林明敬

（維電云電力技術(shù)（上海）有限公司，上海）

引言

我國(guó)太陽(yáng)能資源較為豐富，多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在4 kWh/m2.d 以上，與同緯度其他國(guó)家相比，較歐洲、日本更為優(yōu)越，因而具有廣泛建設(shè)光伏電站的優(yōu)渥條件。但從光伏電站開發(fā)設(shè)計(jì)角度而言，保障開關(guān)柜與箱變?cè)O(shè)計(jì)合理性，確保其有效發(fā)揮作用，并最大限度保證安全，則是值得深入研究的課題。

1 項(xiàng)目概述

本文所述項(xiàng)目中，擬定光伏裝機(jī)容量為2 333.76 kW；采用10 kV 自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的并網(wǎng)方式；光伏發(fā)電系統(tǒng)通過光伏接入柜接至用戶變電所內(nèi)原單母線接線型式的10 kV 母線。設(shè)計(jì)規(guī)劃過程中，主要設(shè)備為6 臺(tái)10 kV KYN28 柜、2 套YMB-12 預(yù)裝式光伏箱式變電站；保護(hù)裝置采用ISA-392GA-MP 保測(cè)合一裝置；配套后臺(tái)監(jiān)控設(shè)備：遠(yuǎn)動(dòng)通信屏、公用測(cè)控屏、監(jiān)控主機(jī)屏、AGC 與AVC 服務(wù)屏、交流屏、直流屏等。

2 開關(guān)柜及光伏箱變?cè)O(shè)計(jì)

項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，擬定裝機(jī)容量為2.33376MWp，采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)方案。為了切實(shí)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，總體方案部署時(shí)，加強(qiáng)了技術(shù)實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)性分析，在綜合對(duì)比下，決定選用660 Wp 單晶硅雙面雙玻電池組件，數(shù)量共計(jì)3 536 塊；選用110 kW 組串式逆變器18 臺(tái)；選用1 250 kVA/10.5 kV 箱式升壓變壓器2 臺(tái)。為確保開關(guān)柜及光伏箱變?cè)O(shè)計(jì)有效實(shí)現(xiàn)，對(duì)電池組安裝進(jìn)行優(yōu)化分析，基于2 座建筑工程特點(diǎn)，決定將電池組件采用順坡平鋪安裝方式；每20 塊電池組件為1 個(gè)光伏組串、每8-10 路光伏組串并聯(lián)匯入1 臺(tái)110 kW 組串逆變器，每9 臺(tái)逆變器匯入1 臺(tái)箱式升壓變壓器，繼而構(gòu)成1 個(gè)光伏子方陣，在兩棟建筑屋頂共建設(shè)2 個(gè)光伏子方陣[1]。

2.1 電氣設(shè)計(jì)

電氣設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，主要涉及電氣一次、電氣二次的規(guī)劃。電氣一次設(shè)計(jì)主要是整體電路走向，即：2.33376MWp 光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)由2 個(gè)廠房屋面組成，光伏就地升壓至10 kV 后，以1 回10 kV 線路接至用戶變電所新增光伏開關(guān)站10 kV 母線上，然后以1 回10 kV 線路接入變電所內(nèi)新增光伏接入柜，通過母線橋由接入柜并入用戶原10 kV 母線，見圖1。光伏電站為10 kV 電壓等級(jí)，1 回出線后就近接入用戶負(fù)荷，二次電氣線路設(shè)計(jì)以地方管理規(guī)范為基準(zhǔn)，具體按照無(wú)人值守原則設(shè)計(jì)，電站運(yùn)行以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)。

圖1 光伏接入柜電氣平面布置示意

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況深入了解后，發(fā)現(xiàn)A6 廠房與箱變所在位置較遠(yuǎn)，電力傳輸過程中，可能產(chǎn)生較大壓降，當(dāng)壓降過大時(shí)則不利于電力電壓的有效供應(yīng)并對(duì)并網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。對(duì)此，針對(duì)壓降問題進(jìn)行詳細(xì)分析并給出優(yōu)化措施。具體而言，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)勘察、采用紅外測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明A6 建筑房頂?shù)哪孀兤髋c光伏箱之間約有2.1 km 距離，且基于原電纜型號(hào)為ZRC-YJLHV22-0.6/1kV-3*95 mm2鋁芯電纜，通過以下公式計(jì)算：

最終得出壓降為29.2 V，這已然超出規(guī)范規(guī)定的電壓值。為了有效解決該問題，加強(qiáng)了與業(yè)主的溝通，其希望制定多種技術(shù)方案綜合考量解決壓降問題?；谠撛V求，最終制定箱變變更選址、特殊定制變壓器調(diào)壓分接頭、增加電纜截面等三方面解決方案?？紤]到項(xiàng)目施工進(jìn)度及方案經(jīng)濟(jì)性、實(shí)效性，最終采用增加電纜截面，將電纜參數(shù)變更為ZRC-YJLHV22-0.6/1kV-3*120 mm2，變更后重新計(jì)算壓降值滿足并網(wǎng)電壓要求[2]。

