摘 要：直流匯流箱型號(hào)對(duì)集中式光伏電站的直流匯流系統(tǒng)造價(jià)影響較大。目前集中式光伏項(xiàng)目大多選用輸入路數(shù)高的直流匯流箱以減少二級(jí)直流匯流電纜的長度，沒有綜合考慮一級(jí)直流匯流電纜以及二級(jí)直流匯流電纜的整體造價(jià)，缺乏經(jīng)濟(jì)性選型的理論依據(jù)。提出了基于一二級(jí)直流匯流電纜加權(quán)最優(yōu)的集中式光伏電站直流匯流箱選型方法，充分考慮一二級(jí)匯流電纜的相對(duì)長度與價(jià)格，提出了直流匯流箱經(jīng)濟(jì)性比選模型，并通過比選模型分析得到了最優(yōu)輸入路數(shù)的直流匯流箱。所提出的光伏電站直流化流箱選型方法能有效降低光伏電站造價(jià)，有利于光伏項(xiàng)目的平價(jià)上網(wǎng)。

關(guān)鍵詞：集中式光伏電站；直流匯流箱；光伏專用電纜；二級(jí)直流匯流電纜

中圖分類號(hào)：TM713 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2024.0419

0 引 言

全球綠色低碳轉(zhuǎn)型背景下，中國提出了“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”的宏偉雙碳目標(biāo)，而大力發(fā)展風(fēng)電和光伏發(fā)電等可再生能源是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021年中國光伏和風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)總?cè)萘扛哌_(dá)6.06億kW，占總發(fā)電裝機(jī)容量的44.8%，光伏和風(fēng)電發(fā)電量高達(dá)9 785億kW·h，占全社會(huì)用電量的11.8%[1]。雙碳目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，中國風(fēng)電和光伏發(fā)電等可再生能源將迎來全面的發(fā)展。然而，隨著原材料的價(jià)格波動(dòng)，光伏組件等材料價(jià)格居高不下，而各省市又對(duì)光伏發(fā)電接入系統(tǒng)有儲(chǔ)能要求，這無疑進(jìn)一步增加了光伏發(fā)電的建設(shè)成本。為保障雙碳目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下光伏項(xiàng)目的平價(jià)上網(wǎng)，亟需降低光伏項(xiàng)目整體建設(shè)成本。

目前光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)和組串式光伏發(fā)電系統(tǒng)[2-4]。組串式方案采用模塊化組串式逆變器，最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）電壓范圍較寬，可以不受組串間模塊差異和陰影遮擋的影響，減少光伏電池組件最佳工作點(diǎn)與逆變器不匹配的情況，從而最大程度增加發(fā)電量，但是組串式方案前期投入和后期運(yùn)維成本較集中式方案高。集中式方案逆變器集成度高，建設(shè)成本較低，適用于朝向一致且地形較為平整的光伏電站。目前組串式方案和集中式方案都得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是集中式方案，在漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目以及地形起伏較小且坡向一致的農(nóng)光互補(bǔ)項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用。

集中式方案由箱逆變一體機(jī)和直流匯流箱構(gòu)成。其中光伏組件通過光伏專用電纜匯集至直流匯流箱，進(jìn)而通過二級(jí)直流匯流電纜匯集至箱逆變一體機(jī)。一般而言，光伏專用電纜、直流匯流箱和二級(jí)直流匯流電纜造價(jià)約占光伏電站建設(shè)成本的5%，合理選擇直流匯流箱型號(hào)可以有效減少一二級(jí)直流匯流電纜的成本，從而降低集中式光伏電站的造價(jià)。目前集中式光伏項(xiàng)目大多選用輸入路數(shù)多的直流匯流箱以減少二級(jí)直流匯流電纜的長度，沒有綜合考慮一級(jí)直流匯流電纜以及二級(jí)直流匯流電纜的成本，缺乏經(jīng)濟(jì)性選型的理論依據(jù)。尤其是選用輸入路數(shù)高的直流匯流箱后，一方面一級(jí)直流匯流電纜（光伏專用電纜）的用量會(huì)增加，另一方面二級(jí)直流匯流電纜會(huì)承受更大的電流，需要選用截面更大的電纜，也會(huì)增加二級(jí)會(huì)流電纜的成本以及施工難度。此外，更多的輸入路數(shù)意味著二級(jí)直流匯流電纜輸送電流更大，對(duì)應(yīng)的損耗也更大。因此，僅選用輸入路數(shù)多的直流匯流箱并不一定會(huì)降低一二級(jí)直流匯流電纜的成本。

