大型光伏发电站电气设计.pdf

超越照明 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明112大型光伏发电站电气设计王德胜东方电气（酒泉）综合智慧能源科技有限公司成都分公司，四川 成都 611731摘要：光伏发电能够持续产生清洁能源，是可再生的非化石能源，能够形成新型电力系统，十分有发展前景。光伏发电站电气系统作为光伏发电站最重要的设计内容，与其相关的研究和讨论越来越多。文章以张家口市张北县某光伏发电项目为例，分析大型光伏发电站电气设计，以选取最佳的设计方案，为光伏发电工程提供参考，达到项目投资最佳效益。关键词：光伏发电；电气系统；太阳能；光伏组件；逆变器分类号：TM6150 引言“碳达峰、碳中和”战略目标提出，要在“十四五”规划期间实现新能源高质量发展。各地都开始大力推进光伏发电站建设，光伏发电技术得以迅猛发展。文章对光伏发电站电气设计实例进行全面分析，为提高光伏发电站电气设计的经济性、合理性、技术性和可靠性提供依据1。1 光伏发电项目概况光伏发电站位于张家口市张北县大河镇，总占地面积约 1 886 000 m2（2 829 亩），场区海拔约 1 578 m。项目场址交通条件较好，太阳总辐射量较高，适合发展光伏发电项目，规划装机容量为 100 MW。结合项目周边光伏发电站实际发电量，选用 SloarGIS数据库测算，张北县太阳年总辐射量达 5 864.1 MJ/m2，即 1 628.9 kWh/m2，为河北省太阳光照资源最丰富的地区之一，太阳能资源稳定度是 0.314。按照太阳能资源评估方法（GB/T 375262019）中相关规定，丰富程度属于 B 级 很丰富地区，稳定程度属于 B级 一般等级。因此项目能保障发电量保持在较高水平，整体运行平稳，利用条件良好，非常适合建设大型光伏发电站2。光伏发电站项目为 100 MWp 光伏发电平价上网试点项目，包括 28 个 3.125 MW 光伏方阵，集中并网。项目共选用 600 Wp 单晶硅光伏组件 166 770 块，共100.062 MWp，选用箱逆变一体机 28 台，安装直流汇流箱 252 台。支架全部选用钢支架，为固定支架，支架倾角为 40；采用 260、230 阵列，组件尺寸为 2 172 mm1 303 mm35 mm（长 宽 厚），组件最低点距离地面 2.5 m。光伏阵列的基础形式为预应力管桩基础，光伏阵列支架立柱与管桩通过抱箍连接，连接可靠，不沉降3。2 光伏发电站发电量计算光伏组件安装容量和年均利用小时数决定了年发电量，发电量还和光伏组件转换效率、变压器损耗、线路损耗、组件清洁度、环境温湿度等因素相关。根据综合分析，预估光伏发电系统总效率 为 87.15%，可预测项目光伏发电站年均发电量，计算公式为L=WT（1）式中：L 为光伏发电站年发电量；W 为光伏发电站装机容量；T 为年峰值日照小时数。经过计算，项目年均利用小时约为 1 600 h，年均上网发电量约为 160 000 000 kWh，25 年总发电量约为 4 000 000 000 kWh，每年节约标准煤 49 500 t4。3 光伏发电站场区布置3.1 光伏区布置在每个固定式支架单元上采用横向 2 排、纵向60 列方式排布光伏组件，或采用横向 2 排、纵向 30 列方式排布光伏组件，每个光伏组串含有 30 块光伏组件。结合项目的总体规划，考虑排水、道路交通、检修、工艺特点和安全等因素，场区围栏以光伏发电面积最大化为原则围绕光伏阵列安装。由于项目安装容量较作者简介：王德胜，男，本科，工程师，研究方向为光伏发电站工程建设管理。文章编号：2096-9317（2023）03-0112-03光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 超越照明113大，需考虑到施工时存在交叉施工现象。场区检修道路主干路为 4 m 的宽泥结碎石道路，进站道路采用 6 m宽的混凝土道路。