2.3 開關(guān)柜設(shè)計(jì)

開關(guān)柜設(shè)計(jì)過程中，以實(shí)際需求為基準(zhǔn)選擇了10 kV 開關(guān)柜，其額定技術(shù)參數(shù)見表1；該開關(guān)柜為金屬鎧裝移動(dòng)柜，為了切實(shí)保障安全，增強(qiáng)了絕緣結(jié)構(gòu)。

表1 10 kV 開關(guān)柜額定技術(shù)參數(shù)

開關(guān)內(nèi)一次元件包括真空斷路器、電流互感器、電壓互感器、避雷器、接地開關(guān)、零序電流互感器、帶電顯示器等。鑒于實(shí)際情況，變電站10 kV 系統(tǒng)短路電流的額定標(biāo)準(zhǔn)為25 kA，因此開關(guān)柜的短路電流同樣按照25 kA 配備。在對(duì)開關(guān)柜設(shè)計(jì)展開進(jìn)一步分析時(shí)，針對(duì)光伏電站10 kV 系統(tǒng)三相短路電流進(jìn)行分析，其電流為15.215 kA，故10 kV 側(cè)短路電流水平按25 kA 選擇設(shè)備。開關(guān)柜額定電流計(jì)算按照2.33376MW 計(jì)算：2333.76/（√3×10）=134.74 A。斷路器選用630 A、25 kA，光伏進(jìn)、出線柜電流互感器推薦選用10 kV、200/5 A、25 kA 的設(shè)備，PT 柜電壓互感器選用。開關(guān)柜內(nèi)避雷器推薦選用1 組10 kV 氧化鋅避雷器YH5WZ-17/45。

2.4 升壓箱變?cè)O(shè)計(jì)

2.4.1 箱變結(jié)構(gòu)

箱變參數(shù)及結(jié)構(gòu)組成見表2，變壓器內(nèi)部硅鋼片采用優(yōu)質(zhì)、低損耗產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠等特征。外殼鋼板厚度2.0 mm、箱體骨架為焊接式，進(jìn)出線均位于箱變底部，外箱體上預(yù)留安裝智能子陣控制器空間[3]。

表2 箱變參數(shù)及結(jié)構(gòu)組成

另外，設(shè)計(jì)初期的光伏箱變，為三合一保護(hù)測(cè)控裝置，電源取自二次監(jiān)控室的直流屏。然后在技術(shù)研討會(huì)議中，施工單位提出將測(cè)控裝置電源從監(jiān)控室引至箱變中的建議，以便于施工作業(yè)。該方案涉及穿墻、預(yù)埋等，甚至?xí)橛蟹e水問題，故決定對(duì)于原有計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，即將測(cè)控裝置的電源直接取自箱變，同時(shí)考慮到直流電源的屬性、電源穩(wěn)定性、可靠性等問題，給出了進(jìn)一步的優(yōu)化方案，在高壓AH1 柜裝設(shè)分布式直流電源HZ-DY220F 并配2 節(jié)20 AH 電池，保證孤島時(shí)主回路電源斷電情況下還能持續(xù)供電6 h，使后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)正常讀取測(cè)控裝置上傳信號(hào)，進(jìn)而解決故障問題[4]。

2.4.2 通風(fēng)設(shè)計(jì)

箱變內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)有自然通風(fēng)口，并配備機(jī)械排風(fēng)設(shè)施，保障相關(guān)電子元件在高溫環(huán)境下正常運(yùn)行，將溫度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。但存在一個(gè)問題，箱變裝置常年曝曬，該情況下將導(dǎo)致箱體內(nèi)部異常高溫的現(xiàn)象發(fā)生，既有排風(fēng)設(shè)施可能無(wú)法滿足實(shí)際降溫需求，例如夏季高溫階段，箱變內(nèi)部溫度可高達(dá)60 ℃左右，這將嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的性能，甚至影響到有關(guān)電氣設(shè)備元件的使用壽命。對(duì)此，為了有效達(dá)到降溫效果，針對(duì)通風(fēng)降溫給予了細(xì)化設(shè)計(jì)，加裝1 臺(tái)1.5 匹變頻空調(diào)，由HGWK-P-J 面板式溫度傳感器根據(jù)環(huán)境溫度自行啟閉及調(diào)節(jié)溫度；增加箱變各室外殼的通風(fēng)柵及外殼加工成內(nèi)外雙循環(huán)結(jié)構(gòu)。

