大型地面光伏電站中光伏方陣容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳 清，趙植城，吳麗華，王春林，郭培育，汪四友

(國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210032)

0 引言

我國(guó)西北、華北等地區(qū)的太陽能資源豐富、地勢(shì)平坦、地廣人稀，且土地租金便宜，非常適合建設(shè)大型地面光伏電站，但在此地建設(shè)大型地面光伏電站的唯一制約因素就是此類光伏電站遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，其所發(fā)電能無法就地消納，需要遠(yuǎn)距離輸送，導(dǎo)致光伏電站的投資與損耗均較大。但隨著國(guó)內(nèi)特高壓技術(shù)的飛速發(fā)展，跨省、跨區(qū)域特高壓通道在陸續(xù)規(guī)劃中，此制約因素造成的影響也在慢慢降低。

大型地面光伏電站主要包括2 個(gè)部分：光伏場(chǎng)區(qū)與升壓站(開關(guān)站)。光伏場(chǎng)區(qū)主要以光伏發(fā)電系統(tǒng)為主，電氣設(shè)備主要為光伏組件、匯流箱、逆變器、箱式變壓器、集電線路等。其中，針對(duì)地勢(shì)平坦的大型地面光伏電站，逆變器宜選用集中式逆變器。光伏發(fā)電單元示意圖如圖1 所示。

圖1 光伏發(fā)電單元示意圖Fig.1 Schematic diagram of PV power unit

自2010 年至今，隨著國(guó)家政策的支持，國(guó)內(nèi)光伏行業(yè)的發(fā)展迅速。在行業(yè)發(fā)展初期，采用的集中式逆變器的機(jī)型主要是1000V 500kW/630kW機(jī)型，光伏方陣容量一般選用1MW/1.25MW，這2 種逆變器機(jī)型及光伏電站技術(shù)方案沿用了很多年。隨著光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的提高，以及逆變器單機(jī)功率的增大，光伏電站中光伏方陣容量從1 MW、1.6 MW、2.5 MW 逐漸增大到3.125 MW；而從2016 年開始，國(guó)內(nèi)一些逆變器廠家在國(guó)外推出了1500 V 集中式逆變器并大量裝機(jī)投運(yùn)。隨著國(guó)內(nèi)光伏補(bǔ)貼下降及政府推出光伏競(jìng)(平)價(jià)政策，自2018 年起，一些逆變器廠家開始在國(guó)內(nèi)推廣1500V 2.5MW/3.125MW 機(jī)型的集中式逆變器，且此逆變器機(jī)型及光伏電站技術(shù)方案已逐漸被用戶認(rèn)可。

國(guó)外如越南、印度、非洲等地區(qū)的地面光伏電站選用3.125 MW 規(guī)格的集中式逆變器時(shí)，光伏方陣容量通常采用6.25 MW。為了驗(yàn)證此光伏電站技術(shù)方案在國(guó)內(nèi)是否適用，本文以新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市的氣候條件為例，對(duì)在該地區(qū)建設(shè)的大型地面光伏電站選用3.125 MW 規(guī)格的集中式逆變器時(shí)的光伏方陣容量展開了研究，分析光伏方陣容量選擇3.125 MW 和選擇6.25 MW時(shí)該光伏電站的經(jīng)濟(jì)性及可行性。

1 光伏方陣的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及優(yōu)化

1.1 電氣設(shè)備選型

1.1.1 光伏組件選型

根據(jù)材料及制造工藝進(jìn)行分類，太陽電池可分為單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池、非晶硅太陽電池。目前市場(chǎng)上生產(chǎn)和使用的太陽電池多數(shù)采用晶體硅材料制作而成，而相比于多晶硅太陽電池，單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率較高，其市場(chǎng)占有率也在逐年上升。因此，本文案例選用Z 廠家生產(chǎn)的72 片型單晶硅光伏組件，最大功率為440 Wp，最大系統(tǒng)直流電壓為1500 V。

