大型復(fù)雜山地光伏電站短路電流計(jì)算及其工程應(yīng)用研究

韓 剛 郝楠楠

(1.浙江省發(fā)展規(guī)劃研究院，浙江 杭州 310012；2.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

能源危機(jī)、環(huán)境污染以及單位發(fā)電成本不斷下降給規(guī)?；夥l(fā)電帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。近年來，我國太陽能光伏發(fā)電勢(shì)頭較猛，裝機(jī)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。截至2019年底，光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到205.7GW以上，并且每年保持穩(wěn)定的增長(zhǎng)規(guī)模，部分地區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“平價(jià)上網(wǎng)”，成為優(yōu)化地區(qū)能源結(jié)構(gòu)的重要舉措[1]。

然而，與傳統(tǒng)火電、水電等基荷電源相比，光伏發(fā)電出力容易受天氣等因素影響，具有波動(dòng)性和間歇性等特點(diǎn)[2]。因此，光伏電站工程設(shè)計(jì)在場(chǎng)區(qū)布置、設(shè)備選型、系統(tǒng)組成和配置等方面與傳統(tǒng)電站差別較大。同時(shí)，光伏電站投資開發(fā)由于民營資本較為集中、準(zhǔn)入門檻相對(duì)不高，在平價(jià)上網(wǎng)的趨勢(shì)下，“簡(jiǎn)配”設(shè)計(jì)已成為各電站開發(fā)商降低成本的重要手段?？茖W(xué)合理的短路電流計(jì)算是電氣設(shè)備選型、導(dǎo)體選擇和校驗(yàn)、繼電保護(hù)整定的前提和基礎(chǔ)，其計(jì)算結(jié)果將直接影響到整個(gè)光伏電站的安全可靠和工程造價(jià)[3]。因此，對(duì)光伏電站整體系統(tǒng)進(jìn)行短路電流計(jì)算，分析其電氣設(shè)備參數(shù)配置，對(duì)合理降低系統(tǒng)成本具有重要意義[4]。

本文建立了光伏電站等值電路模型，選取不同短路點(diǎn)進(jìn)行短路電流計(jì)算，以實(shí)際工程為例，將計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際工程。

1 光伏電站等值電路模型建立

光伏電站電氣系統(tǒng)主要由太陽能光伏組件、匯流箱(逆變器)、箱式變壓器、集電線路、中壓配電裝置、主變壓器、高壓配電裝置(GIS)、無功補(bǔ)償(SVG)裝置、站用電系統(tǒng)、通信裝置、繼電保護(hù)及監(jiān)控系統(tǒng)組成。一次系統(tǒng)主要由光伏組件串接線、匯流箱(逆變器)接線、光伏發(fā)電單元與箱式升壓變接線、集電線路“T”接線以及升壓站的電氣主接線等組成。在實(shí)際工程計(jì)算中，通過對(duì)整個(gè)光伏電站的組成電氣元件進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，將其轉(zhuǎn)化為將工程等值計(jì)算電路模型。

1.1 光伏組件工程簡(jiǎn)化模型

在光伏電站設(shè)計(jì)中，光伏組件供應(yīng)商提供的產(chǎn)品參數(shù)表一般為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下(大氣質(zhì)量AM1.5、 輻照度1000W/m2、溫度25℃)的電氣參數(shù)，如峰值功率電壓(Vm)、峰值功率電流(Im)、開路電壓(Voc)、短路電流(Isc)等。光伏組件的輸出特性與實(shí)際的光強(qiáng)、溫度有關(guān)。若光強(qiáng)不變，短路電流Isc隨著溫度的升高而增大，開路電壓Voc則隨著溫度的升高而減?。蝗魷囟炔蛔?，短路電流Isc與光強(qiáng)成線性關(guān)系，開路電壓Voc則與光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比。不同工況下的光伏組件輸出特性詳見文獻(xiàn)[1]，在此不再贅述。

根據(jù)《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》(Q-GDW617—2011)，當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，整個(gè)光伏電站系統(tǒng)向電網(wǎng)注入的短路電流不應(yīng)超過其額定電流的1.5倍。因此，在交流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，光伏系統(tǒng)仍處于工作狀態(tài)，且短時(shí)間內(nèi)電壓穩(wěn)定，將其等效為電流源[5-6]。

1.2 逆變器(匯流箱)工程簡(jiǎn)化模型

逆變器出口電壓大都為低壓，通常主流的集中式和組串式逆變器設(shè)備參數(shù)如下：3150kW集中式逆變器交流輸出600V，225(175)kW組串逆變器交流輸出800V，逆變器至箱變的低壓線路相當(dāng)于一個(gè)很大的限流電抗，在交流系統(tǒng)短路時(shí)起的作用很小[7]。同時(shí)，逆變器交直流側(cè)均設(shè)有低電壓、過流電保護(hù)，發(fā)生短路故障時(shí)會(huì)迅速動(dòng)作，不具備向故障點(diǎn)提供短路電流的能力。因此，該模型在計(jì)算時(shí)暫不考慮。

1.3 箱式升壓變等值電路模型

光伏電站設(shè)計(jì)中，箱變一般選擇雙分裂變壓器或雙繞組變壓器，每個(gè)發(fā)電單元3.15MW光伏陣列配置1臺(tái)3150kVA的變壓器。因此，通常在等效電路模型中將其等效為一個(gè)電抗模型[7-9]。

