福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司 林 旭

一直以來升壓變電站電氣設(shè)計(jì)問題多發(fā)，如電氣主接線選擇不正確、升壓變壓器選型不合理、無功功率計(jì)算不到位，以上諸多問題嚴(yán)重影響光伏發(fā)電系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性及項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，因此加強(qiáng)升壓變電站的電氣設(shè)計(jì)十分重要。

1 升壓變電站簡介

2020年9月22日習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論會(huì)上表示，我國要實(shí)現(xiàn)“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”的目標(biāo)，可見綠色發(fā)展與高效發(fā)展將成為我國能源體系建設(shè)的未來方向。由此不難看出光伏電站將對(duì)我國實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)作出重要貢獻(xiàn)，也是接下來新能源發(fā)展的重點(diǎn)。因此，作為在光伏發(fā)電系統(tǒng)中重要組成部分的升壓變電站，其建設(shè)的要求和標(biāo)準(zhǔn)也需要不斷提高和完善。

目前國內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)的35kV/110kV 升壓變電站，由于其總體造價(jià)相對(duì)較低且站址占地面積較小，因此多建設(shè)于小于50MW 的光伏電站中，作為電網(wǎng)或工商業(yè)園區(qū)的新能源電源點(diǎn)，供應(yīng)當(dāng)?shù)鼐用竦娜粘Ｉ罨蚬ど虡I(yè)生產(chǎn)用電需求。以往傳統(tǒng)的升壓變電站在建設(shè)中普遍存在一些問題，如設(shè)備體積大、重量大、電氣設(shè)備復(fù)雜化等。近年來，隨著設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)水平的日益提升以及我國土地資源緊缺等矛盾的日益凸顯，升壓變電站在電氣設(shè)計(jì)上需要更加科學(xué)化、合理化，更注重選擇輕量化、靈活性高、維護(hù)周期長及綜合性能優(yōu)異的設(shè)備。升壓變電站也逐步向著小型化、自動(dòng)化、集成化的方向不斷發(fā)展。

升壓變電站在光伏發(fā)電系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用，因此做好升壓變電站電氣設(shè)計(jì)尤為重要。在進(jìn)行升壓變電站電氣設(shè)計(jì)時(shí)，前提必須要嚴(yán)格依據(jù)國家及當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。在設(shè)計(jì)的過程中，主要考慮的原則有：項(xiàng)目合規(guī)性的滿足。須征求到各個(gè)相關(guān)政府部門的同意批復(fù)文件后才能進(jìn)行項(xiàng)目的開發(fā)；以滿足光伏陣區(qū)發(fā)電能力為主，最大限度將太陽能資源充分利用起來；嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)過程中遵循安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、投資合理、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、運(yùn)行高效的基本設(shè)計(jì)原則；保證整體建設(shè)具有統(tǒng)一性，設(shè)計(jì)模塊的合理性、靈活性、可操作性以及時(shí)效性。

2 升壓變電站的部分電氣設(shè)計(jì)

升壓變電站的電氣一次部分設(shè)計(jì)所包含的內(nèi)容眾多，本文從電氣主接線選擇、升壓變壓器選型及無功功率計(jì)算方面討論。其中在選擇電氣主接線方式時(shí)，要結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、可靠性、靈活性幾點(diǎn)綜合考慮，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，因地制宜的優(yōu)選簡單、高效的方式；在選擇升壓變壓器時(shí)，主要從變壓器的數(shù)量、容量、型式及冷卻方式等多方面來考慮，以此來選擇最佳的主變型式；在計(jì)算電站無功容量時(shí)，要從電站無功發(fā)生源多方面綜合考慮及計(jì)算，以保證無功補(bǔ)償設(shè)備選型合理、經(jīng)濟(jì)可靠。

2.1 主接線方式的選擇

確定電氣主接線方式是升壓變電站設(shè)計(jì)的第一步，也是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中最為關(guān)鍵的部分。合理選擇電氣主接線方式，有利于提升升壓變電站的應(yīng)用靈活性、安全穩(wěn)定性，還能降低運(yùn)營成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。如前期電氣主接線方式選擇不當(dāng)，后期項(xiàng)目在二期擴(kuò)建時(shí)，升壓變電站就需做相應(yīng)的優(yōu)化從而對(duì)其進(jìn)行改造。這將會(huì)導(dǎo)致升壓變電站的接線方式及總平面布置等相關(guān)部分發(fā)生較大變動(dòng)。其產(chǎn)生的工程量巨大且工序繁雜，將影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行及投資方的利益。因此，在選擇電氣主接線方式時(shí)切勿只考慮單一指標(biāo)，要顧及項(xiàng)目本期及遠(yuǎn)景的整體規(guī)劃，以及綜合評(píng)估工程整體的可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性，選擇與實(shí)際工程相適應(yīng)的最佳電氣主接線方式。