1.1.2 箱式變壓器及逆變器選型

按照原理及功率來分類，目前市場(chǎng)上的主流逆變器可分為集中式逆變器、集散式逆變器、組串式逆變器。由于吐魯番地區(qū)的地勢(shì)平坦開闊，因此，本文案例選用S 廠家的集中式逆變器，其最大直流輸入電壓為1500 V，MPPT 電壓范圍為875～1300 V，額定交流輸出功率為3.125 MW。采用此規(guī)格的集中式逆變器，光伏方陣容量可以選用3.125 MW 或6.25 MW。當(dāng)光伏方陣容量選用6.25 MW 時(shí)，為2 臺(tái)3.125 MW 集中式逆變器接入到1 臺(tái)6.25 MVA 升壓變壓器。

當(dāng)前選用集中式或集散式逆變器的光伏電站，均將逆變器和箱式變壓器集成為預(yù)裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置，這是因?yàn)轭A(yù)裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置的集成度高，可有效節(jié)省投資。通常預(yù)裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置集成了逆變器、電力變壓器、高低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備等。

1.1.3 光伏方陣容量的選擇

本案例選取新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番地區(qū)某大型地面光伏電站中的2 個(gè)光伏方陣進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。其中，1#光伏方陣的容量為3.125 MW，2#光伏方陣的容量為6.25 MW。

1.2 光伏組件安裝傾角及光伏方陣間距的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.2.1 光伏組件安裝傾角的確定

根據(jù)光伏電站所在地的水平面太陽輻射量數(shù)據(jù)，利用PVsyst 軟件可以分析并計(jì)算出在采用固定支架安裝時(shí)，該光伏電站場(chǎng)址區(qū)域內(nèi)在最佳安裝傾角下光伏組件傾斜面接收的年太陽輻射量，即光伏組件傾斜面可接收的年太陽輻射量最大值。

采用固定支架、安裝傾角分別為0°和36°時(shí)，全年內(nèi)光伏方陣傾斜面接收的月均太陽輻射量如表1 所示。

表1 采用固定支架、安裝傾角分別為0°和36°時(shí)，全年內(nèi)光伏方陣傾斜面接收的月均太陽輻射量情況Table 1 When fixed bracket is used and installation angle is 0°and 36°respectively，monthly average solar radiation of inclined plane of PV array in a year

由表1 可以看出，經(jīng)PVsyst 軟件計(jì)算，采用最佳安裝傾角36°安裝時(shí)光伏方陣傾斜面接收的年總太陽輻射量較安裝傾角為0°時(shí)的有較大提高，且在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，傾角安裝有利于光伏組件表面排水及自清潔，因此本文光伏方陣選用最佳傾角安裝方式，采用固定支架安裝。

1.2.2 光伏方陣間距的計(jì)算

根據(jù)光伏發(fā)電的原理，光伏組件要盡可能避免被遮擋，因此光伏電站外圍不宜有高大樹木或建(構(gòu))筑物，光伏電站內(nèi)部則要保證光伏組件相互間不遮擋。根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，光伏組件相互間不遮擋的要求具體為：光伏方陣內(nèi)各排、列及光伏方陣之間的布置間距應(yīng)保證每天09:00～15:00(當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí))時(shí)段內(nèi)光伏組件前、后、左、右都互不遮擋。本文研究的間距包括光伏方陣內(nèi)前、后排光伏支架的間距及相鄰光伏方陣的間距，二者南北向的間距取值原則一致，因此本文將二者統(tǒng)稱為“光伏方陣南北向間距”，其示意圖如圖2 所示。

圖2 光伏方陣南北向間距示意圖Fig.2 North-South distance of PV arrays

圖中，D為光伏方陣南北向間距，D=D1+D2；H為光伏方陣垂直高度；Z為光伏方陣向南傾角；α為太陽高度角；β為太陽方位角；r為光伏方陣方位角；L為光伏方陣縱向長(zhǎng)度；L′為太陽射線在地面上的投影距離。

經(jīng)計(jì)算，D≈12.8 m，考慮到新疆維吾爾自治區(qū)的日照時(shí)間較長(zhǎng)，因此D的取值選擇13.0 m。

1.3 最優(yōu)容配比的選擇

根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式，可計(jì)算得到本光伏電站的光伏組件串聯(lián)數(shù)為26 塊。

