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大型光伏电站电气汇集系统设计的讨论

冯卫青,严峰峰

(1.国核电力规划设计研究院,北京100095;2.北京聚合电力工程设计有限公司,北京100048)

程实际应用角度对光伏电站直流汇集系统设计方案提出优化建议,从而提高光伏电站的发电效 摘要:通过对大型并网光伏电站直流汇集系统设计的介绍,结合光伏电站设计实例,从工单,及降低光伏电站的工程投资.

关键词:光伏电站:直流汇集系统:设计

中图分类号:TK512文献标志码:B文章编号:1009-3230(2013)04-0046-04

Discussion abouttheLargePVPowerStationElectrical CollectionSystemDesion

(1. State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute Bejing 100095 China; FENC Wei-qing' YAN Feng-feng²2. Beijing Juhe Electrical Engineering Design Limited Beijing 100048 China)

Abstract: Through the introduction of large grid connected PV power station DC collction systemdesign bined with the PV power plant design examples from the practical application ofengincering point of view on the PV power station the DC colection system design optimiation suggestisfuthere the pwereeration ficinyfPwr lts futherdupower plant project investment.

Key words: PV power station; DC collection system; Design

子串接人光伏阵列直流防雷汇流箱进行一次汇流,一次汇流完成的若干个子单元组成光伏阵列后再经过直流配电柜进行二次汇流接人光伏并网逆变器,经逆变器逆变后通过0.27(0.315)/10kV(35kV)(逆变器交流输出有270V、315V等)就地升压变压器升压,若干个发电单元的就地升压变经电缆并接为1回集电线路后接人升压站内的35kV(或10kV)配电装置进行电能量汇集、升压,而后并人电网[2.

0引言

年来,国内大型并网光伏电站的建设得到了快速 随着国家对太阳能光伏产业的大力扶持,近发展.通过对大型并网光伏电站常用的直流汇集系统设计的介绍,结合光伏电站设计实例,从工程实际应用角度对光伏电站直流汇集系统设计方案提出优化建议,以进一步提高光伏电站的发电效率,进一步降低光伏电站的工程投资(.

1大型并网光伏电站典型直流汇集系统电气接线

光伏电站直流系统接线可分为如下三部分,第一部分为光伏组件申联系统的接线;第二部分为申联后的光伏子串并接人汇流箱的接线;第三部分为汇流箱并接人直流配电柜的接线.

大型并网型光伏电站典型直流汇集系统接线如下:光伏组件经过串并联后形成光伏子串,光伏

1.1光伏组件串联系统接线

根据光伏组件工作电压、组件开路电压、组件温度影响系数、组件工作条件下的极端温度等因素综合考虑后计算得出的每一光伏子串中串联组件的数量,再根据所选定光伏并网逆变器的MPPT电压最大值和最小值进行校验,最后确定每一子串最终的串联组件的数量.光伏子申组件串联数计算公式如下:

式中:Kr/Kv-组件开路电压/工作电压温度系数;N-光伏组件的串联数(N取整数);t/r组件工作条件下极限低温/高温,℃;Vm逆变器允许的最大直流输人电压,V;Vpm/√pm-逆变器MPPT电压最大/最小值,V;V/V_--组件的开路电压/工作电压,V;

组件串联系统接线是将所确定的需要申联的组件数量通过组件上自带的正、负极引线(长度约1.1m)按照正、负的极性进行有序连接.

1.2光伏子串与汇流箱的连接

申联后的光伏子串电流为单个光伏组件的工作电流,电流较小(为了便于比较,本文涉及组件 的参数均以某厂家295Wp组件为例,工作电流约8.27A),为了方便电流的集中传输、减少传输过程中的电能损耗,光伏子串需要在就地进行汇流.

根据IEC相关标准要求,光伏组件的接线盒均按照4mm²的连接线截面进行设计.因此申接后的光伏子申通过单独敷设的4mm²光伏专用电缆引至光伏阵列直流防雷汇流箱.通常选用PV1-F4mm²双绝缘防紫外线阻燃电缆,光伏子串正、负极各引一根电缆.

