此在相同場(chǎng)景下，雙面光伏組件比單面光伏組件有更大的短路電流。由于雙面光伏組件背面接收的太陽(yáng)輻照度受地面反射率、光伏組件離地高度及光伏支架前后排間距等因素的共同影響，因此不能一概而論；再加上針對(duì)雙面光伏組件的標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布滯后于雙面光伏組件的大規(guī)模應(yīng)用，導(dǎo)致部分業(yè)主、設(shè)計(jì)單位未能合理考慮雙面光伏組件的背面電流增益對(duì)直流電纜和過(guò)流保護(hù)裝置選型的影響。

IEC 61215:2021對(duì)雙面光伏組件進(jìn)行了規(guī)范化的定義和要求，引入了雙面銘牌太陽(yáng)輻照度(BNPI，是指光伏組件正面接收1000 W/m2太陽(yáng)輻照度且背面同時(shí)接收135 W/m2太陽(yáng)輻照度)和雙面可靠性太陽(yáng)輻照度(BSI，是指光伏組件正面接收1000 W/m2太陽(yáng)輻照度且背面同時(shí)接收300 W/m2太陽(yáng)輻照度)的概念。

其中，BNPI中定義的光伏組件背面接收135 W/m2太陽(yáng)輻照度是對(duì)應(yīng)于IEC 60904-3:2019中定義的環(huán)境條件下雙面光伏組件離地高度1 m時(shí)其背面所接收的平均太陽(yáng)輻照度。BNPI下光伏組件的性能測(cè)試結(jié)果不僅與傳統(tǒng)STC下的結(jié)果具有良好的兼容性，而且使在相同條件下對(duì)雙面和單面光伏組件的電性能進(jìn)行直接對(duì)比成為可能，也為光伏組件選型和光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了具有價(jià)值的參考信息。BNPI也被IEC62548修訂稿認(rèn)定為無(wú)仿真數(shù)據(jù)時(shí)計(jì)算雙面光伏組件的雙面增益因子KI時(shí)的重要考慮因素。

IEC 62548修訂稿中對(duì)KI的定義為：考慮了光伏組件類型和安裝方式(光伏組件朝向、陰影遮擋，光伏組件背面接收的太陽(yáng)輻照度)后的額定直流電流校正系數(shù)。由于在大型地面光伏電站，光伏組件通常按接收的太陽(yáng)輻照度最大進(jìn)行布置，雙面光伏組件背面電流增益來(lái)自于其背面接收的太陽(yáng)輻照度，因此KI可以理解為雙面光伏組件的雙面增益因子。

IEC 62548修訂稿附錄F.4給出了正常朝向(北半球朝南、南半球朝北)雙面光伏組件在不同場(chǎng)景下的雙面增益因子KI的取值：

1)進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)性能仿真時(shí)，考慮了地面反射率、太陽(yáng)輻照度、光伏組件朝向、陰影遮擋、光伏陣列間距、光伏組件雙面率、光伏組件失配等因素后，KI的公式為：

式中，ISC_MOD_B為STC下雙面光伏組件的短路電流；ISC_MOD_F為STC下光伏組件正面的短路電流。

2)當(dāng)無(wú)仿真數(shù)據(jù)時(shí)，KI的公式為：

式中，ISC_BNPI為BNPI下雙面光伏組件的短路電流。

3)當(dāng)雙面光伏組件安裝在背面接收的太陽(yáng)輻照度十分有限的場(chǎng)景(比如貼著傾斜屋面安裝)時(shí)，KI的取值為1。

在對(duì)應(yīng)用雙面光伏組件場(chǎng)景進(jìn)行直流電纜選型時(shí)，需考慮雙面增益因子對(duì)于光伏組件短路電流的影響。

2 案例分享

以中東地區(qū)某大型地面光伏電站為例進(jìn)行直流電纜選型分析。其光伏方陣的配置為：1)光伏組件采用雙面光伏組件，功率為540 W、最大功率電壓為41.3 V、最大功率點(diǎn)電流為13.13 A、短路電流為13.89 A，光伏組件雙面率取70%；2) 28塊光伏組件為1串光伏組串；3)光伏支架采用平單軸跟蹤支架，離地高度為1.5 m；4)采用16進(jìn)1出的直流匯流箱；5)整個(gè)光伏方陣中30臺(tái)直流匯流箱并入集中式逆變器；6)KI取1.1，該值由PVsyst軟件模擬得出。