升壓變電站的電氣主接線方式主要有以下幾種方式，即單母線接線、單母線分段接線、外橋接線、內(nèi)橋接線、變壓器-線路單元接線等，其優(yōu)缺點(diǎn)如下。單母線接線：投資少、操作簡單、變電站易擴(kuò)建/可靠性和靈活性相對(duì)較差；單母線分段接線：可靠性較高，靈活性較好，經(jīng)濟(jì)較好/所需設(shè)備比單母線接線多，造價(jià)比單母線接線高；變壓器-線路單元接線：所需設(shè)備最少/可靠性和靈活性差；內(nèi)橋接線：所需斷路器數(shù)量比單母線分段接線少/主變的投切過程較為復(fù)雜；外橋接線：同內(nèi)橋優(yōu)點(diǎn)/線路的投切過程較為復(fù)雜。

由此可看出，在選擇電氣主接線方式時(shí)，要綜合可靠性、靈活性及經(jīng)濟(jì)性三方面，以此來進(jìn)行科學(xué)合理選擇。如，送出線路只有一回且只需一臺(tái)升壓變時(shí)，可采用變壓器-線路單元接線；若35kV送出線路少于三回或110kV 送出線路少于二回、但只需一臺(tái)升壓變時(shí)，可采用單母線接線；若35kV送出線路少于八回或110kV 送出線路少于四回、且需要一臺(tái)以上升壓變時(shí)，可采用單母線分段接線；35kV 升壓變壓器不需要經(jīng)常切除或35kV 線路經(jīng)常遭遇雷擊、經(jīng)常出現(xiàn)故障情況時(shí)，宜采用內(nèi)橋接線方式；而外橋接線適用于35kV 升壓變壓器需要經(jīng)常切除或35kV 線路不經(jīng)常遭遇雷擊的場合。

2.2 升壓變壓器的選擇

升壓變壓器是升壓變電站的“心臟”，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。變壓器的選擇關(guān)鍵點(diǎn)包含臺(tái)數(shù)、容量、相數(shù)、繞組數(shù)量、調(diào)壓方式以及冷卻方式等。

變壓器臺(tái)數(shù)確定。對(duì)于較大裝機(jī)容量的光伏發(fā)電站，其升壓變電站建議采用兩臺(tái)以上的變壓器，以保證其供電的高可靠性。而對(duì)于部分大中型工業(yè)園區(qū)并采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”合作模式的光伏發(fā)電站，其升壓變電站的變壓器臺(tái)數(shù)可結(jié)合廠區(qū)自身的生產(chǎn)情況以及項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，可采用一臺(tái)變壓器；容量選擇。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的升壓變壓器主要任務(wù)是將光伏組件發(fā)出的電能最大限度地升壓上網(wǎng)，故升壓變壓器的容量可按照其所連接的光伏發(fā)電單元額定容量進(jìn)行選取。

型式的確定。在相數(shù)選擇上，由于35kV/110 kV 變壓器的尺寸相對(duì)較小，大部分城市的鐵路或公路基本都能滿足其運(yùn)輸，故優(yōu)先選擇可靠性高的三相變壓器。在繞組數(shù)量選擇上，光伏陣區(qū)與升壓變電站連接的集電線路只可能存在一種電壓等級(jí)，且升壓變電站基本上不需要對(duì)兩種升高電壓電網(wǎng)系統(tǒng)連接，故只需選擇雙繞組變壓器。在調(diào)壓方式選擇上，一般情況下采用無勵(lì)磁調(diào)壓方式的變壓器足以，但若連接的電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)較大，就需采用有載調(diào)壓變壓器。

冷卻方式的選擇。35kV/110kV 變壓器在選擇冷卻方式時(shí)，基本上采用兩種冷卻方式。當(dāng)變壓器容量較小時(shí)，優(yōu)先采用油浸自冷卻方式(ONAN)。當(dāng)變壓器容量較大時(shí)，根據(jù)變壓器常時(shí)負(fù)載率的情況，可采用油浸風(fēng)冷卻方式(ONAF)。

