大型并网光伏电站的设计与探讨_陈祥

陈 祥 /工程师关键词 /Keywords大型并网光伏电站 单轴跟踪系统 设计 电力系统 | Power System46 建筑电气 2012 年第 31 卷第 12 期大型并网光伏电站的设计与探讨首先阐述了甘肃敦煌 10 MW 光伏并网发电特许权示范项目的设计理念目标 ； 并结合实际设计中遇到的问题 ，详细论述设计中对相关问题的解决办法 ； 最后根据电站建设中实际问题及运行状态 ， 提出今后类似电站设计需注意事项 。陈 祥 / 云南省电力设计院本工程是我国首个光伏并网发电特许权示范项目 ， 其开发建设对促进大型太阳能发电项目建设具有重要的示范作用 。电站的主要设计理念工程建设规模为 10 MWp， 主要设备均为国产设备 。 在设计阶段 ， 因国内缺乏类似规模光伏电站的投产项目 ， 工程的设计 、 建设的技术和经验依赖于原有的兆瓦级小规模并网光伏发电技术和电力工程设计规范 、 经验的支撑 。1. 光伏阵列运行方式优化光伏阵列吸收太阳辐射的大小与入射角有关 。 如采用自动跟踪系统 ， 随时调整阵列位置减小入射角 ， 可比固定安装获取更多能量 。跟踪系统可分为单轴跟踪和双轴跟踪 。 单轴跟踪系统又细分为平单轴跟踪和斜单轴跟踪 。 结合敦煌地区实际的气候特点 ， 在运行方式选择上遵循以下原则 性能可靠 、 抗风荷载结构好 、 易维护及性价比高 。 结合目前几类运行方式 ， 分析情况如表 1 所示 。从表 1 可以看出 ， 相对于固定支架 ， 双轴跟踪系统获得的发电量最大 ，发电量增加 36 ； 斜单轴跟踪系统次之 ， 发电量增加 31 ； 平单轴跟踪系统发电量增加 18. 3 。双轴跟踪系统占地面积大 ， 支架造价过高 ， 单点支撑稳定性不好 ， 且运营维护成本高 ， 性价比差 。斜单轴跟踪系统占地面积比双轴跟踪系统小 6. 4 ， 高于平单轴系统 47. 7 ；但发电量相对于平单轴跟踪系统只增加约10. 9 。 且由于带倾角的缘故 ， 南向支架高 ， 造价也较高 。 经计算分析 ， 因场地面积增加 ， 电缆的投资与场地面积呈正相关 。 （ 表 2 分析不同纬度地区下 ， 固定支架占地面积与电缆投资的关系 。 ）平单轴跟踪支架占地面积比固定式支架增加 11. 6 ， 发电量增加 18. 3 ， 与固定支架同属多点支撑 ， 稳定性好 。 为增强平单轴跟踪系统抗风性 ， 平单轴跟踪系统运行 方 式 为 当 风 速 大 于 14 m /s 时 ，系统自动调整至水平状态以减小风压 。基于此 ， 本工程采用平单轴跟踪独立支架 ， 即每个组串采用一套跟踪系统 。2. 电站直流系统光伏并网电站由单元系统叠加而成 ，通过对单元系统的优化设计以达到电站优化的目的 。 其设计遵循以下原则 1） 光伏组件组串 ， 其输出端电压变化介于逆变器的输入电压范围 ， 且端电压尽量接近逆变器的高限值 ， 以减少汇流箱的数量 。2） 根据敦煌地区的辐照情况 ， 并联的光伏组串总功率与逆变器额定功率比值为 1∶ 1。3） 光伏组串的最高输出电压不超过光伏组件的最高允许电压 。根据气象资料 ， 敦煌场址极端最高气温为 41. 7 ℃ ， 最低气温为 － 30.5 ℃ 。 据此校验太阳能板工作表面最高温度为 82.3 ℃ ，大型并网光伏电站的设计与探讨 Power System | 电力系统www . eage . com . cn 2012 年 6 月下 建筑电气 47表 1 四种支架比较39 固定 平单轴跟踪 40 斜单轴跟踪 双轴跟踪MWp 发电量 /MW h 1 521. 6 1 800. 4 1 996. 9 2 078. 0MWp 占地面积 /m 2 19 575 21 845 32 264 34 340造价 / （ 元 /W ） 1. 5 2. 5 3. 2 4. 2支撑点 多点支撑 多点支撑 多点支撑 ， 支架南向高 单点支撑抗风 迎风面固定 ， 抗风较差 可调至水平 ， 抗风较好南北向抗风差 ， 东西向抗风较好可 调 至 水 平 ， 抗 风较好防雪 、 除雪 自然积雪 可减少积雪 可减少积雪 可减少积雪运行维护 工作量小 工作量较大 工作量大 工作量大表 2 固定支架在不同纬度地区占地与经济性比较对比项目 N 5 N 15 N 25 N 35 N 45占地面积 /m 2 7 385 8 576 11 583 14 630 18 262直流电缆 1 4 mm2 /km 3. 