特變電工新疆新能源股份有限公司 李 濤

關(guān)于光伏電站電氣設(shè)計(jì)的研究和應(yīng)用

特變電工新疆新能源股份有限公司 李 濤

我國(guó)的經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，對(duì)自然資源的需求也越來(lái)越多，自然資源緊張是全世界面臨的共同問題，我國(guó)也不例外。光伏發(fā)電是當(dāng)前開發(fā)新型能源的一種重要形式，利用光伏發(fā)電可以有效解決能源短缺的問題，因此國(guó)家應(yīng)該予以重視。本文將具體探討光伏電站電氣設(shè)計(jì)的研究和應(yīng)用，希望給相關(guān)人士提供一些參考。

光伏電站；電氣設(shè)計(jì)；研究和應(yīng)用

引言

社會(huì)的繁榮發(fā)展離不開能源的支持，然而目前的石油、煤炭等傳統(tǒng)能源面臨著嚴(yán)峻的供需問題，阻礙了社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。面對(duì)能源短缺的問題，各國(guó)都加大了科技研發(fā)的力度，試圖開發(fā)新型能源。光伏發(fā)電具有高效、環(huán)保、可再生等特點(diǎn)，我國(guó)的光伏發(fā)電技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)取得了階段性的成效，因此應(yīng)當(dāng)把光伏發(fā)電作為開發(fā)研究的重點(diǎn)。

1.太陽(yáng)電池組件和逆變器的設(shè)計(jì)

1.1 太陽(yáng)電池組件的選型

太陽(yáng)電池組件的類型一共有三種，分別是晶體硅太陽(yáng)電池、薄膜太陽(yáng)電池和非晶硅太陽(yáng)電池，這三種電池各具優(yōu)缺點(diǎn)。第一是晶體硅太陽(yáng)電池，優(yōu)點(diǎn)是成熟穩(wěn)定、安全可靠，而且應(yīng)用的范圍較為廣泛。晶體硅電池包括單晶硅和多晶硅電池，價(jià)格合理，效率較高。而晶體硅的缺點(diǎn)是，在光照和大氣環(huán)境下，電池會(huì)出現(xiàn)能量衰竭的情況。第二是薄膜太陽(yáng)電池，優(yōu)點(diǎn)是高效低廉，性能穩(wěn)定，缺點(diǎn)是原料稀缺，對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)生制約[1]。第三是非晶硅太陽(yáng)電池，優(yōu)點(diǎn)是在弱光下，性能仍然較好，缺點(diǎn)是電池轉(zhuǎn)換的效率較低。綜合上述三種電池類型，我國(guó)選擇較多的是晶體硅太陽(yáng)電池組件。

1.2 逆變器的選型

逆變器技術(shù)結(jié)構(gòu)一共有三種類型，分別是集中式逆變器、組串式逆變器和組件式逆變器。第一是集中式逆變器，其優(yōu)點(diǎn)是效率較高，成本較低，大型的集中逆變器可以聯(lián)網(wǎng)，減少輸電損耗，提高發(fā)電效率。第二是組串式逆變器，其優(yōu)點(diǎn)是增加了發(fā)電量，減少陽(yáng)光陰影帶來(lái)的損失。第三是組件式逆變器，優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用范圍比較大，缺點(diǎn)是銘牌容量較小。綜合上述三種逆變器類型，我國(guó)市場(chǎng)上應(yīng)用最多的集中型逆變器。

2.光伏陣列布置方案設(shè)計(jì)

2.1 逆變器布置方案

在布置逆變器的過程中，可以采用如下幾種布置方案：第一種方案是采用1MW逆變器單元，與兩個(gè)500kWp太陽(yáng)電池方陣相連，形成一個(gè)1MWp的光伏子方陣。兩個(gè)500kWp的太陽(yáng)電池方陣經(jīng)過匯流箱，與2×500kW的逆變器相連，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列的布置。

第二種方案是采用500kW的逆變器，與一個(gè)500kWp的太陽(yáng)電池組件相連，輸出35kV的交流電。500kW的太陽(yáng)電池方陣經(jīng)過匯流箱，和500kW的逆變器相連接，最終可以構(gòu)成0.5MWp光伏的光伏子方陣。