2.4.3 保護(hù)測(cè)控裝置

為保障箱變安全，在每臺(tái)箱變的低壓開關(guān)柜內(nèi)均設(shè)置一臺(tái)箱變保護(hù)測(cè)控裝置，其工作條件見表3，可記錄箱變內(nèi)各種電氣量參數(shù)、非電氣量參數(shù)，相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)被及時(shí)上傳，從而滿足自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)控需要。該測(cè)控裝置具有非電量保護(hù)功能，包括高溫報(bào)警、超溫跳閘、溫控器故障等。

表3 保護(hù)測(cè)控裝置工作條件

2.4.4 高/低壓側(cè)元件

高壓側(cè)元件主要有負(fù)荷開關(guān)、熔斷器、避雷器等，其中高壓負(fù)荷開關(guān)必須具有手動(dòng)、電動(dòng)及遠(yuǎn)程自動(dòng)操作等功能，并與高壓接地開關(guān)連鎖，高壓負(fù)荷開關(guān)選用了國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，其電氣參數(shù)見表4。

表4 高壓負(fù)荷開關(guān)參數(shù)

高壓熔斷器選用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，其電氣參數(shù)見表5。

表5 高壓熔斷器參數(shù)

低壓側(cè)元件主要有框架斷路器、塑殼斷路器、電流互感器、浪涌保護(hù)器、溫濕度控制器、UPS 電源等。其中，框架斷路器為固定式開關(guān)，其技術(shù)特性符合GB標(biāo)準(zhǔn)要求；浪涌保護(hù)器參數(shù)見表6；UPS 容量為2 kVA，維持時(shí)間為60 min。

表6 浪涌保護(hù)器參數(shù)

2.5 試驗(yàn)分析

2.5.1 例行檢驗(yàn)

例行性檢驗(yàn)分析主要是對(duì)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行工況、電力資源運(yùn)輸情況等進(jìn)行檢測(cè)、測(cè)定，包括針對(duì)檢測(cè)問題進(jìn)行調(diào)整、校正，對(duì)電氣柜通風(fēng)性能、電阻、阻抗等檢查。進(jìn)一步而言，對(duì)成套設(shè)備防護(hù)等級(jí)、電氣間隙和爬電距離、電擊防護(hù)和保護(hù)電路完整性等內(nèi)容進(jìn)行測(cè)定。其中，開關(guān)柜例行試驗(yàn)主要內(nèi)容見表7。

表7 開關(guān)柜例行試驗(yàn)

2.5.2 型式檢驗(yàn)

待例行檢測(cè)完成后，針對(duì)光伏電站的工作極限情況、溫度變化情況、絕緣性能、振動(dòng)與沖擊影響、噪聲、氣候影響等進(jìn)行檢測(cè)測(cè)定；其中，開關(guān)柜應(yīng)按GB3906“3～35kV 交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備”有關(guān)規(guī)定進(jìn)行型式試驗(yàn)。通過標(biāo)準(zhǔn)化的檢驗(yàn)流程，以及基于重要設(shè)備元件的深度測(cè)評(píng)，最終完成了對(duì)光伏站開關(guān)柜及箱變的型式檢驗(yàn)，結(jié)果表明滿足國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 綜合效益分析

光伏電站正式投入使用后，可正常穩(wěn)定輸送電力資源，平均每年可為電網(wǎng)提供225.585 萬(wàn)kWh，與相同發(fā)電量的火電相比，相當(dāng)于每年可節(jié)約標(biāo)煤688.036 t（以平均標(biāo)煤煤耗為305 g/kW·h 計(jì)），同時(shí)每年可減少多種大氣污染物的排放，其中減少二氧化硫（SO2）排放量約13.985 t，二氧化碳（CO2）約177.304 t，氮氧化物（NOX）4.739 t，還可節(jié)約大量淡水資源。由此表明，此項(xiàng)目是一個(gè)環(huán)保、低耗能、節(jié)約型的光伏發(fā)電項(xiàng)目，不僅具有極高的經(jīng)濟(jì)效益，還有良好的社會(huì)效益，對(duì)于促進(jìn)社會(huì)的和諧、穩(wěn)定發(fā)展具有積極意義[5]。

結(jié)束語(yǔ)

此次屋頂分布式光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)，先對(duì)電氣進(jìn)行了設(shè)計(jì)規(guī)劃，并展開了相關(guān)計(jì)算分析工作；然后基于開關(guān)柜、升壓箱變特點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、選型，最后給予了例行測(cè)試、型式測(cè)試，成功實(shí)現(xiàn)該光伏電站的建設(shè)，對(duì)于推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有積極作用，希望能夠?yàn)橛嘘P(guān)從業(yè)人員提供幫助。