利用式(1)可計(jì)算出直流電纜的標(biāo)準(zhǔn)載流量I0，并由此確定電纜的型號(hào)。根據(jù)電纜廠家提供的數(shù)據(jù)對(duì)式(1)中的降額系數(shù)選取如下：1)土壤溫度為30 ℃時(shí)，f1取0.93；2)電纜敷設(shè)為3根同溝且電纜間距為0.125 m時(shí)，f2取0.75；3)土壤熱阻系數(shù)為2.0 K?m/W時(shí)，f3取0.8；4）電纜埋地深度為0.5 m時(shí)，f4取1.0。

從光伏組串匯流箱到逆變器的直流電纜即圖1中的光伏子方陣直流電纜。根據(jù)表2中有過(guò)流保護(hù)裝置時(shí)光伏子方陣直流電纜應(yīng)具備的最小載流量可知，直流電纜的實(shí)際載流量IZ應(yīng)根據(jù)光伏子方陣過(guò)流保護(hù)裝置的額定電流In_2進(jìn)行確定。光伏子方陣過(guò)流保護(hù)裝置的In_2可根據(jù)式(3)進(jìn)行計(jì)算，即IZ=In_2＞305.58 A。

將相關(guān)參數(shù)代入式(1)，可以得到I0=547.6 A。因此，在本案例工況下所使用的直流電纜標(biāo)準(zhǔn)載流量應(yīng)大于547.6 A。根據(jù)確定的直流電纜的標(biāo)準(zhǔn)載流量可從廠家提供的電纜樣本中進(jìn)行選??；或按照IEC 60364-5-52相關(guān)電纜選型標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行直流電纜的選取，但相應(yīng)的降額系數(shù)也需要按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取。目前出于成本考慮，光伏方陣中從光伏組串匯流箱到逆變器的直流電纜通常采用鋁芯電纜。

本案例廠家提供的電纜樣本中，符合直流電纜標(biāo)準(zhǔn)載流量(廠家得到其電纜標(biāo)準(zhǔn)載流量的工況為：環(huán)境溫度為40 ℃、土壤溫度為25 ℃、土壤熱阻率為1.2 K?m/W、電纜埋深為0.5 m)要求的電纜為2×400 mm2鋁纜。

線損和壓降應(yīng)基于具體的電纜長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。直流電纜的壓降是光伏組串到光伏組串匯流箱直流電纜的壓降與光伏組串匯流箱到逆變器直流電纜的壓降之和，本案例考慮將直流側(cè)總壓降控制在1.5%以內(nèi)。此外，直流電纜選取需進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)，但此處不作詳細(xì)討論。

綜上，本案例推薦的光伏組串匯流箱到逆變器的直流電纜的選型為2×400 mm2鋁纜，為保證直流電纜的總壓降達(dá)標(biāo)，需結(jié)合電纜長(zhǎng)度進(jìn)行復(fù)核，必要時(shí)可提升電纜的規(guī)格。

3 結(jié)論

本文結(jié)合與光伏用直流電纜相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，分析并解讀了標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于電纜最小載流量、安全系數(shù)、雙面增益因子等的選取要求及計(jì)算方式，提出了需要綜合考慮直流電纜的實(shí)際載流量，以及線損、壓降等的控制要求，從提升光伏電站的長(zhǎng)期收益出發(fā)，選擇合適的直流電纜規(guī)格，從而保障投資收益。