為此，本文提出了基于一二級(jí)直流匯流電纜加權(quán)最優(yōu)的集中式光伏電站直流匯流箱選型方法，充分考慮一二級(jí)匯流電纜的相對(duì)長度與價(jià)格，建立直流匯流箱經(jīng)濟(jì)性比選模型，通過對(duì)比分析得到最優(yōu)輸入路數(shù)的直流匯流箱以期能有效降低光伏電站造價(jià)，有利于光伏項(xiàng)目的平價(jià)上網(wǎng)，有助于實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。

1 集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)基本方案

1.1 集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1，主要由光伏組件、一級(jí)直流匯流電纜（光伏專用電纜）、直流匯流箱、二級(jí)直流匯流電纜和箱變一體機(jī)等組成。其中，光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)換為電能后通過光伏專用電纜接至直流匯流箱，經(jīng)直流匯流箱匯集后再通過二級(jí)直流匯流電纜連接至箱逆變一體機(jī)輸入端，箱逆變一體機(jī)將直流電逆變成工頻交流電并升壓至35 kV，經(jīng)過35 kV集電線路接入35 kV母線，最后經(jīng)主變升壓后接入電網(wǎng)。

1.2 光伏專用電纜選型

光伏專用電纜在選型過程中需要綜合考慮電纜的絕緣性能、耐熱阻燃性能、抗老化性能等，同時(shí)滿足電纜載流量需求。由于單個(gè)光伏組件輸出電壓較低，為此通常采用多個(gè)光伏組件串聯(lián)組成光伏組串，光伏組件串?dāng)?shù)按照《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50797—2012）[5]計(jì)算得到。

光伏組串最大輸出電壓一般不超過1 500 V，最大輸出電流由光伏組件型號(hào)決定。因此光伏組件型號(hào)確定后，即可根據(jù)光伏組串輸出電壓和電流選擇光伏專用電纜型號(hào)。光伏專用電纜一般為銅芯電纜，銅芯電纜具備損耗小、抗彎折以及轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)點(diǎn)。按照目前市場上流行的光伏組件型號(hào)，光伏專用電纜一般選擇PV1-F 1×4 mm2（1 500 V）或H1Z2Z2-K 1×4 mm2。由于PV1-F電纜的認(rèn)證已經(jīng)過期，因此目前常用光伏電纜型號(hào)為H1Z2Z2-K 1×4 mm2。

此外，參考蘇毅等[6]提出的大距離差直流匯流電纜差異化配置方法，根據(jù)光伏串列與直流匯流箱的距離選用不同截面的光伏專用電纜，距離近的選用小截面的電纜，距離遠(yuǎn)的選用大截面的電纜，以降低接至同一個(gè)直流匯流箱光伏專用電纜上的壓降差，使光伏串列的輸出電壓盡可能一致，提高逆變器最大功率跟蹤效率，從而提高光伏陣列輸出效率。在不失一般性的前提下，假設(shè)光伏專用電纜型號(hào)為H1Z2Z2-K 1×4 mm2。

1.3 二級(jí)直流匯流電纜選型

二級(jí)直流匯流電纜將直流匯流箱匯集的電能輸送至箱逆變一體機(jī)直流側(cè)。根據(jù)《光伏發(fā)電工程電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 10128—2019）[7]，集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)中連接光伏組串、直流匯流箱和逆變器直流側(cè)的直流電纜最大壓降在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下不宜超過2.0%，且每個(gè)組串的壓降宜一致。因此，二級(jí)直流匯流電纜的選型不僅要滿足電纜載流量設(shè)計(jì)要求，也需要滿足壓降限值要求[8-9]。

一般而言，直流匯流箱的輸出電流與直流匯流箱輸入回路數(shù)和光伏組件電流相關(guān)，因此二級(jí)直流匯流電纜選型需滿足下列條件

式中：λ為電纜載流量校正系數(shù)，與環(huán)境溫度及電纜并行敷設(shè)根數(shù)相關(guān)；I2為二級(jí)匯流電纜100%持續(xù)允許載流量；n為匯流箱輸入路數(shù)；I0為光伏組件最大功率點(diǎn)工作電流；R1為光伏專用電纜單位長度電阻；R2為二級(jí)匯流電纜單位長度電阻；L1為光伏專用電纜的長度，一般選取光伏組串至直流匯流箱最大距離；L2為二級(jí)匯流電纜的長度，一般選取匯流箱至箱逆變一體機(jī)直流側(cè)最大距離；UDC為直流匯流箱輸出電壓。