將兩種方案進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)二者具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)：第一種方案便于安裝和管理，發(fā)生故障的幾率較小，經(jīng)濟(jì)效益較好，但是線損比較高。第二種方案便于布置，線損比較低，但是故障發(fā)生的幾率較大，經(jīng)濟(jì)效益較低。因此，在光伏電站電氣設(shè)計(jì)的應(yīng)用中，一般采用第一種方案。

2.2 光伏陣列分層結(jié)構(gòu)

首先，光伏陣列的分層結(jié)構(gòu)包括光伏發(fā)電單元系統(tǒng)。將一定容量的太陽(yáng)電池方陣，和一臺(tái)匹配太陽(yáng)電池方陣容量的逆變器連接，二者所構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)，可以稱為光伏發(fā)電的單元系統(tǒng)。

其次，光伏陣列的分層結(jié)構(gòu)包括光伏發(fā)電分系統(tǒng)。將一臺(tái)箱式的升壓變壓器和另一臺(tái)逆變器相連接，二者所構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)被稱為光伏發(fā)電的分系統(tǒng)。

再次，光伏陣列的分層結(jié)構(gòu)包括光伏電站。將許多臺(tái)箱式變壓器相互連接，在接入電網(wǎng)之后所形成的發(fā)電系統(tǒng)被稱為光伏電站。在光伏電站中，一般采用500kW的逆變器和315V/35kV的箱式升壓變壓器，以滿足光伏電站的發(fā)電需要。

2.3 光伏陣列電氣系統(tǒng)

首先，光伏陣列電氣系統(tǒng)包括直流發(fā)電系統(tǒng)。光伏陣列直流發(fā)電系統(tǒng)中，有太陽(yáng)電池組件、匯流箱、逆變器和配電柜等等，在發(fā)電的過程中，太陽(yáng)電池組件經(jīng)過光伏作用，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成為電能。在轉(zhuǎn)換電能時(shí)，一般采用多晶硅太陽(yáng)電池組件構(gòu)成的太陽(yáng)電池陣列。

其次，光伏陣列電氣系統(tǒng)包括交流輸出系統(tǒng)。光伏陣列交流輸出系統(tǒng)中，有電纜、開關(guān)柜等等，逆變器采用了最大功率跟蹤的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)換成交流電的效率最大化，使輸出的電能符合電網(wǎng)的需求[2]。在轉(zhuǎn)換電能的過程中，控制器和外部的傳感器連接，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)外部的日常環(huán)境和光伏陣列的運(yùn)行情況，保證光伏陣列的正常運(yùn)行。光伏陣列和發(fā)電分系統(tǒng)之間沒有直接的電氣聯(lián)系，這樣一來(lái)，當(dāng)光伏發(fā)電的分系統(tǒng)出現(xiàn)問題，光伏陣列并不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行停止的狀況，方便檢修人員對(duì)光伏發(fā)電分系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)的檢查。在光伏組件的選擇上，可以減少光伏組件的塊數(shù)，進(jìn)而減少光伏電纜的數(shù)量，將工程投入成本限制在一定的范圍之內(nèi)，提高分系統(tǒng)的發(fā)電效率。

3.電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 集電線路一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 確定集電線路的初步方案

首先，應(yīng)該確定集電線路的初步方案。在光伏陣列的選件上，可以選用容量為1000kVA的變壓器，將逆變器的輸出電壓升到35kV，然后將電流匯流到開關(guān)站的母線。200MWp光伏陣列的每個(gè)分陣，都可以采用首尾串接的方式并入電線路。在箱變高壓測(cè)，應(yīng)該設(shè)置高壓負(fù)荷開關(guān)，避免一個(gè)方陣的分合對(duì)其他方陣的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

3.1.2 對(duì)35kV的開關(guān)站進(jìn)行電器計(jì)算

其次，應(yīng)該對(duì)35kV的開關(guān)站進(jìn)行電器計(jì)算。開關(guān)站一般布置在地勢(shì)較為平緩的地段，如光線較少遮擋的山頂，這樣可以減少土方量，便于線路的接入。在選擇電氣主接線時(shí)，應(yīng)該分為低壓站用電壓和高壓站用電壓兩級(jí)電壓，經(jīng)過兩回集電線路匯集電能之后，將電能發(fā)送到35kV的開關(guān)站，然后再通過35kV的單回架空出線接入變電站。