1.3汇流箱与直流配电柜之间的连接

汇流箱与直流配电柜间的连接采用单芯或双芯直流电缆均可,但在电缆选型时蓄要特别注意电缆的压降问题,即需要按载流量进行电缆截面的选择,然后再通过压降对截面进行校验.由于各汇流箱距离直流配电柜(第二级汇流)的距离差别较大,为了控制各汇流箱送至直流配电柜内直流母线上的电压偏差(实际工程设计中大多对

直流电缆的压降按不大于2%进行控制),直流电缆截面选择可按如下公式进行选择:

式中:lca-计算电流.A;Seac电缆计算截面,mm²;p电阻系数,mm²/m;L电缆长度,m;△Up-回路允许的电压降,V.

2光伏电站直流汇集系统特点

由以上介绍可知,大型光伏电站直流系统接线方式相对比较简单,但其特点也非常明显,那就是直流系统规模比较大(大型并网型光伏发电站安装容量一般大于30MW),因此除组件、汇流箱这些必不可少的电气设备比较多之外直流系统连接所用的各型号电缆量非常大(根据工程实际情况统计,每个1MW的光伏方阵各型号直流电缆用量在10km左右),组件、汇流箱等设备与电站装机容量密切相关,其数量不可能做较大的优化,但直流电缆的选型和连接方式的更改直接会对电缆长度乃至电缆敷设施工的工作量产生较大的影响,特别是光伏组件-汇流箱的环节.以下从工程实施的角度对光伏组件-汇流箱这一环节中直流系统电缆选型和电气接线方式做重点讨论.

3光伏组件-直流防雷汇流箱电气 接线方式的讨论

方式一:该接线为最常用的组件申接方式,是根据组件布置形式,利用组件自带的””、“-”极引出线将相邻的组件按””、”-”的极性依次有序串接,申接组件的数量由前面介绍的公式计 算确定;每一子串的””、“-”端分别在子串的两侧,每个极性端各经一根4mm²单芯电缆引至汇流箱,同一光伏支架上安装的上下两排组件均按此方式接线,如图,所示.

方式二:另一种比较常用的组件申接方式也是根据组件布置形式,利用组件自带的“”、“-“极引出线将相邻的组件按””、"-”的极性依次有序申接,并将安装在同一光伏支架上的上下两排共同申接组成一个子申,串接组件的数量由前面介绍的公式计算确定;每一子串的“”、“-”端位于子串的同一侧,每个极性端各

经一根4mm”单芯电缆引至汇流箱,如图所示.

图2方式二

面介绍的公式计算确定;每一子串的””、“-"端位于子串的同一侧,每个极性端各经一根4mm”单芯电缆引至汇流箱,如图,所示.因为组件自带的”"、“-“极引出线一般长度在1.1m (有的组件厂家为1.45m).面组件的宽度不到1m(约0.992m),按1.1m长的引l出线考虑,间隔一块组件进行申接所需的长度约为2x0.992=1.984m,小于2x1.1=2.2m的有效长度,因此此接线方式不用更改组件原有配件即可满足,该 接线方式已在加纳NAVRONCO光伏电站的设计中采用,该项目目前已竣工投产.

上述两种接线方式各有优缺点.方式一的优点是接线简单、清晰,不易出错;缺点是””、“-“极引出线位于子串的两端且距离间隔在10m以上,2根电缆无法经同一路径引至汇流箱,增 加电缆敷设的工作量.方式二的优点是””、“-“极引出线位于子串的同一端,2根电缆可经同一路径引至汇流箱,减少了电缆数设的工作量;缺点是因采用了上下两排串接的方式,存在早、晚时间段因上下两排组件受前排阴影影响不同导致 同一子串中组件可发电时间不同步的问题(上排组件全部接收阳光照射的时候下排组件局部会受前排组件阴影的影响而不能提前发电),导致整个子串在全年的部分时段有效发电时间略有缩短(根据组件排布方式、前后排间距设置、场地地形等的不同,每天缩短的发电时间可能是几分钟或 几十分钟).

经过优化后的方式三既保证了光伏支架上横向同一排组件进行串联形成子串,最大限度的保证发电量;同时又将子申的””、“-”极输出端布置在同一侧,使得””、“-”极输出的两根电 缆可以沿同一路径數设,不但减少了电缆敷设时工程量,因充分使用了组件自带的””、“-“极引出线缆,每个子串还节省了十几米的光伏专用电缆(每个1MW的方阵大约可节省3.2km光伏专用电缆),因直流电缆总量减少,响应的直流系 统的电缆损耗也将下降,对整个光伏电站发电效率的提高也有正面影响.