1.4 集電線路等值電路模型

由于光伏電站能量密度小、占地面積大、發(fā)電單元分散布置的特點(diǎn)，通常采用集電線路進(jìn)行逐級(jí)匯流。集電線路通常采用35(10)kV電壓等級(jí)，集電線路較長(zhǎng)，電阻電抗不容忽略。以浙江衢州150MW光伏電站為例，該電站為復(fù)雜山地光伏電站，總裝機(jī)容量為150MW，單個(gè)發(fā)電單元容量3.15MW，每6個(gè)發(fā)電單元“T”接在一回集電線路上，即每回集電線路容量約19MW，通過8回集電線路將光伏電能送至場(chǎng)區(qū)220kV升壓站。在場(chǎng)區(qū)地形復(fù)雜的情況下，每回集電線路十幾公里，集電線路電壓等級(jí)為35kV。

1.5 主變壓器等值電路模型

光伏電站電氣系統(tǒng)中，主變壓器和箱變的作用與運(yùn)行方式基本類似，因此，在等值電路模型中，可以將其等效為電抗模型[10]。

2 算例分析

2.1 計(jì)算條件

以浙江衢州150MW光伏電站為例，光伏電站總裝機(jī)容量為150MW。每個(gè)發(fā)電單元為3.15MW，每個(gè)發(fā)電單元設(shè)置1臺(tái)3150kVA的箱變，逆變器出口電壓為0.6kV，經(jīng)箱變升壓后至35kV，每6臺(tái)箱變“T”接為1回35kV集電線路，共計(jì)8回，然后接入場(chǎng)區(qū)220kV變電站35kV側(cè)。

光伏場(chǎng)區(qū)升壓站內(nèi)設(shè)置2臺(tái)75MWA的電力變壓器，升壓至220kV后接入電網(wǎng)，系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

箱變至升壓站的集電線路采用35kV電力電纜，考慮各箱變“T”接，根據(jù)“T”接順序不同的電纜載流量，選取6種電纜型號(hào)(見表2)。

2.2 短路點(diǎn)選取

各典型短路點(diǎn)選取(見圖1)：計(jì)算d1點(diǎn)短路電流，主要用于對(duì)升壓站220kV高壓側(cè)配電裝置的選擇與校驗(yàn)；計(jì)算d2點(diǎn)短路電流，主要用于對(duì)35kV母線側(cè)配電裝置的選擇與校驗(yàn)；計(jì)算35kV集電線路首端箱變(即距升壓站35kV母線最近箱變)高壓側(cè)出口d3點(diǎn)短路電流；計(jì)算35kV集電線路末端箱變(即距升壓站35kV母線最遠(yuǎn)箱變)高壓側(cè)d4點(diǎn)短路電流。

表2 集電線路電纜參數(shù)

圖1 光伏電站電氣系統(tǒng)

2.3 短路電流計(jì)算

2.3.1 基準(zhǔn)值

為了計(jì)算方便選取如下基準(zhǔn)值：

基準(zhǔn)短路容量Sj=100MVA，基準(zhǔn)電壓為U220=230kV、U35=37kV,則基準(zhǔn)短路電流：

2.3.2 各元件電抗標(biāo)幺值

設(shè)計(jì)過程中因未有系統(tǒng)短路容量詳細(xì)參數(shù)，所以系統(tǒng)阻抗按斷路器開斷短路電流進(jìn)行折算。以接入220kV變電站斷路器的短路開斷電流為50kA進(jìn)行計(jì)算。

系統(tǒng)阻抗Xs=Sj/Sx=0.0050

送出線路：送出線路導(dǎo)線采用鋼芯鋁絞線LGJ-240，線路長(zhǎng)度約為8km。

主變壓器：額定容量Sb1=Sb2=75MVA，短路阻抗Ud%=14，則主變壓器阻抗標(biāo)幺值為

XB1=XB2=Ud%·Sj/100Sb=0.1867

箱式升壓變：額定容量Sd=3150kVA，短路阻抗Ud%=7，則箱變阻抗標(biāo)幺值為

Xb=Ud%·Sj/100Sd=2.2222

集電線路：35kV集電線路首端箱變(即距升壓站35kV母線最近箱變)采用ZRC-YJV22-26/353×240，線路長(zhǎng)度為1km。

2.3.3 繪制系統(tǒng)等值網(wǎng)絡(luò)圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制系統(tǒng)等值電路網(wǎng)絡(luò)圖(見圖2)。

圖2 系統(tǒng)等值網(wǎng)絡(luò)

2.3.4 短路電流計(jì)算結(jié)果

短路點(diǎn)沖擊系數(shù)取值1.8，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 短路電流計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 語

本文建立了光伏電站等值電路模型，以浙江衢州150MW山地光伏電站為例，選取不同短路點(diǎn)進(jìn)行短路電流計(jì)算，得出以下結(jié)論：光伏電站升壓站220kV斷路器的開斷電流選擇40kA(大于35.421kA)即可滿足要求，實(shí)際工程中，大多選取50kA配置；光伏電站場(chǎng)區(qū)35kV斷路器的開斷電流選擇25kA(大于23.989kA)就可以滿足要求；對(duì)于光伏電站場(chǎng)區(qū)35kV系統(tǒng)，通常情況下短路電流最大點(diǎn)出現(xiàn)在35kV母線側(cè)，由于集電線路阻抗原因，線路的末端短路電流最小。將計(jì)算成果應(yīng)用于實(shí)際工程，有效地減少了整個(gè)光伏電站工程造價(jià)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。