二級(jí)直流匯流電纜可以選用銅芯、鋁芯或鋁合金芯電纜。各種型號(hào)的二級(jí)直流匯流電纜允許的載流量以及單位長度電阻見表1。

可以看出，選用不同輸入路數(shù)的直流匯流箱會(huì)直接影響二級(jí)匯流電纜的選型，從而影響一二級(jí)直流匯流電纜的成本。為了實(shí)現(xiàn)集中式光伏電站直流匯流方案成本最優(yōu)，在直流匯流箱選型中需要綜合考慮一二級(jí)直流匯流電纜的成本。

2 匯流箱經(jīng)濟(jì)性比選模型

根據(jù)環(huán)境條件、光伏發(fā)電單元規(guī)模、設(shè)備布置，對(duì)直流匯流箱的絕緣水平、額定電壓、輸入回路數(shù)、輸入及輸出額定電流等進(jìn)行選擇。為了實(shí)現(xiàn)集中式光伏電站直流匯流方案成本最優(yōu)，需要建立匯流箱經(jīng)濟(jì)性比選模型。

假設(shè)某個(gè)光伏方陣共有m1個(gè)光伏組串，對(duì)應(yīng)的箱逆變一體機(jī)直流側(cè)允許最大輸入路數(shù)為m2，則直流匯流箱最小輸入路數(shù)nmin需滿足

即在直流匯流箱選型過程中需要考慮光伏方陣組串?dāng)?shù)量以及箱逆變一體機(jī)的輸入路數(shù)的限制。

滿足上述要求的匯流箱有多種型號(hào)，選用不同型號(hào)的匯流箱所對(duì)應(yīng)的一二級(jí)直流匯流電纜成本也不相同。假設(shè)匯流箱輸入路數(shù)為n，所需匯流箱臺(tái)數(shù)nh范圍為

假設(shè)第i臺(tái)匯流箱輸入的組串?dāng)?shù)量為ki，則需滿足

根據(jù)表1選擇二級(jí)直流匯流電纜的型號(hào)，于是可以得到集中式光伏電站直流匯流系統(tǒng)整體造價(jià)P為

式中：c1為光伏專用電纜單位長度價(jià)格，含材料費(fèi)和施工費(fèi)；lij為光伏組串至第i臺(tái)匯流箱第j個(gè)輸入端的光伏專用電纜長度；c2為二級(jí)直流匯流電纜單位長度價(jià)格，含材料費(fèi)和施工費(fèi)；l2i為第i臺(tái)直流匯流箱至箱逆變一體機(jī)的長度；c3為該型號(hào)匯流箱單價(jià)，含設(shè)備費(fèi)和施工費(fèi)。

為了減小一二級(jí)直流匯流電纜的用量，箱逆變一體機(jī)一般結(jié)合場區(qū)道路情況布置于方陣中心，直流匯流箱根據(jù)光伏組串接入情況均勻布置于光伏方陣。假設(shè)箱逆變一體機(jī)坐標(biāo)為（xt，yt），第i臺(tái)匯流箱的坐標(biāo)為（xhi，yhi），接入第i臺(tái)匯流箱的第j個(gè)光伏組串的中心坐標(biāo)為（xmij，ymij）。對(duì)于漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目，光伏一二級(jí)直流匯流電纜一般敷設(shè)在電纜橋架之中，而電纜橋架為了充分利用光伏支架樁基礎(chǔ)，一般沿南北向和東西向布置；對(duì)于農(nóng)光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目，光伏一二級(jí)直流匯流電纜一般穿管直埋敷設(shè)，其電纜一般沿南北向和東西向敷設(shè)。于是光伏組件至匯流箱電纜以及匯流箱至箱逆變一體機(jī)電纜長度可采用式（6）計(jì)算。

式中：l1為光伏專用電纜長度；lij為接入第i臺(tái)匯流箱的第j個(gè)光伏組串至第i臺(tái)匯流箱之間的光伏專用電纜長度；rij為對(duì)應(yīng)的電纜曲折系數(shù)，考慮了電纜進(jìn)出地面或橋架、電纜轉(zhuǎn)彎半徑、終端制作以及地勢起伏等因素，場區(qū)地勢平坦的光伏項(xiàng)目一般取1.03～1.08，場區(qū)地勢起伏較大的光伏項(xiàng)目一般取1.09～1.15；l2i為第i臺(tái)匯流箱至箱逆變一體機(jī)的二級(jí)匯流電纜長度，r2i為對(duì)應(yīng)的電纜曲折系數(shù)，考慮了電纜進(jìn)出地面或橋架、電纜轉(zhuǎn)彎半徑、終端制作以及地勢起伏等因數(shù)，場區(qū)地勢平坦的光伏項(xiàng)目一般取1.05～1.1；場區(qū)地勢起伏較大的光伏項(xiàng)目一般取1.1～1.15。