光伏發(fā)電系統(tǒng)容配比(下文簡(jiǎn)稱“容配比”)是指安裝的光伏組件標(biāo)稱功率之和與安裝的逆變器額定有功功率之和的比值，當(dāng)該比值大于1:1 時(shí)，被稱為“超配”。容配比的選擇應(yīng)結(jié)合光伏電站所處區(qū)域的太陽能資源情況、場(chǎng)地情況及工程造價(jià)水平等，經(jīng)技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性綜合比較后確定。Ⅰ類太陽能資源地區(qū)的推薦容配比不超過1.2:1，Ⅱ類太陽能資源地區(qū)的推薦容配比不超過1.4:1，Ⅲ類太陽能資源地區(qū)的推薦容配比不超過1.8:1[1]。

由于吐魯番地區(qū)屬于Ⅱ類太陽能資源地區(qū)，所以本光伏電站的容配比選擇1.22:1。在此容配比下，1#光伏方陣中交流側(cè)逆變器容量為3.125 MW，則直流側(cè)光伏組件裝機(jī)容量為3.8 MW；2#光伏方陣中交流側(cè)逆變器容量為6.25 MW，則直流側(cè)光伏組件裝機(jī)容量為7.6 MW。

1.4 光伏方陣的電氣設(shè)備布置原則及電纜選型

光伏方陣的主要電氣設(shè)備包括光伏組件、逆變器、匯流箱、箱式變壓器及電纜，電氣設(shè)備的布置是否合理對(duì)電纜長(zhǎng)度及壓降的影響很大。對(duì)于采用集中式逆變器的大型地面光伏電站而言，箱式變壓器及逆變器宜布置在光伏方陣中央，這樣可以減小交、直流系統(tǒng)的電纜長(zhǎng)度，從而節(jié)省投資。因此，本光伏電站將逆變器和箱式變壓器集成后的預(yù)裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置布置在光伏方陣的中央。

1#光伏方陣的平面布置圖如圖3 所示，2#光伏方陣的布置原則和1#光伏方陣一致。

本光伏電站的光伏組件至匯流箱的電纜選用型號(hào)為H1Z2Z2-K 1×4/6mm2的光伏專用電纜；直流匯流箱選用1.5 kV 24 路，額定輸出電流為257 A；交流電纜考慮直埋修正系數(shù)，選用型號(hào)為ZC-YJLV22 1.8/3kV 2×300mm2的電纜。

圖3 1#光伏方陣的平面布置圖Fig.3 Layout plan of 1# PV array

光伏方陣容量越大，直流電纜與低壓交流電纜的用量越大，所以電纜用量是在選擇光伏方陣容量時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素。由于本光伏電站位于吐魯番地區(qū)，緯度較高，光伏方陣南北向間距較大，所以光伏方陣容量對(duì)電纜用量的影響較大。

根據(jù)NB/T 10128-2019《光伏發(fā)電工程電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，對(duì)于集中式和集散式逆變器而言，連接光伏組件、直流匯流箱和逆變器直流側(cè)的直流電纜壓降在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下不宜超過2.0%[2]。

根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)電氣一次部分》[3]中的公式進(jìn)行直流電纜壓降校驗(yàn)，即：

式中，ΔU%為直流電纜壓降；U為直流電纜的工作電壓，V；Ig為直流電纜的計(jì)算工作電流，A；Lz為直流電纜的線路長(zhǎng)度，m；R為直流電纜的電阻，Ω/km。

光伏組件到匯流箱和匯流箱到逆變器直流側(cè)的直流電纜壓降滿足NB/T 10128-2019 中的相關(guān)要求。因此，H1Z2Z2-K 1×4mm2型號(hào)電纜的長(zhǎng)度不超過98 m，H1Z2Z2-K 1×6 mm2型號(hào)電纜的長(zhǎng)度不超過147 m；ZC-YJLV22 1.8/3kV 2×300mm2型號(hào)電纜的長(zhǎng)度不超過208 m。不同直流電纜壓降下各型號(hào)電纜長(zhǎng)度的計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 不同直流電纜壓降下各型號(hào)電纜長(zhǎng)度的計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of cable length under different DC cable voltage drop