2.3 無功功率計(jì)算

升壓變電站站內(nèi)的無功發(fā)生源主要有升壓變壓器、電力電纜以及架空導(dǎo)線。

2.3.1 升壓變壓器無功損耗

升壓變壓器的無功損耗包含兩個(gè)部分，分別為升壓變繞組無功損耗QT(kVar)和升壓變空載損耗Q0(kVar)。升壓變繞組無功損耗QT=UK(%)Im2/(100IN2)SN，式中Im/N=Sm/N帶入繞組無功損耗公式后，公式轉(zhuǎn)變?yōu)镼T=UK(%)Sm2/(100SN)。其中UK(%)為變壓器阻抗電壓百分?jǐn)?shù)，SN為變壓器額定容量(kVA)。光伏發(fā)電系統(tǒng)中Sm=ηP/cosφ，其中η 為交直流最大轉(zhuǎn)換效率，P 為光伏發(fā)電單元的光伏組件裝機(jī)容量(kWp)，cosφ 為功率因數(shù)。變換后升壓變繞組無功損耗為QT=UK(%)(ηP/cosφ)2/(100SN)；升壓變空載損耗Q0=I0(%)/100SN，其中I0(%)為變壓器空載電流百分?jǐn)?shù)。

由以上可得，單個(gè)光伏發(fā)電單元的升壓變壓器無功損耗QB=QT+Q0=UK(%)(ηP/cosφ)2/(100SN)+I0(%)/100SN。

2.3.2 電力電纜無功損耗

電力電纜在光伏發(fā)電系統(tǒng)中有電感和電容的兩種物理性質(zhì)，其在系統(tǒng)中不僅會(huì)產(chǎn)生感性無功功率，也會(huì)產(chǎn)生容性無功功率。故電力電纜在計(jì)算無功損耗時(shí)，要考慮其充電功率QC(kVar)和無功損耗QL(kVar)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)中，Sm=ηP/cosφ。其中：η為交直流最大轉(zhuǎn)換效率，P 為光伏發(fā)電單元的組件裝機(jī)容量(kWp)，cosφ 為功率因數(shù)。變換后電力電纜無功損耗為QL=2πfL/1000000(ηP/(U線cosφ))2。

以上可得，每公里電力電纜無功損耗Qcable=QLQC=2πfL/1000000(ηP/(U線cosφ))2-2πfCU2線/1000。

2.3.3 架空導(dǎo)線無功損耗

架空導(dǎo)線物理性質(zhì)與電力電纜在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的性質(zhì)相同。架空導(dǎo)線在系統(tǒng)中不僅會(huì)產(chǎn)生感性無功功率，也會(huì)產(chǎn)生容性無功功率。故架空導(dǎo)線在計(jì)算無功損耗時(shí)，也要考慮其充電功率QC(kVar)和無功損耗QL(kVar)。由于架空導(dǎo)線充電功率和無功損耗計(jì)算公式與電力電纜計(jì)算公式相同。因此，每公里架空導(dǎo)線無功損耗Q架空導(dǎo)線=QLQC=2πfL/1000000(ηP/(U線cosφ))2-2πfCU2線/1000。

綜上，在“碳達(dá)峰，碳中和”政策推動(dòng)下，未來我國光伏發(fā)電站建設(shè)數(shù)量將呈爆發(fā)式增長。在升壓變電站整體電氣設(shè)計(jì)過程中，首先要嚴(yán)格遵守國家及地方電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。做到有章可循有據(jù)可依，堅(jiān)決不觸碰設(shè)計(jì)“紅線”；其次要以能滿足區(qū)域光伏陣區(qū)發(fā)電能力為首要準(zhǔn)則，滿足要求后再考慮工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)合理性，盡可能降低資金投入、節(jié)省資源，以提高項(xiàng)目的收益率，給項(xiàng)目投資方一個(gè)滿意的答卷。在確定電氣主接線方式時(shí)，要本著靈活、可靠、經(jīng)濟(jì)的原則；在升壓變壓器選型時(shí)，要嚴(yán)格參照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，根據(jù)工程的特點(diǎn)有針對(duì)性的選擇變壓器類型；在無功功率計(jì)算方面，要著眼于整個(gè)光伏電站的無功發(fā)生源，保證計(jì)算的準(zhǔn)確度。