王大飞:大型并网光伏电站优化设计 |
| 2012-10-31 08:41 作者：王大飞 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网10月31日讯】据《硅谷》杂志2012年第16期刊文称，以减少建设成本、提高发电量和提高系统稳定性为目标，以新疆哈密50MW地面式并网光伏电站为例，介绍大型并网光伏电站的优化设计方案。
0引言
随着人类一次能源短缺和环境污染逐步加重，为了实现能源和环境的可持续发展，全球都将光伏发电作为发展重点。截止到2011年底，我国光伏发电系统累计装机容量约3.4GW，按我国“十二五”光伏发展规划，2012年至2015年每年还会增加装机容量5GW，其中多数是大中型并网光伏电站。
本文将以新疆哈密50MW地面式并网光伏电站为例，对其进行优化设计。
1光伏电站总体规划
1.1发电量预估
新疆哈密位于北纬约42.8度，年均日照3285小时，年均太阳总辐射量6437MJ/m2，极端最高气温43.2OC，极端最低气温-28.6OC，昼间最高气温43.2OC，昼间最低气温-27.7OC，年最大降水量71.7mm，最大积雪深度180mm，最大风速20.7m/s。
考虑积雪、强风、沙尘暴等，同时为了降低建设成本及方便后期运行维护，采用最佳倾角朝南固定支架铺设，由年均太阳总辐射量为6437MJ/m2，考虑25年光伏组件发电效率的衰减，可预估该光伏电站25年总发电量约为187045万度，年平均发电量约为7482万度。
1.2总体规划
假设电站建设地点附近有110kV电网可供接入，则可采用目前通用的“金字塔”模式，如图1所示，即分块发电、集中逆变、就地升压、集中并网。把50MW并网光伏电站分为50个1MW光伏发电单元，每5个光伏发电单元通过1台10kV电缆分接箱接入高压开关室的1面10kV进线柜，共计10面10kV进线柜，然后将10kV升压为110kV，并入电网。
1MW光伏发电单元主要设备包括光伏组件、光伏防雷汇流箱、直流配电柜、并网逆变器及10kV升压变压器等。光伏组件采用一定的串并联方式组成光伏阵列，通过汇流箱进行直流一次汇流，再通过直流柜进行直流二次汇流，接入并网逆变器直流侧，通过逆变器实现DC/AC转换，输出300V正弦波交流电，接至升压变压器低压侧，高压侧输出10kV交流电。
2光伏电站中高压部分设计
50MW并网光伏电站中高压主接线图如图2所示，主要设备包括110kVGIS组合电器（gasinsulatedsubstation，即气体绝缘金属封闭开关设备，包括断路器、隔离刀闸、接地刀闸、避雷器、电压互感器、电流互感器、套管和母线等元件，并全部封闭在接地的金属外壳内，内部充以一定压力的SF6气体作为绝缘和灭弧介质）、110kV油浸式升压变压器及辅助设备、10kV出线柜1面、10kVPT柜1面、10kV站用变柜1面、10kV进线柜11面（其中1面接至无功补偿装置）、无功补偿装置1套及10kV电缆分接箱10台等。
1MW光伏发电单元额定输出电压10.5kV，额定输出电流约55A，采用ZR-YJV228.7/103×35高压电缆接至10kV电缆分接箱（5进1出型，额定电流630A），5路汇入1台电缆分接箱，额定输出电流约为275A，采用ZR-YJV228.7/103×150高压电缆接至10kV进线柜（额定电流630A），10路进线通过10kV母线汇总，额定输出电流约为2750A，采用120×10mm双铜排，通过10kV出线柜（额定电流4000A）接至油浸式升压变压器（额定容量50MVA，额定电压110/10.5kV）低压侧，通过变压器升压为110kV，额定输出电流约为262.5A，采用150mm2铜管，通过GIS组合电器并入110kV电网。
3光伏发电单元设计
1MW光伏发电单元主接线图如图3所示，主要设备包括光伏阵列、光伏防雷汇流箱、直流配电柜、500kW并网逆变器、10kV升压变压器等，其中光伏组件和并网逆变器是关键设备，假设光伏组件、并网逆变器已经选定。具体参数如下：
光伏组件采用常州亿晶EG-P60-C240W多晶硅组件，主要参数为：峰值功率240Wp，峰值电压29.71V，峰值电流8.08A，开路电压37.25V，短路电流8.62A，最大系统电压1000V，最大反向电流20A，峰值功率温度系统-（0.43±0.05）%/OC，短路电流温度系统（0.04±0.015）%/OC，开路电压温度系统-（0.325±0.1）%/OC，测试条件为福照度1000W/m2、组件温度25OC、大气质量AM1.5，组件尺寸1650×990×50mm，接线盒采用1.1米引出线。
并网逆变器采用国内某厂家500kW并网型逆变器，主要参数为：最大直流输入功率550kW，最大方阵开路电压880V，最大方阵输入电流1200A，直流工作电压范围450-880V，MPPT范围480-820V，额定输出功率500kW，最大输出功率550kW，工作电压范围270-330V，额定输出电流1013A，最大逆变器效率＞98.7%，总谐波电流THD（Iac）＜3%，功率因数（PF）-0.95（超前）~0.95（滞后）。
3.1光伏阵列
3.1.1光伏组串