結(jié)合式（5）—式（6），即可建立匯流箱經(jīng)濟(jì)性比選模型。該模型綜合考慮了匯流箱、光伏專用電纜和匯流電纜的造價(jià)，通過該模型可以比較不同匯流箱型號(hào)下集中式光伏方案直流匯流成本。

3 案例分析

本文以湖北某漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，說明基于一二級(jí)直流匯流電纜加權(quán)最優(yōu)的集中式光伏電站匯流箱選型方法的具體應(yīng)用。

該光伏項(xiàng)目為漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目，采用650 Wp高效單晶硅雙面電池組件，經(jīng)過計(jì)算，本項(xiàng)目每個(gè)光伏組串由30塊光伏組件組成。綜合考慮單位面積輻射量、組件間距、電纜損耗等因素后，為避免陰影遮擋的影響，光伏方陣的固定安裝最佳傾角為18°，南北向相鄰兩排中心間距為8 m，東西向相鄰兩列凈間距為0.5 m，采用固定支架式運(yùn)行方式，前后排陣列投影間距為3.45 m。

選取其中第7個(gè)光伏發(fā)電單元進(jìn)行研究，該光伏發(fā)電單元共206串光伏組串，6 180塊650 Wp組件，該光伏發(fā)電單元配置了一臺(tái)3 125 kW的箱逆變一體機(jī)，容配比約1.285 4。箱逆變一體機(jī)選用的是上能電氣EP-3125-HC-UD，直流最大輸入路數(shù)為22。該光伏發(fā)電單元布置如圖2所示。

目前常用的匯流箱型號(hào)有12匯1、14匯1、16匯1、18匯1、21匯1和24匯1等，結(jié)合組件參數(shù)和表1可以得到不同型號(hào)匯流箱下二級(jí)直流匯流電纜選型（見表2）。

可以看出，直流匯流箱輸入路數(shù)增加時(shí)，雖然可以減少二級(jí)直流匯流電纜的長度，但是會(huì)增加光伏專用電纜的長度，且直流匯流箱輸入路數(shù)越多，對(duì)應(yīng)的輸出電流更大，需要選用價(jià)格更貴的大截面電纜，不僅會(huì)增加施工難度，還會(huì)增加電纜損耗。相反，如果選用的直流匯流箱輸入路數(shù)過少，雖然可以減小光伏專用電纜的長度和二級(jí)匯流電纜的截面，但是二級(jí)匯流電纜長度的增加仍然可能會(huì)增加集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本。因此，為了實(shí)現(xiàn)集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)直流匯流方案成本最優(yōu)，需要綜合考慮一二級(jí)直流匯流電纜的造價(jià)，通過相應(yīng)的比選模型進(jìn)行計(jì)算分析。

圖3給出了16匯1直流匯流箱下第7個(gè)光伏發(fā)電單元的匯流方案。結(jié)合計(jì)算可以得知該型號(hào)直流匯流箱臺(tái)數(shù)需滿足13≤nh≤22，綜合考慮組件布置，最終配置了14臺(tái)直流匯流箱，直流匯流箱布置充分考慮了安裝和運(yùn)維檢修方便，且能盡量縮短光伏專用電纜長度，根據(jù)圖3可以得到16匯1直流匯流箱所對(duì)應(yīng)的直流匯流系統(tǒng)成本。

此外，以第7個(gè)光伏發(fā)電單元為例，還完成了12匯1—24匯1等多種匯流方案，當(dāng)二級(jí)匯流電纜采用銅芯電纜時(shí)，匯流方案的對(duì)比結(jié)果見表3。為了更直觀地顯示對(duì)比分析結(jié)果，將比選結(jié)果整理成圖4。

從圖4中可以看出，當(dāng)二級(jí)匯流電纜選用銅芯電纜時(shí)，直流匯流箱選用16匯1時(shí)總體成本最低。當(dāng)匯流箱輸入路數(shù)超過16時(shí)，隨著直流匯流箱輸入路數(shù)的增加，直流匯流方案總體成本逐漸增加。結(jié)合表3可以得出，隨著匯流箱輸入路數(shù)的增加，因?yàn)閰R流箱臺(tái)數(shù)減少，光伏專用電纜的總長度將逐漸增加，一級(jí)匯流電纜成本逐漸增加。由于匯流箱臺(tái)數(shù)減少，二級(jí)匯流電纜總長度將逐漸減少，但是由于采用了更貴的大截面電纜，二級(jí)匯流電纜成本不降反增，最終總的成本隨直流匯流箱輸入路數(shù)的增加而增加。

