張彥昌，石巍

(中南電力設(shè)計院，武漢市430071)

0 引言

2013年7月15日，國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于促進光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》，將光伏產(chǎn)業(yè)定位為我國具有國際競爭優(yōu)勢的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，并確定裝機目標(biāo)為:2013—2015年，年均新增光伏發(fā)電裝機容量1 000萬 kW左右，到 2015年總裝機容量達到3 500萬kW以上。在今后數(shù)年，光伏發(fā)電仍將持續(xù)高速發(fā)展。

光伏電站直流側(cè)匯流電纜數(shù)量龐大，造價占比較高，其年損耗電量可以占到年總發(fā)電量的0.6% ～1%。因此，為提高整個運營期的電站收益，按經(jīng)濟電流密度選擇直流匯流電纜截面非常重要。但是，目前各設(shè)計院忽略了相關(guān)的研究，因為，現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范、手冊中的經(jīng)濟電流密度曲線均為針對常規(guī)電站交流電纜的，不適用于光伏電站直流匯流電纜。GB 50217附錄B［1］給出的經(jīng)濟電流密度的計算又比較繁雜，故大部分設(shè)計院在進行光伏電站設(shè)計時，一般沒有考慮按經(jīng)濟截面來選擇直流匯流電纜，造成電纜截面選擇偏小，電站建成后運行不經(jīng)濟。

本文結(jié)合光伏電站的特點，提出基于GB 50217附錄B的光伏電站直流匯流電纜經(jīng)濟電流密度的計算方法;在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范，給出直流匯流電纜的綜合選型方法。

由于單個組件功率較小，光伏電站直流側(cè)一般要經(jīng)過多次匯流后再接到集中式大型逆變器直流側(cè)，經(jīng)逆變器逆變升壓后送入電網(wǎng)。對采用多晶硅或單晶硅光伏組件的光伏電站，一般設(shè)置兩級直流匯流，對采用薄膜光伏組件的光伏電站，一般采用三級直流匯流。由于大型薄膜光伏電站較少，國內(nèi)多數(shù)大型地面光伏電站均為晶體硅組件光伏電站，其組串至一級匯流箱的電纜采用1×4 mm2的光伏專用電纜(PV1-F)。本文主要針對晶體硅組件光伏電站匯流箱至直流柜的直流電纜。

1 光伏電站直流側(cè)電纜的型號選擇及敷設(shè)方法

對于一級匯流箱至直流柜的直流電纜的選型，國內(nèi)不同地區(qū)有不同的做法。但基本都遵循標(biāo)準(zhǔn)GB 50217—2007中的有關(guān)規(guī)定。

(1)絕緣類型。絕緣類型一般選用交聯(lián)聚乙烯。

(2)絕緣水平。光伏組件和逆變器直流側(cè)的最大直流電壓一般為1kV，因此，直流電纜的額定電壓等級選擇為0.6/1kV，即極間絕緣水平為1kV，極對地絕緣水平為0.6kV。

(3)電纜護層。電纜擠塑外護層一般選用聚氯乙烯或聚乙烯(－15℃以下低溫環(huán)境需選用聚乙烯);

(4)敷設(shè)方法。從一級匯流箱至二級匯流箱一般采用直埋或橋架敷設(shè)的方法。由于直埋更經(jīng)濟美觀，以直埋敷設(shè)方式為主。對直埋電纜，電纜鎧裝有鋼絲鎧裝和鋼帶鎧裝2種，它們的區(qū)別在于鋼絲鎧裝可以抗左右位移拉力，鋼帶鎧裝可以抗垂直壓力荷載。光伏電站中，地質(zhì)情況比較穩(wěn)定，一般情況可選用鋼帶鎧裝電纜以節(jié)約投資。

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》［2］，對直接埋設(shè)的直流電纜，可不采用阻燃電纜。但對于敷設(shè)在橋架或電纜溝中的電纜需要采用阻燃電纜。

因此，從一級匯流箱至直流柜的電纜，當(dāng)采用直埋敷設(shè)時，一般采用YJV22－0.6/1kV電纜;當(dāng)采用橋架或電纜溝敷設(shè)時，一般采用ZRC-YJV-0.6/1kV電纜。

2 經(jīng)濟電流密度計算

本文經(jīng)濟電流密度計算的方法主要采用GB 50217《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》附錄B中的方法，計算中的通用參數(shù)在此不再詳細介紹。

關(guān)于經(jīng)濟電流密度的概念、光伏電站中經(jīng)濟電流密度計算中τ(最大負荷損耗時間，h)和P［電價，元/(kW·h)，不含增值稅］參數(shù)的取值，詳見文獻［3］，篇幅有限，不再重復(fù)。

需要調(diào)整的系數(shù)為Np，即每回路相線數(shù)目，由于直流電纜為兩芯電纜，取Np=2，經(jīng)濟電流密度計算公式更新為

下面確定單位長度可變部分A的值。

YJV22－0.6/1kV型與ZRC-YJV-0.6/1kV型電纜價格如表1所示。

表1 YJV22－0.6/1kV型與ZRC-YJV-0.6/1kV型電纜價格Tab.1 Prices of YJV22－0.6/1kV and ZRC-YJV-0.6/1kV cables

