一體式漂浮光伏發(fā)電站子方陣優(yōu)化設(shè)計(jì)

協(xié)鑫集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院 ■ 吳月儀 協(xié)鑫集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院新能源分院 ■ 張峰

0 引言

隨著化石能源儲(chǔ)備的減少及環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，綠色環(huán)保和低碳節(jié)能理念越來(lái)越受到重視，由此促進(jìn)了光伏產(chǎn)業(yè)的興起。近年來(lái)，由于光伏行業(yè)迅猛發(fā)展，土地資源緊缺、棄光限電、補(bǔ)貼不到位等已成為制約光伏持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題，光伏發(fā)電項(xiàng)目逐漸從西北向華中、華東地區(qū)，從平地向山地，從地面向水面轉(zhuǎn)移。在此情況下，水面漂浮式光伏發(fā)電站成為近兩年熱點(diǎn)，即利用基臺(tái)、浮臺(tái)等將光伏組件漂在水上進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電站。這種方式節(jié)約了用地，同時(shí)水體在一定程度上可降低組件的溫度，從而獲得更高的發(fā)電量。值得一提的是，由于水面上覆蓋了光伏組件，起到了減少水體蒸發(fā)的作用，對(duì)于抑制藻類(lèi)的繁殖和保護(hù)水資源起到了一定作用。因組串式逆變器在電站中應(yīng)用最為常見(jiàn)，本文主要論述一體式漂浮光伏發(fā)電站組串型逆變器的子方陣優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。

1 原方案介紹

原方案發(fā)電容量為10 MW，采用漂浮式方案。通過(guò)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)綜合比較，光伏組件選用多晶硅光伏組件，并網(wǎng)逆變器選用1 MW的集中式逆變器。

工程中光伏組件陣列由10個(gè)1 MW子系統(tǒng)組成。每個(gè)子系統(tǒng)包括1臺(tái)1 MW集中式逆變器，每臺(tái)逆變器并聯(lián)接入192路光伏組串單元，每個(gè)組串由18塊光伏組件串聯(lián)組成。輸入防雷匯流箱經(jīng)電纜接入逆變器直流側(cè)，然后經(jīng)并網(wǎng)逆變器逆變后的三相交流電經(jīng)電纜引至35 kV箱式升壓變壓器(箱式升壓變電器)配電裝置升壓后送至220 kV開(kāi)關(guān)站的35 kV配電室。箱式升壓變壓器與并網(wǎng)逆變器相鄰布置。

10 MW光伏組件利用浮體連成一個(gè)11.5萬(wàn)m2的“大浮島”，匯流箱放置在浮體上，匯流箱出線電纜通過(guò)浮體接到岸邊的逆變器和升壓站。具體總平面布置圖如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2、圖3所示。

圖1 總平面布置圖

圖2 航拍方陣圖

圖3 匯流箱出線電纜(至岸邊部分)

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)方案在實(shí)施過(guò)程中暴露出較多問(wèn)題，如：集中式逆變器布置于岸邊造成直流電纜過(guò)長(zhǎng)、線損過(guò)大；每組串聯(lián)組件數(shù)量少，造成電纜數(shù)量多；電纜無(wú)固定通道，易垂入水中。

針對(duì)以上問(wèn)題，從主要設(shè)備選型角度考慮優(yōu)化方案。

2.1 逆變器的選擇及布置

由于原設(shè)計(jì)方案中集中式逆變器在岸邊，易造成直流電纜過(guò)長(zhǎng)、線損過(guò)大，布線困難。故優(yōu)化后的逆變器選擇組串式，選用華為60 kW逆變器SUN2000HA-60KTL，逆變器的主要參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 逆變器的主要參數(shù)表

逆變器的位置應(yīng)根據(jù)組件實(shí)際布置情況排布，并考慮減少損耗、降低施工難度、方便后期維護(hù)、降低成本等原則。

對(duì)于組串式逆變器，需考慮逆變器散熱問(wèn)題，逆變器不能斜躺在浮體之上，需有專(zhuān)門(mén)的支架來(lái)安裝逆變器；需考慮陰影遮擋問(wèn)題，支架高度不宜過(guò)高，滿(mǎn)足底部接線最低標(biāo)準(zhǔn)高度即可。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)中將逆變器放置在浮島一側(cè)，盡可能減少浮體數(shù)量和線損，同時(shí)便于安全維護(hù)。圖4是優(yōu)化方案后1.6 MW子方陣組串式逆變器相應(yīng)的布置方案。

圖4 1.6 MW子方陣布置圖

圖5 逆變器支架圖

2.2 組串設(shè)計(jì)及布線

在1500 V電壓等級(jí)下，組件組串、線纜、匯流箱數(shù)量均會(huì)減少，接線安裝成本等會(huì)有所降低；同時(shí)，設(shè)備的功率密度提升，體積減小，運(yùn)輸、維護(hù)等方面工作量也減少，有利于光伏系統(tǒng)的優(yōu)化和成本的降低。因此，選用1500 V電壓等級(jí)的系統(tǒng)做如下組串設(shè)計(jì)。

光伏組件串聯(lián)的數(shù)量由逆變器的最高輸入電壓、MPPT工作電壓，以及光伏組件最大耐壓值確定；光伏組串并聯(lián)的數(shù)量由逆變器的額定容量確定。

表2 組件各項(xiàng)參數(shù)