大部分区域坡度较缓，尽量沿用原来地势，仅局部针对升压站、室外箱逆变一体机区地面进行适当整平，减少土方开挖回填。力求节省成本，减少施工相互干扰，保障输电线路实施，尽量保护自然环境，适当增加绿化。3.2 升压站布置项目建设 1 座 220 kV 升压站，占地 11 333.33 m2（17 亩），包括主变压器、户外 GIS、接地电阻柜、继电保护预制舱、SVG 动态无功补偿装置、35 kV 配电预制舱等构建筑物。220 kV 升压站中建设 1 座综合楼，面积为 1 069.60 m2，主控室位于综合楼内，负责整个项目的集中控制。因生产生活需要，配置 1 座污水泵房和消防泵房，建设 1 座仓库，占地面积为 80 m2。项目升压站较小，不单独修建排水设施，利用场地自然排水。光伏场区和生活区统筹划分，合理布局，符合消防、环保、安全规范。4 光伏发电站主要设备选型4.1 光伏组件主要根据组件材料、尺寸、技术、直流电压等级等选择光伏组件。晶硅类光伏组件转换效率和电性能参数远高于薄膜类光伏组件，因此选择晶硅类光伏组件。P 型组件衰减约为 1.5%，而 N 型组件几乎无衰减，转换效率更高，因此选择 N 型组件。双面组件背面是透明材料，可以利用环境中的反射光，增益至少为 5%，双面组件的制造工艺与单面组件相差甚大，双面组件的单位成本发电效率比单面组件高，在安装容量相同的情况下，双面组件比单面组件有更高的转换效率和更小占地面积，优势明显，双面组件建设总成本方也比单面组件低，因此选择双面组件。210 mm 尺寸的组件比其他小尺寸组件的单张组件功率高，每瓦生产成本低 0.1 元，因此选择 210 mm 尺寸的组件。当线缆长度和电阻一定时，1 500 V 直流系统比 1 000 V 直流系统损失小，因此选择 1 500 V 直流系统。综上，结合技术成熟性、组件工作效率、工程总价、土地使用面积、安装工艺，项目选用 210 mm 大硅片技术的单晶硅 600 Wp 双面光伏组件。4.2 逆变器逆变器可以将直流电转换成交流电，是光伏发电站电气设计最主要的内容，交流电适合进行长距离传输。逆变器交流输出侧的电压、电流、频率、功率等数据可以根据并网点的特性进行调整。在选择逆变器时，着重考虑输出效率、电网故障穿越、直流输入电压范围、可恢复性、监控和数据采集、最大功率点跟踪和电压运行适应性参数，才能够满足电网的高标准要求，减少对电网的冲击和干扰。综合考虑所选光伏组件与逆变器的匹配性以及成本控制、系统发电效率等因素，拟采用箱逆变一体机配置方案，且逆变器具备 AGC/AVC 调节、一次调频、高电压穿越、PID 防护等功能，防护等级为 IP55。逆变器需具备储能接口，有平滑过渡到储能电站的能力。无隔离变逆变器的造价成本要略高于有隔离变逆变器，但可以减少土地面积，因此项目选用采用单台容量为3 125 kW 的无隔离集中式逆变器，最大效率为 99.02%。逆变器的功率因数能够在+0.98 -0.98 范围内连续可调，并具备低电压穿越能力。5 光伏发电站电气系统设计5.1 电气一次系统项目直流侧实际装机容量为 100.062 MWp，拟新建 1 座 220 kV 升压站，配置 1 台主变压器，容量为100 MVA，三相双终组有载调压采用自冷和风冷降温的方式，通过成套保护装置保护主变压器接地点。变压器型号为 SZ18-100000/220，额定电压比为 23081.25%/37 kV，接线形式为 YN,d11。每 30 块 600 Wp 光伏组件串联后，22 或 23 串组件接入 1 台 24 汇直流汇流箱，9 台直流汇流箱再接入1 台集中式箱逆变一体机直流侧，逆变为 600 V 低压交流电，通过箱逆变一体机内的变压器就地升压为 35 kV。光伏区每 7 个光伏方阵的箱逆变一体机的 35 kV 侧通过高压电缆并联后为 1 回集电线路，接入拟新建的 220 kV升压站 35 kV 母线侧，全场共 4 回 35 kV 集电线路。最终并网所发电量汇集到 220 kV 升压站，通过 220 kV输电线路送出至周边 500 kV 变电站。