以上電纜報價以銅價為5 8000元/t為前提?？勺兂杀続計算公式為

式中:yi為單價;Si為截面積［3］。

經(jīng)計算 YJV22－0.6/1kV型電纜的 A值為1 480元/(km·mm2);ZRC-YJV-0.6/1kV型電纜的A值為1 490元/(km·mm2)。

將以上所有取值分別代入公式(1)，對典型太陽能資源條件下的經(jīng)濟電流密度進行計算，結(jié)果如表2所示。

若電纜價格變化較大引起A值變化較大或者太陽能資源的τ值偏離設(shè)定的3個值較大，可采用公式(1)直接計算。

算得經(jīng)濟電流密度j后，求得電纜經(jīng)濟電流截面Sec=Imax/j，在選擇經(jīng)濟電流截面時，應(yīng)按“接近”原則，選出最接近 Sec的電纜截面，確定為經(jīng)濟電纜截面［4-11］。

3 實例應(yīng)用

以西藏某40MW光伏電站為例，光伏電站光伏組件最佳傾角傾斜面上年總輻射量為211 9.8 kW·h/m2;共設(shè)置40個1MW單元。每個1MW單元共包含4 092塊245 W的多晶硅組件。組件串聯(lián)數(shù)N=22，每個1MW 單元布置93×2個組串，采用16進1出一級匯流箱匯流后接至二級匯流柜(直流柜)，共設(shè)置6×2個一級匯流箱(3×2個16進1出，3×2個15進1出)。

選用6進1出二級防雷匯流箱(直流配電柜)，每路額定開斷電流為200 A。為保證負荷均勻，每個二級防雷匯流箱(直流配電柜)接6個一級匯流箱(3個16進1出，3個15進1出)。1MW 單元設(shè)置2臺500 kW逆變器，經(jīng)雙分裂變升壓后接入35kV集電線路。

245 W組件在STC(standard test condition)條件下的主要電氣參數(shù)如表3所示。

表3245 W組件主要電氣參數(shù)(STC)Tab.3 Main electric parameters of 245 W component(STC)

對直流電纜截面選擇按以下幾個方面考慮:

(1)載流量校驗電流計算。電纜載流量校驗除了需要考慮額定載流量外，還需要與回路過負荷保護配合，一般回路過負荷保護所需校驗的載流量大于額定載流量，故電纜載流量校驗按回路過負荷保護所需校驗的載流量選定。下面分別對最大負荷電流、載流量校驗電流進行計算。

根據(jù)JGJ 203—2010《民用建筑太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》3.3.7條規(guī)定，直流線路的額定電流應(yīng)高于短路保護電器額定值，短路保護電器整定值應(yīng)高于光伏方陣的標(biāo)稱短路電流的1.25倍［12］。因此，在電纜額定載流量校驗時，額定電流應(yīng)按1.25倍的短路電流選擇，即169.6 A。

(2)電纜熱穩(wěn)定校驗分析。根據(jù) GB 50217—2007第3.7.7條，對非熔斷器保護回路，按滿足短路熱穩(wěn)定條件確定允許纜芯最小截面時，可按附錄D的規(guī)定計算。故熔斷器回路可不進行熱穩(wěn)定校驗。對于一級匯流箱至配電柜直流匯流電纜，其回路類型一般為反向二極管+熔斷器或斷路器。按斷路器回路進行校驗，其回路的短路電流為135.6 A，短路持續(xù)時間為0.02 s，經(jīng)計算，回路熱穩(wěn)定最小截面為0.14 mm2

(3)載流定截面選擇。直埋電纜載流量的校正系數(shù)主要有3個，分別為土壤熱阻系數(shù)、埋深處的最熱月平均地溫和多根并行敷設(shè)校正系數(shù)。經(jīng)計算，3個系數(shù)分別為 1.1、0.81、0.86，綜合取 0.766。

電纜溝敷設(shè)電纜載流量校正系數(shù)主要有2個，即環(huán)境溫度校正系數(shù)、空氣中單層多根并行敷設(shè)時校正系數(shù)。經(jīng)計算，2個系數(shù)分別為 1.2、0.85，綜合取1.02。

根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》進行電纜截面選擇，選擇結(jié)果如表4所示。

(4)經(jīng)濟截面的選擇。光伏電站光伏組件最佳傾角傾斜面上年總輻射為2 119.8 kW·h/m2，則t為211 9.8 h，算得τ值為132 0 h，與表2中τ=1 050 h、P=0.983元/(kW·h)對應(yīng)的j值偏離較大，重新計算得對應(yīng)τ值為1 320 h、P=0.983元/(kW·h)時的j=1.46 A/mm2，根據(jù)最大負荷電流計算經(jīng)濟截面結(jié)果見表4。

表4 經(jīng)濟截面計算結(jié)果Tab.4 Results of economic section

(5)壓降校驗。對直流回路電纜壓降按公式(3)計算:

式中:U為線路工作電壓，V;Ig計算工作電流，A;L為線路長度km;R為電阻，Ω/km。

根據(jù)GB 50217—2007第3.7.1條:連接回路在最大工作電流作用下的電壓降，不得超過該回路允許值。但光伏電站逆變器的MPPT(maximum power point tracking)追蹤范圍為450～820 V，即正常發(fā)電時，光伏組件的電壓是隨著環(huán)境溫度、輻射強度變化的，因此，在考慮經(jīng)濟電流密度的前提下，對逆變器直流側(cè)電纜壓降校驗意義不大，也沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可遵循。

理論上，從一級匯流箱至直流配電柜部分電纜壓降差別較大。本工程1MW方陣內(nèi)，最遠端一級匯流箱至直流配電柜距離為100m，最近端一級匯流箱至直流配電柜距離為25m。滿功率情況下，若電纜選用2×50 mm2，最遠回路電壓下降10.8 V，壓降約為1.6%，最近回路電壓下降2.7 V，壓降約為0.4%，最遠回路與最近回路壓降差約為1.2%。若電纜選用2×95 mm2，最遠回路電壓下降 5.6 V，壓降約為0.84%，最近回路電壓下降1.4 V，壓降約為0.21%，最遠回路與最近回路壓降相差0.63%。采用經(jīng)濟電流密度選出的電纜截面壓降和回路間壓差更小，更利于逆變器實現(xiàn)MPPT追蹤。

集中式逆變器一般是500 kW逆變器配置1個MPPT通路。由于1MW單元內(nèi)，光伏組件布置比較分散，為了實現(xiàn)MPPT追蹤，理論上應(yīng)使得每串組件到達逆變器的總壓降一致，逆變器才能追蹤到所有組件的最大功率點，提高發(fā)電效率。實際上這是不能實現(xiàn)的，在設(shè)計時，只能采用在遠端選用較大截面的電纜，在近端選用較小截面的電纜，使得壓降盡量小，這樣可以使得逆變器的MPPT電壓更好地追蹤最大功率輸出。

基于以上分析，從一級匯流箱至直流配電柜部分遠端3個回路采用2×95 mm2電纜，近端3個回路采用2×70 mm2電纜，計算遠端3個回路與近端3個回路的電纜壓降平均為0.26%，小于全部采用2×95 mm2電纜的?！鞍唇?jīng)濟電流密度選擇截面”與“按壓降選擇截面”之間是矛盾的關(guān)系，建議首先以經(jīng)濟電流密度選擇截面，然后考慮壓降平衡，兩者之間的主次問題，有待進一步細化研究。

4 結(jié)語

本文對直流匯流電纜的選型、影響經(jīng)濟電流密度計算的幾個重要因素進行分析，通過計算得出光伏電站直流匯流電纜的經(jīng)濟電流密度。通過實例計算，對光伏電站直流匯流電纜的截面選擇進行詳細的介紹并選出合適的截面。本文僅對多晶硅組件光伏電站的直流匯流電纜選擇進行實例計算，對薄膜組件光伏電站的選擇由于篇幅限制沒有論述。經(jīng)驗證，采用手冊原有老經(jīng)濟電流密度曲線對比本文計算結(jié)果，相差很大。并且，由于目前沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可依，各設(shè)計院選擇電纜截面一般僅根據(jù)載流量進行選擇，選出的電纜截面不合理。目前光伏電站建設(shè)大規(guī)模發(fā)展，光伏電站中電纜用量龐大，電纜的截面對工程的經(jīng)濟運行影響較大，因此，在進行光伏電站設(shè)計時，有必要按本文思路對直流匯流電纜截面進行選擇。

［1］GB 50217—2007電力工程電纜設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］GB 50797—2012光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］張彥昌，石巍，王杰，等.大型光伏電站直流經(jīng)濟電流密度計算［J］.電力建設(shè)，2013，34(3):50-53.

［4］馬乃兵，徐緩.大型并網(wǎng)光伏電站運行工況分析［J］.供用電2011，28(5):33-36.

［5］田漪，孫志明，陳西海.導(dǎo)線經(jīng)濟截面及經(jīng)濟電流密度的優(yōu)化［J］.電力建設(shè)，2008，29(2):27-29.

［6］孫珂，趙彪，韓豐，等.直流輸電導(dǎo)線經(jīng)濟電流密度問題研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008.32(2):279-282.

［7］章堅民，章謙之，王娜，等.光伏電站電能采集系統(tǒng)的發(fā)電模型及參數(shù)率定［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35(13):23-27.

［8］曹石亞，李瓊慧，黃碧斌，等.光伏發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟分析及發(fā)展預(yù)測［J］.中國電力，2012，45(8):64-68.

［9］DL/T 5222—2005導(dǎo)體和電器選擇技術(shù)規(guī)定［S］.

［10］QX/T 89—2008太陽能資源評估方法［S］.

［11］GB/T 18479—2001地面用光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)概述和導(dǎo)則［S］.

［12］JGJ 203—2010民用建筑太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.