07 3. 57 4. 82 6. 09 7. 60直流电缆 1 25 mm2 /km 0. 90 1. 04 1. 41 1. 78 2. 22交流电缆 3 70 mm2 /km 0. 14 0. 17 0. 22 0. 28 0. 35电缆造价 /万元 32. 36 37. 58 50. 76 64. 11 80. 02最低温度为 － 24. 2 ℃ 。 根据以上设计输入 ， 结合光伏组件及逆变器参数确定 ， 1 MWp 光伏方阵内组件并联数为 228 路 ， 组串内组件数为 20 块 。3. 总图本工程的主要功能区为 光伏方阵区及内部通道 、 升压场区域 。 设计时遵循以下原则 1） 功能分区和总体布局 。 为了尽量有效利用场地资源 ， 让西侧 、 北侧作为未来发展用地 ，设计时充分利用了南侧斜角区域场地 。2） 光伏方阵区及内部通道 。 光伏组件按矩阵成块布置 ， 共 20 个区块 ， 两个区块为 1 MWp方阵 ， 区块间设计 6 m 宽道路 ， 以利于日常维护检修 。 其中在方阵内进行细化设计时 ， 主要考虑了以下几个方面 ① 保证南北向每一列组件在同一条轴线上 。 ② 每两列组件之间的间距需保证冬至日 、 跟踪系统 调 整 范 围 － 60 （ 西 ） ～ 60（ 东 ） 时 ， 所有组件上仍有 6 h 日照时间 。 ③ 所有平单轴跟踪光伏阵列方阵的方位角控制为 0 。场区纬度为 40. 04 ， 并考虑场地由东向西的0. 4 的自然坡度 ， 计算出跟踪系统东西向轴心距离为 9. 81 m。 同时考虑光伏方阵内东西方向消防 、 检修及电缆通道 ， 南北向轴心距离 1. 8 m。以此为原则 ， 光伏阵列占地 432. 3 亩 ， 综合升压站等建筑 ， 本工程占地共 515. 74 亩 。同时 ， 为规范电缆通道 ， 电缆敷设方式采用电缆沟 ， 考虑如下 ① 逆变器室布置于各单元光伏方阵中心 。 ② 每两行跟踪支架布置东西向电缆支沟以布置汇流箱 ， 南北向组件间电缆沿电池背板通过镀锌钢管引至电缆沟 。 ③ 南北方向布置电缆主沟通过逆变器室下 ， 并将东西方向电缆支沟垂直连通 ， 形成电缆通道 。 ④ 逆变器室下方电缆沟十字交叉于逆变器与升压变压器之间 ， 避免低压直流电缆与 10 kV 交流电缆交叉 。3） 道路 。 光伏阵列按矩阵成块布置 ， 区内均有道路连接 ， 并形成环路 。4） 排水 。 场址范围年均降水量 30 mm， 场区由东至西自然坡度为 0. 4 ， 利用自然坡度排水 。5） 围栏 （ 墙 ） 大门 。 本工程围栏 （ 墙 ） 包括场区及 升 压 站 围 栏 。 场 地 围 墙 钢 围 栏 ， 高 度2. 0 m， 升压站围墙也采用钢围栏 ， 高度 1. 5 m。4. 电气交流系统及主接线电站交流电气系统设计以逆变器交流输出端为界 。 目前国内在设计此类电站时主要采用如下两种方式实现能量交流输出的汇集并网 。电力系统 | Power System48 建筑电气 2012 年第 31 卷第 12 期方案一 270 V → 10 kV → 35 kV 两级升压方式 ； 方案二 270 V→ 35 kV 直接升压方式 。 两种方案设备投资比较结果如表 3 所示 。表 3 设备投资比较表 （ 单位 万元 ）序号 设备名称方案一数量 单价 总价方案二数量 单价 总价1 升压变 10 台 15 150 10 台 20 2002 主变 1 台 100 100 / / /3 动力电缆 5. 6 km 15 84 5. 6 km 35 1964 开关柜 17 台 10 170 13 台 15 1955 35 kV 设备 套 18 18 / / /6 站用变 1 台 12 12 1 台 12 121 台 20 20合计 534 623综合比较结论如下 1） 方案一初期设备投资较方案二低 89 万元 。2） 方案一的电压调节为单点调节 ； 方案二为多点调节 ； 就电压调节方式而言 ， 方案一优于方案二 。3） 当 35 kV 送出线路故障或检修时 ， 两种方案电站的运行所受到的影响程度同等 。基于以上分析 ， 工程采用方案一 。5. 防雷接地（ 1） 直击雷防护工程场址年平均雷暴次数为 6 次 /年 ， 属少雷区 。 光伏阵列区域不单独设置避雷针 。 