光伏阵列是由光伏组件采用一定的串并联方式构成。若干块组件串联构成组串，具体的串联块数主要由当地的昼间最低气温和并网逆变器的最大方阵开路电压决定。由于新疆哈密昼间最低气温-27.7OC时，光伏组件开路电压U=37.25×[1+（25+27.7）×0.325%]=43.63V，N=880÷43.63=20.17块，按每串20块组件，则组串输出最大功率为240×20=4.8kW，汇流箱输出最大功率为4.8×16=76.8kW，每台逆变器连接的汇流箱数n=500÷76.8=6.51台。
由于新疆哈密海拔高、空气稀薄、昼夜温差大，最佳倾斜面上的条件可能优于光伏组件的标准测试条件，即瞬时辐照度大于1000W/m2，组件温度低于25OC，大气质量优于AM1.5，因此，单台逆变器所接光伏组件总容量不适宜太大，否则会出现逆变器过载停运的情况。故可采用6台16进1出型和1台8进1出型汇流箱接入1台逆变器，如此，允许最佳倾斜面上瞬时辐照度达到550÷（500×0.85）≈1300W/m2。
3.1.2光伏阵列间距
由于新疆哈密位于北纬约42.8度，最佳倾角可取54.8度。
考虑后期维护方便，光伏阵列单元采用20×2布局，组件长边南北铺设，阵列内组件间距20mm，则阵列本身东西长度990×20+20×19=20.18m，阵列本身南北长度（1650×2+20）×cos54.8O=1.914m，经计算，阵列东西间距5.737m，阵列南北间距9.805m，阵列单元东西长度20.18+5.737≈25.92m，阵列单元南北长度1.914+9.805≈11.72m，即单位面积安装容量为240×20×2÷（25.92×11.72）=31.6W/m2。
3.1.3光伏阵列
采用240W组件，20块组成1串，组件间连线采用交叉跳线、组串正负极在同一端出线，节省电缆，组串出线采用ZR-YJV-11×4电缆接至汇流箱。考虑组件串联电压损失、汇流箱和直流柜进出线电压损失和组件温度始终高于环境温度等，光伏阵列开路电压一定小于880V。另外，要求光伏组件按电流分档组成组串，即同一组串内所有组件峰值电流相同，可提供光伏阵列总体输出功率1%~2%。
3.2汇流箱
汇流箱主要用来实现直流一次汇流，同时可实现防雷、防反接功能，主要包括输入输出端子、组串熔断器、防反二极管、输出断路器及浪涌保护器等。该系统采用16进1出型和8进1出型两种型号。
组串输入的短路电流为8.62A，则组串熔断器选用1000V/10A型；最大反向电流为20A，则防反二极管选用1000V/20A型；16串组串输出短路电流为137.92A，则断路器选用900V/200A型；8串组串输出短路电流为68.96A，则断路器选用900V/100A型。
如此，汇流箱输出的峰值电压为594.2V，16串峰值电流为129.28A，峰值功率为76.8kW；8串峰值电流为64.64A，峰值功率为38.4kW，汇流箱出线采用ZR-YJV-12×35电缆接至直流柜。
3.3直流柜
直流柜主要用来实现直流二次汇流，主要包括输入输出端子、输入断路器、电压电流仪表等，输入断路器可全部选用900V/200A型，以免接错进线电缆。该系统采用7进2出型直流柜。
7路输入中，6路为16进1出型汇流箱出线，1路为8进1出行汇流箱出线。其中4路（包括8进1出型汇流箱出线）接至第1路输出，则峰值电流为452.48A，短路电流为482.72A；剩余3路接至第2路输出，则峰值电流为387.84A，短路电流为413.76A，直流柜出线采用ZR-YJV-11×240电缆接至逆变器直流侧。
3.4并网逆变器
并网逆变器是光伏发电系统的核心设备之一，主要实现DC/AC转换，同时具有过压/欠压保护、过频/欠频保护、防反放电保护、过流保护、过载保护、过温保护、防孤岛保护、低电压穿越等保护功能，主要包括直流输入端子、直流断路器、直流防雷模块、直流滤波器、三相全桥IGBT功率模块、LCL滤波器、EMI滤波器、交流接触器、交流断路器、交流防雷模块、交流输出端子及控制、驱动、通讯模块等。
如此，逆变器两路直流输入中最大方阵输入电流为482.72A，可选用900VDC/640A直流断路器；最大输出电流为1058.5A，可选用450VAC/1200A交流断路器，采用2根ZR-YJV-11×240电缆并联接至10kV升压变压器低压侧。
3.510kV升压变压器
10kV升压变压器用来实现交流一次升压，可采用国内某厂家10kV双分裂干式升压变压器，主要参数为：额定容量1000kVA，额定电压10.5×（1±2×2.5%）/0.3/0.3kV，额定电流54.986/2×962.250A，连接组标号Dyn11-Dyn11，短路阻抗（120OC）4.78%，空载损耗1756W，空载电流0.27%，负载损耗（120OC）9880.83W。
如此，高压侧输出电流约为55A，可采用ZR-YJV228.7/103×35电缆接至10kV电缆分接箱。
4结束语
本文由于篇幅有限，光伏发电单元逆变升压室、110kV配电室和监控室布局位置及电气二次部分等未曾涉及，有待具体项目具体设计。
作者简介：
王大飞（1983-），男，安徽亳州人，硕士研究生，太阳能系统工程师，工作单位：常州亿晶光电科技有限公司，系统部。
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