現(xiàn)在計(jì)算單個(gè)方陣組件的串聯(lián)數(shù)量：

1)計(jì)算串聯(lián)數(shù)量。光伏組件的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件為光照強(qiáng)度1000 W/m2、工作溫度為25 ℃，在排除光伏組件工作溫度修正系數(shù)的影響條件下，計(jì)算光伏組件最大串聯(lián)數(shù)量Smax和最小串聯(lián)數(shù)量Smin[1]為：

式中，Vmpptmax為逆變器MPPT電壓最大值，V；Vmpptmin為逆變器MPPT電壓最小值，V；Voc為光伏組件的開(kāi)路電壓，V；Vpm為光伏組件的工作電壓，V。

2)輸出電壓驗(yàn)算。項(xiàng)目所在地的光照強(qiáng)度為1000 W/m2、最高溫度為38 ℃，冬天日間最低組件工作溫度為-9.3 ℃?？紤]組件的溫度修正系數(shù)，在串聯(lián)20～37塊組件時(shí)，此組串的最高輸出電壓Vmax及最低輸出電壓Vmin為：

式中，N為光伏組件的串聯(lián)數(shù)，N取整數(shù)；Kv為光伏組件的開(kāi)路電壓溫度系數(shù)；t為光伏組件工作條件下的極限低溫，℃；t′為光伏組件工作條件下的極限高溫，℃。

由于串聯(lián)37塊組件的最高輸出電壓Vmax超出逆變器最大MPPT工作電壓1450 V，通過(guò)調(diào)整串聯(lián)數(shù)發(fā)現(xiàn)，在串聯(lián)33塊組件時(shí)Vmax為1409 V，滿(mǎn)足逆變器要求。

組件串聯(lián)數(shù)量越大，匯流箱的數(shù)量將越少，各組串間并聯(lián)用的電纜長(zhǎng)度就會(huì)減少；又因?yàn)槟孀兤髯畲竽蛪簽?500 V，需盡可能選取組件串聯(lián)的最大數(shù)。綜合光伏陣列布置、支架設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)等多方面要求，本項(xiàng)目采用275 W多晶硅組件32塊串聯(lián)，即單列組件串聯(lián)個(gè)數(shù)為32塊。

為了節(jié)省電纜和線損，設(shè)計(jì)采用更合理的U型走線，具體示意圖如圖6所示。

圖6 組串接線示意圖

2.3 浮體及浮體組合優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)南北通道上的用于敷設(shè)電纜的浮體數(shù)量較多、成本大，電纜容易垂在水中等問(wèn)題，對(duì)浮體本身功能及各種浮體之間如何布置進(jìn)行優(yōu)化。

一體式浮體采用模塊化設(shè)計(jì)，分主浮體、輔助浮體和連接件，組裝快速、簡(jiǎn)單。主、輔助浮體采用一體式模型，無(wú)需金屬支架，傾角為13°，組件可直接安裝。本次方案設(shè)計(jì)對(duì)主浮體和輔助浮體增加了電纜槽。圖7、圖8分別為主、輔助浮體圖。

圖7 主浮體圖

圖8 輔助浮體圖

浮體大布局設(shè)計(jì)采用矩形設(shè)計(jì)，主、輔助浮體之間靠連接件連接。主浮體主要是用來(lái)承載組件；無(wú)凹槽的輔助浮體作用是連接前后主浮體，有凹槽的輔助浮體主要是負(fù)責(zé)浮體左右連接，以及作為電纜通道的支撐。

為降低成本，輔助浮體采取間隔連接，既可滿(mǎn)足浮體組合要求，又可減少浮體數(shù)量，降低成本。而對(duì)于外圍浮體，考慮到防浪和后期維護(hù)的問(wèn)題，需要滿(mǎn)鋪。

圖9 浮體組合單元圖

2.4 電纜走線優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.4.1 光伏專(zhuān)用電纜走線設(shè)計(jì)

目前許多漂浮項(xiàng)目電纜都是平鋪在浮島之上，有時(shí)甚至?xí)湓谒?，為了避免此?lèi)情況，本文對(duì)光伏專(zhuān)用電纜敷設(shè)進(jìn)行了以下優(yōu)化：

1)組串內(nèi)部采用U型走線，兩排組件南北方向跨接處采用橋架板連接，電纜穿管放置在橋架板之上，具體如圖10所示。

圖10 橋架板放置圖

2)在主浮體高側(cè)外延預(yù)埋螺栓，通過(guò)鋼絲連接相鄰主浮體的螺栓，電纜搭接固定在鋼絲之上，可有效避免電纜遇水，如圖11所示。

圖11 兩浮體之間連接鋼絲圖

2.4.2 逆變器電纜優(yōu)化設(shè)計(jì)

逆變器電纜走線主要通過(guò)輔助浮體來(lái)完成，在有凹槽的輔助浮體上另加固定卡扣件，通過(guò)U型卡扣將匯流電纜固定，如圖12所示。

圖12 固定卡扣件示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)論述了一體式漂浮光伏發(fā)電站子方陣典型方案的設(shè)計(jì)過(guò)程，首先介紹了光伏主要設(shè)備的選型，包括光伏組件、組串逆變器、交流匯流箱、箱變、一體式浮體；其次介紹了優(yōu)化設(shè)計(jì)的主體部分，包括浮體組合、組串接線、逆變器和匯流箱布置、箱變布置、電纜走線等的優(yōu)化設(shè)計(jì)，由此在一定程度達(dá)到降低光伏系統(tǒng)成本、走線便利、設(shè)備維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)。希望通過(guò)這些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，為相關(guān)行業(yè)從業(yè)者提供一定參考。

[1]劉馬軍.江蘇常州100 MWp“漁光一體”直溪光伏發(fā)電項(xiàng)目可行性研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2015.