在35kV系統(tǒng)中，主要采用單母線主接線方式，母線是由一次性建成的，在母線上面設(shè)有六面柜，分別是架空出線柜、電纜進(jìn)線柜、無(wú)功補(bǔ)償饋線柜、變壓器出線柜和母線PT柜，這六個(gè)柜分別步驟在母線的六面。

在計(jì)算35kV側(cè)電容電流計(jì)算時(shí)，已經(jīng)集電線路電纜總長(zhǎng)度，按照集電線路側(cè)電網(wǎng)單相接地的電容電流計(jì)算公式，可以得到Ic=0.1×UexL，帶入數(shù)字計(jì)算，可以求出Ic的值。

在選擇35kV的測(cè)消弧線圈和接地站用變?nèi)萘繒r(shí)，需要計(jì)算消弧線圈的容量，和接地兼站用變壓器的容量。按照設(shè)計(jì)的手冊(cè)，在計(jì)算容量之后應(yīng)該采用站用接地變成套裝置，布置在接地變及消弧線圈的間隔內(nèi)。

3.2 電氣一次設(shè)備選型

3.2.1 35kV配電裝置選擇

在進(jìn)行35kV配電裝置選擇的過程中，應(yīng)當(dāng)考慮開關(guān)站的海拔高度，和場(chǎng)地的污穢等級(jí)。在評(píng)估地理位置的要素時(shí)，要選用固定式的開關(guān)柜，固定式的開關(guān)柜和移動(dòng)式的開關(guān)柜具有各自的優(yōu)點(diǎn)。以固定式的開關(guān)柜為例，它的造價(jià)較低，修正方便，而且維護(hù)空間較大，但是更換頻率較低。以移動(dòng)式的開關(guān)柜為例，它的體積較小，重量很輕，而且外表美觀，但是容易發(fā)生失靈等問題，增加維護(hù)人員的工作量[3]。

3.2.2 其他設(shè)備技術(shù)參數(shù)

開關(guān)柜的技術(shù)參數(shù)包括以下幾個(gè)指標(biāo)：額定電壓、頻率、電流、短路開斷電流、短路關(guān)合電流、動(dòng)穩(wěn)定電流、熱穩(wěn)定電流和外殼防護(hù)等級(jí)。斷路器的技術(shù)參數(shù)要綜合考量如下指標(biāo)：耐受電壓、短路開斷電流、短時(shí)耐受電流、峰值耐受電流等等。隔離開關(guān)要考量的技術(shù)參數(shù)包括：短時(shí)工頻耐受電壓、雷電沖擊耐受電壓、短時(shí)耐受電流、接地開關(guān)額定短路關(guān)合電流、峰值耐受電流等等。

3.3 電氣二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 NCS

首先，在電氣二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)NCS，對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電的運(yùn)行狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和在線分析，對(duì)光伏電站的發(fā)電能力進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。NCS包括站控層和間隔層，在站控層失去效用時(shí)，間隔曾仍然能進(jìn)行獨(dú)立工作。光伏電站的NCS監(jiān)控范圍包括太陽(yáng)電池方陣、逆變器和開關(guān)站配電裝置等系統(tǒng)，具體功能有監(jiān)視、控制、報(bào)警和保護(hù)等。

3.3.2 安全自動(dòng)裝置和UPS系統(tǒng)

其次，在電氣二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該采用安全自動(dòng)裝置和UPS系統(tǒng)。安全自動(dòng)裝置要對(duì)35kV架空送出線路、電纜集電線路進(jìn)行保護(hù)，UPS系統(tǒng)指的是交流不停電系統(tǒng)，可以為蓄電池浮充電等不停電負(fù)荷提供不間斷的供電。

4.結(jié)論

我國(guó)面臨嚴(yán)峻的能源短缺問題，針對(duì)這種情況，國(guó)家應(yīng)該重視光伏電站的電氣設(shè)計(jì)，尋找新型能源，促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

[1]陳琨.高校太陽(yáng)能光伏屋面電站的設(shè)計(jì)、安裝及并應(yīng)用研究[D].山東建筑大學(xué),2013.