考虑周边电网现状、安装容量和发展规划，本次 220 kV 线路输送容量按照远期规划 400 MVA 考虑，220 kV 送出线路采用双拼 JL/G1A-400/30 电缆。5.2 容配比项目水平面总辐照量为 1 628.9 kWh/m2，采用固定式支架，对照光伏发电系统效能规范（NB/T 103942020）中附录 B.4 内容可知，容配比选择 1.2左右最合适。超越照明 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明1145.3 电气二次系统项目电气二次系统主要包含光伏发电系统计算机监控系统、变电站计算机监控系统、继电保护及安全保护装置、二次接线、调度自动化系统、电能量计量系统、直流及 UPS 系统、安全稳定控制系统、图像监视及安全警卫系统、火灾自动报警系统等，要求安全可靠、经济适用和技术先进。电气二次系统按“无人值班，少人值守”的原则设计，可以实现综合自动化管理，提升安全管理能力，节约人工成本，增加经济效益。5.4 电气防雷接地为了保护光伏发电站电气设备，必须设计可靠的防雷接地系统。（1）场区接地环网：光伏场区采用 404 热镀锌扁钢纵横焊接，钻孔埋入镀锌钢管垂直接地极，并和基础钢筋焊接在一起，形成一个整体的接地网。（2）组件接地：光伏场地内光伏阵列相邻组件之间相连采用 14 mm2的接地铜线经螺栓连接，阵列边缘组件与支架采用 14 mm2的接地铜线可靠连接，采用 404 热镀锌扁钢焊接支架与主接地网。（3）直流汇流箱接地：设备与接地网采用 16 mm2接地铜线连接。（4）箱逆变一体机：箱逆变一体机周围采用 505 mm 热镀锌扁钢设置单独局域接地网，利用 505 mm热镀锌扁钢连接至主接地网。（5）升压站接地：电站为大接地短路电流系统，过电压保护接地和工作接地共同使用一个总的接地装置，按接地电阻不大于 0.5 设计。为了保护升压站户外高压设备，设计安装 3 根35 m 高的避雷针，将雷电引入大地。在综合用房的屋顶安装避雷带，避雷带的网格大小为 8 10 mm，每隔 10 20 m 设防雷接地引下线。沿高压输电线路架设避雷线，在变电站高压母线上设置避雷器，实现过电压保护。5.5 通信系统项目通信采用“集中控制、少人值班”的原则设计，在综合楼中央控制室集中对电气设备进行遥测、遥控、遥信。（1）系统通信：光纤通信作为主备方式，采用OPGW 光通信方式，将光纤设置在 220 kV 高压输电线路的地线中，在升压站侧设置 2 套 SDH 光传输设备。（2）站内通信：在升压站内设置 1 台 48 线数字程控交换机，具备组网功能。（3）对外通信：对外通信利用电信光缆，作为光伏项目的市话通道。不在升压站内配置独立的通信电源，由交直流一体化电源提供电力。在不影响功能的情况下，适当提升美观性，通信线路暗管敷设或者沿桥架敷设。5.6 照明系统照明系统分为正常照明和应急照明（包含安全照明、备用照明和疏散指示）。配置 1 台 5 VA 逆变电源作为升压站应急照明电源，正常照明由站用电母线供电，站用电为 380/220 V 电压等级，中性点直接接地，由施工变压器和站用变压器两路电源引来。备用照明平时由站用电母线供电，事故时自动投切，由逆变器将直流电源转换为交流电源供电。检修照明采用投光灯，室内使用 LED 灯照明，达到节能减排效果。根据现场工艺和实际，合理配备备用照明、疏散照明。在综合生产楼、二次设备室和 35 kV 配电室分别安装配电箱，对附近设施设备供电。6 结束语在光伏发电站电气设计时，需要充分分析设备选型、装机容量、场区布置、外送线路接入方式、电气设备、设计方案、太阳能资源等方面，遵循”安全第一、供电可靠、运行稳定、操作方便”的原则，符合现行国家和行业标准规范。合理的电气设计，可以使光伏发电站项目在发电效益、社会效益和生态效益达到合理预期，为开工建设创造良好条件。光伏发电提供的电能可代替部分燃油及煤炭电能，减少二氧化碳排放，保护生态环境。并且投资建设光伏发电站可以增加当地就业机会，促进区域经济发展