2 不同光伏方陣容量的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

1#光伏方陣及2#光伏方陣的電氣設(shè)備選型及設(shè)計(jì)原則一致，由于光伏組件、光伏支架、樁基礎(chǔ)價(jià)格不影響光伏方陣的單瓦造價(jià)對(duì)比，所以本文對(duì)這部分內(nèi)容不做統(tǒng)計(jì)，僅對(duì)因光伏方陣容量不同而引起的電氣設(shè)備型號(hào)不同，以及影響光伏方陣單瓦造價(jià)的工程量變化進(jìn)行對(duì)比分析。

2 個(gè)光伏方陣的電氣設(shè)備、電纜、土建等的工程量統(tǒng)計(jì)分別如表3、表4 所示。

根據(jù)表3、表4 中2 個(gè)光伏方陣電氣設(shè)備、電纜、土建等工程量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以計(jì)算出2個(gè)光伏方陣的單瓦造價(jià)。1#光伏方陣的單瓦造價(jià)為0.2706 元/W，2#光伏方陣的單瓦造價(jià)為0.2701 元/W。從結(jié)果可以看出，2 個(gè)光伏方陣的單瓦造價(jià)基本持平，因此，選用3.125 MW 規(guī)格的集中式逆變器時(shí)，光伏方陣容量選擇6.25 MW 的優(yōu)勢(shì)不明顯。分析原因，主要是該大型地面光伏電站位于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番地區(qū)，當(dāng)?shù)鼐暥雀?，光伏方陣南北向間距達(dá)13 m，光伏方陣容量對(duì)電纜用量的影響較大，從而導(dǎo)致光伏方陣的單瓦造價(jià)無優(yōu)勢(shì)。

光伏方陣南北向間距越小，光伏方陣容量對(duì)電纜長(zhǎng)度的影響越小。例如在河南省鄭州地區(qū)，地面光伏電站的光伏方陣南北向間距約為9.2 m，在海南省?？诘貐^(qū)，地面光伏電站的光伏方陣南北向間距約為6 m，二者均比新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番地區(qū)地面光伏電站的光伏方陣南北向間距小很多。因此，若地面光伏電站位于緯度較低的地區(qū)(如我國(guó)中部及南部地區(qū))，光伏方陣容量選用6.25 MW 時(shí)可以有效降低光伏方陣的單瓦造價(jià)，節(jié)省總投資；而在緯度較高的地區(qū)(如我國(guó)北部地區(qū))，由于光伏方陣南北向間距較大，光伏方陣

容量選用6.25 MW 的優(yōu)勢(shì)不明顯，建議光伏方陣容量還是選用3.125 MW，靈活性更大。

表3 1#光伏方陣的電氣設(shè)備、電纜、土建等的工程量Table 3 Quantities of electrical equipments，cables and civil works of 1# PV array

表4 2#光伏方陣的電氣設(shè)備、電纜、土建等的工程量Table 4 Quantities of electrical equipments，cables and civil works of 2# PV array

3 結(jié)論

本文以新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番地區(qū)的氣候條件為例，對(duì)在該地建設(shè)的大型地面光伏電站的光伏方陣容量分別采用3.125 MW 及6.25 MW 時(shí)的經(jīng)濟(jì)性及可行性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，光伏方陣容量為6.25 MW 時(shí)光伏方陣的單瓦造價(jià)與光伏方陣容量為3.125 MW 時(shí)光伏方陣的單瓦造價(jià)基本持平，因此在該地區(qū)光伏方陣容量選擇6.25 MW 的優(yōu)勢(shì)不明顯。分析原因，主要是該大型地面光伏電站位于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番地區(qū)，當(dāng)?shù)鼐暥雀?，光伏方陣南北向間距大，光伏方陣容量對(duì)電纜用量的影響較大，從而導(dǎo)致光伏方陣的每瓦造價(jià)無優(yōu)勢(shì)。

因此，若地面光伏電站位于緯度較低的地區(qū)(如我國(guó)中部及南部地區(qū))，光伏方陣容量選用6.25 MW 時(shí)可以有效降低光伏方陣的每瓦造價(jià)，節(jié)省總投資；而在緯度較高的地區(qū)(如我國(guó)北部地區(qū))，由于光伏方陣南北向間距較大，6.25 MW 光伏方陣容量的優(yōu)勢(shì)不明顯，建議選用3.125 MW 光伏方陣容量，靈活性更大。