在各逆变升压配电室 、 高低压配电室及综合楼等建筑物屋顶设置避雷带用于直击雷防护 。35 kV 升压站内设置独立避雷针实现对 35 kV配电装置 、 主变压器等的直击雷防护 ； 35 kV 线路上设置避雷线 。（ 2） 感应雷防护采取接地 、 分流 、 屏蔽及均压等电位等方法对感应雷进行防护 。1） 光伏阵列方阵接地措施 在光伏阵列方阵东西 、 南北向的电缆沟内均布置 50 mm 6 mm 热镀锌扁钢构建水平接地带 。 各跟踪支架在两个基础处通过 50 mm 6 mm 热镀锌扁钢与水平接地带连通 ； 在跟踪支架基础下埋入 2. 5 m 热镀锌角钢垂直接地极并通过基础内的主筋与水平接地带连通 。2） 其余设备的接地按照电力系统行业标准 交流电气装置的接地 进行 。3） 分流措施 在光伏方阵的汇流箱内 ， 分别在正极对地 、 负极对地间安装电涌保护器 ； 在逆变器直流输入端的正极对地 、 负极对地及正极对负极之间安装电涌保护器 。电站交流侧雷击感应过电流均采用避雷器的方式进行分流 ， 在电站 10 kV 配电段 、 站用 10 kV段及 35 kV 出线侧均装设氧化锌避雷器 。4） 屏 蔽 措 施 电 缆 沿 光 伏 组 件 背 板 敷 设 ，利用光伏组件实现对电缆的屏蔽 ； 当电缆埋地敷设时 ， 采用穿电缆保护管的方式 。5） 等电位联结 在防雷区交界处做等电位联结 ； 各支架之间采用等电位联结线 、 扁钢和螺栓紧固的线夹做等电位联结 。 同时升压站内各交界处也做等电位联结 。结论工程于 2010 年底整体投产 ， 是我国目前一次设计 、 投产的最大规模的平单轴跟踪光伏电站 。根据电站建设及运行的实际情况 ， 仍存在以下几个问题 1） 平单轴跟踪支架与基础联接采用预埋螺栓方式 ， 该方式对施工精度要求高 。 目前支架与基础连接方式普遍采用预埋钢板焊接方式 ， 可降低施工难度 。2） 因跟踪系统为分散控制 ， 光伏方阵内存在大量跟踪系统控制 、 电源电缆 ， 光伏组件各类直流电缆及逆变器出口 10 kV 中压交流电缆 。 方阵区内存在大量控制 、 电源电缆 ， 因此工程设置了电缆支沟 ， 使得土建施工期延长 。3） 跟踪支架的控制部分 （ 驱动电机 ） 如采用面向电缆沟的 “ 头对头 ” 布置方式 ， 将减少跟踪系统的控制和电源电缆各 20 km。4） 逆变器室目前布置于各单元光伏方阵的中心 （ 道路 ） 南侧 ， 主要考虑的因素为 ① 敦煌地区西北风盛行 ， 开门方向为南向 ， 利于逆变器室冬季保温 。 ② 可利用中心通过的道路距离 ， 减少逆变器室在方阵内的阴影规避的占地 。 但在施（ 下转第 57 页 ）储能技术的发展及其在电力系统中的应用 Power System | 电力系统www . eage . com . cn 2012 年 6 月下 建筑电气 57storage［ C］ ． 11th International Conferenceon Optimi-zation of Electrical and Electronic Equipment，OPTIM， 2008．［ 9］ Energy 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2011-07-23）櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌EA（ 上接第 48 页 ）工阶段 ， 门开向南侧 ， 道路在逆变器室北侧 ， 造成设备安装及后期设备维护 、 检修的不便 。 综合考虑 ， 逆变器室宜布置于各单元光伏方阵的中心（ 道路 ） 北侧 ， 占地面积略有增加 ， 但方便设备安装 、 调试及后期的检修 。结束语光伏电站发电成本因远远高于其他发电方式的成本电价 ， 前期国内建设的光伏电站容量较小 。本项目 1. 09 元 /（ kW h） 的平均上网电价的核准 ， 使得国内大量大型光伏电站开工建设 ； 2010年国家能源局的第二批光伏电站的特许权招标项目的电价又在 1. 09 元 / （ kW h） 的基础上大幅下降 。 相信随着技术更新 、 设备价格下降 、 设计优化及运行方式优化 ， 光伏电站的电价将越来越接近传统火电的上网电价 。同时 ， 随着光伏电站引起越来越多的学者的研究 ， 以及光伏电站独有的优势将使得其在未来电网中起到越来越重要的作用 。（ 收稿日期 2012-02-28） EA