當(dāng)二級(jí)匯流電纜采用鋁芯電纜時(shí)，相關(guān)匯流方案的結(jié)果對(duì)比見表4。為了更直觀地顯示對(duì)比分析結(jié)果，將比選結(jié)果整理成圖5。從圖5中可以看出，當(dāng)二級(jí)匯流電纜選用鋁芯電纜時(shí)，直流匯流箱選用12匯1時(shí)總體成本最低。從總趨勢來看，隨著直流匯流箱輸入路數(shù)的增加，直流匯流方案總體成本逐漸增加。結(jié)合表4可以得出，隨著匯流箱輸入路數(shù)的增加，因?yàn)閰R流箱臺(tái)數(shù)減少，光伏專用電纜的總長度將逐漸增加，一級(jí)匯流電纜成本逐漸增加。由于匯流箱臺(tái)數(shù)減少，二級(jí)匯流電纜總長度將逐漸減少，但是由于采用了更貴的大截面電纜，二級(jí)匯流電纜成本不降反增，最終總的成本隨直流匯流箱輸入路數(shù)的增加而增加。

出現(xiàn)上述規(guī)律的原因主要原因有以下兩點(diǎn)：①匯流箱輸入路數(shù)的增加會(huì)減少匯流箱的臺(tái)數(shù)，從而增加光伏專用電纜的長度；②增加匯流箱輸入路數(shù)并未顯著減少二級(jí)匯流電纜的長度，而更多的輸入路數(shù)意味著需要選用價(jià)格更貴的大截面二級(jí)直流匯流電纜，從而增加了總體成本。

4 結(jié) 論

為了降低集中式光伏電站直流匯流系統(tǒng)總體造價(jià)，本文提出了考慮一二級(jí)直流匯流電纜整體造價(jià)的匯流箱經(jīng)濟(jì)性比選模型，并以某漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，介紹了該模型的應(yīng)用。本文的創(chuàng)新性如下：

（1）提出了考慮一二級(jí)直流匯流電纜整體造價(jià)的匯流箱經(jīng)濟(jì)性比選模型。該模型考慮了一二級(jí)匯流電纜的單位造價(jià)，根據(jù)該模型可得到集中式光伏發(fā)電單元最佳匯流箱型號(hào)。

（2）指出了直流匯流系統(tǒng)成本可能會(huì)隨著匯流箱輸入路數(shù)的增加而增加。

本文所提出的基于一二級(jí)直流匯流電纜加權(quán)最優(yōu)的集中式光伏電站直流匯流箱選型方法能從理論上指導(dǎo)集中式光伏電站匯流箱選型。尤其是目前光伏發(fā)電發(fā)展迅猛，匯流箱和電纜價(jià)格會(huì)受到行業(yè)發(fā)展以及原材料價(jià)格而波動(dòng)，不能依賴設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選擇匯流箱路數(shù)。基于本文提出的方法進(jìn)行成本核算，可以得到最優(yōu)的匯流箱輸入路數(shù)及型號(hào)，從而有效降低光伏電站總體造價(jià)，助力光伏項(xiàng)目平價(jià)上網(wǎng)。

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收稿日期：2024-01-05

作者簡介：李 勝，男，高級(jí)工程師，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮踊娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定分析與控制。E-mail：lisheng_2012@126.com

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A Method of Selecting DC Combiner Box for Centralized PV Power Station Based on Optimal Weighting of Primary and Secondary DC Combiner Cables

LI Sheng，WANG Song

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：The type of DC combiner box significantly impacts the cost of DC combiner system in centralized photovoltaic （PV） power station. Currently，most centralized PV projects use DC combiner boxes with a higher number of input circuits to reduce the length of the secondary DC combiner cable，which overlooks the total cost of primary and secondary DC combiner cables and therefore lacks theoretical basis for economic selection. To address this issue，we propose a method for selecting DC combiner box in centralized PV projects based on the weighted optimization of primary and secondary DC combiner cables. By thoroughly considering the relative lengths and prices of primary and secondary combiner cables，we propose an economic comparison model for DC combiner boxes and obtain the optimal number of input circuits. The proposed method for selecting DC combiner box in PV stations effectively reduces the cost of PV power plants and is conducive to the cost-effective integration of PV projects into the power grid.

Key words：centralized PV power station；DC combiner box；PV special cable；secondary DC combiner cables