为了更好的解决上述两种方式的缺点,充分发挥各接线方式下的优点,对上述接线方式进行了优化,形成方式三,此接线方式较好地客服了方式一和方式二中的缺点,具体如下:根据组件布置 形式,利用组件自带的””、-”极引出线将不相邻的2块组件(中间间隔1块组件)按””、“-”的极性依次有序串接,串接组件的数量由前

4光伏组件-直流防雷汇流箱电缆 选型的讨论

光伏组件-汇流箱的电缆选型应该从光伏发电站自身的气候特点以及子串的电气特性综合考虑,电缆截面的选择应按电缆长期允许的载流量和回路允许的压降两个条件选择,子串的载流量不大(电流约8.27A),光伏组件连接器要求配套 的连接线径为4mm²,因此组件-汇流箱一般选择为4mm²铜芯电缆,压降方面因汇流箱均安装在就地方阵中,连接电缆长度一般只有几十米,压降能满足相关要求(按100m电缆长度计算的压降约为1.2%),因此组件至汇流箱间的连接电缆 截面按4mm²选择是适宜的.

光伏电站的气候因素也会对电缆选型有特殊要求,如光伏电站一般紫外线强、国内大多光伏电站位于北方较为寨冷的高海拔地区等,这就要求电缆选择应满足抗紫外线、抗老化、抗高温、耐低温、防腐蚀等要求.PV1-F4mm²电缆即是专门 针对光伏电站的特点设计的光伏专用电缆,该型号电缆在国外光伏电站中普遍采用,尤其用在屋顶及荒漠光伏电站中,但该型号电缆因不带铠装层而无法直埋敷设于地下,若要采用该型号电缆,对电缆数设施工的要求比较严格(采用电缆沟或设),因此大大增加了电缆敷设的工作量,由于电 电缆槽盒进行明敷或者采用穿保护管后直埋敷缆量非常大,对施工工期的影响较大.

我国北方大型光伏电站建设受气候寒冷影响,有效施工期较短(一般为6-8个月),为了缩短电缆敷设的工期,推荐组件至汇流箱间电缆采 用耐压为1kV的双芯或多芯交联铠装电缆,如YJY23-2×4mm²或YJY23-4×4mm²,其中双芯电缆可以将同一子串的””、”-"极由一根电缆引至汇流箱,四芯电缆可以将同一起始点的两

图3方式三

5结论

个子串的””、“-”极由一根电缆引至汇流箱.电缆更换后其性能不受影响,满足光伏子串汇流的要求,也降低了电缆费用(根据统计,直流电缆费用节省约20%),另外加装铠装层后采用直埋敷设,减少了电缆敷设施工时的工作量,直埋以后 也避开了紫外线对电缆的照射,增强了电缆的抗老化等功能,对节省工程投资、缩短工程工期、降低工程造价均有较大好处.青海的几个大型光伏电站中已经采用YJY23-2x4mm²电缆,使用效果较好.

(1)对于横向多排布置的光伏组件,在条件允许的条件下优先采用同一排组件横向串接组成组申的连接方式,以增加光伏电站早、晚时段发电量.

(2)充分利用好组件自带的连接电线(缆),以节省电缆用量、减少线缆损耗.

(3)根据工程实际情况,可选用普通金属铠装电缆代替光伏专用电缆.

太阳能作为环保、绿色的能源,在发电行业的应用前景广闽,我国大型光伏电站的加快建设也将进一步推动电站建设的各个环节更加规范、合理.大型并网光伏电站直流汇集系统较为庞大, 从工程实际应用角度对光伏电站直流汇集系统设计方案进行优化,对光伏电站提高发电效率和降低光伏电站的工程投资均有较大益处.

参考文献

[2]DL/T5044-2004.电力工程直流系统设计技术 [1]GB50797-2012.光伙发电站设计规范[S].规租[S].[3]吴丽,肖生苯,发电机定子公路装运安全稳定性研究[J].办林工程 2007 23(3):6769.

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