荒漠光伏电站的电气设计分析

内蒙古神舟光伏电力有限公司 ■ 司德亮 苏洪涛 祁东婷 张文华

东北电力设计院 ■ 张树森

一 引言

随着可再生能源的发展，大型并网型光伏电站的多种技术方案得到了应用。在宁夏、甘肃、云南等地相继建成了宁夏石嘴山、中节能太阳山、宁发太阳山等并网光伏电站，而敦煌、呼和浩特等项目则正处于施工阶段。这些并网型光伏电站的建设、投入使用对太阳能光伏发电应用的快速发展起到了极大的推动作用。

《中华人民共和国标准化法》第二条第四款要求建设工程的设计、施工方法和安全要求应当制定标准。光伏发电工程属于建设工程，为了光伏发电工程的健康发展应当制定标准。《标准化工作指南第3部分：引用文件》(GB/T20000.3-2003)第4.6条规定，在某些领域，没有国家标准和行业标准或国家标准和行业标准不适用时，国家标准或行业标准可引用国际标准和国际有关文件。目前光伏产品和应用的标准已具备一定的规模，并有相当数量的标准等同采用IEC标准，这样既有利于开拓国际市场，也有利于规范光伏产品市场。但现行的设计标准配套还不全，有资料显示，国家标准化管理委员会正在积极策划开展此项工作。

由于现阶段并网型光伏电站的设计标准配套不全，因此相关工程的设计中参考了火力发电厂、输变电工程的设计理念。由于设计标准不统一，所以在工程实践中出现各种不同的设计方案也不难理解。

目前主要使用的设计标准包括：

(1)(GB/T18479-2001)等同采用IEC 61277(1995)《地面用光伏(PV)发电系统－概述及导则》；

(2)(SJ/T11127-1997)等同采用IEC 61173(1992)《光伏(PV)发电系统的过压保护导则》；

(3)(CECS 84-96)《太阳光伏电源系统安装工程设计规范》。

二 并网型光伏发电的典型系统接线图及主要技术原则

1 并网型光伏发电的典型系统接线图

并网型光伏发电的典型系统接线图如图1所示。光伏组件经过串并联后，形成光伏阵列，接入防雷汇流箱进行一次汇流，形成光伏阵列后，再通过直流配电柜进行二次汇流，接入并网逆变器，经逆变器逆变后，接入400V配电装置，或通过0.4/10kV升压变压器升压。每个发电单元的升压变经电缆接入布置于开关站内的10/35kV配电装置。最终，通过一回10/35kV线路并网。

未来，随着光伏电站规模扩大至20MW以上，则采取一级升压至35kV，汇流升压至110/220kV的接入方案。

2 电气主接线

并网型光伏电站的集电线路方案一般采用每个发电单元分别接入10kV配电装置的方案。该方案简单清晰、安全可靠、运行灵活、便于维护管理。也有采用汇集到主干线路上的方式。由于10kV、400V配电装置的进出线回路数较少，一般采用单母线的接线方式。

3 站用电

并网型光伏电站一般设置两台站用变压器，一台工作变压器由市电电源引接，另一台备用变压器由发电厂内的高压配电装置引接。

站用变压器一般主要为控制周边负荷供电，不为就地逆变站的负荷供电。由于目前国内光伏发电的电价比当地农电或市电价格高，在实际运行中，通常将引接在施工电源的变压器作为工作变压器使用，以降低运行成本。同时，逆变站内的暖通、照明等负荷也由于电价差价的原因，在实际运行中，由站用变压器进行远距离低电压供电。

有些国外供货的整套发电单元(一般为1MW)，自用的暖通、照明等负荷电源是由发电单元内的400V配电装置引接。

4 中性点接地方式

10kV中性点的接地方式应与接入电网的实际情况相适应。个别光伏电站推荐采用站内独立的接地方式，在不设置隔离变压器的情况下，会造成相关10kV配电网络运行困难。400V中性点采用直接接地的接地方式。

5 主要电气设备选择

断路器的额定参数按照不小于实际情况进行选择；开断电流(即能够断开短路电流大小的能力)的选择，按照在系统最大运行方式下断路器设置点发生三相短路电流值大小进行选择。例如：光伏并网电站10kV断路器，额定电压应不小于10kV，开断电流一般选为25kA、31.5kA。配电装置采用户内铠装式交流金属封闭开关设备；400V短路的开断电流一般选为40kA、50kA，配电装置采用全封闭抽出式低压成套开关设备。

升压变压器的容量宜与接入逆变器的容量相匹配，如接入变压器为两台500kW逆变器，则变压器容量可选1000kVA。

工程中应用有油浸式、干式和非晶合金变压器。油浸式变压器的初始投资略低，但维护困难；干式变压器的运行维护非常方便；非晶合金变压器的空载损耗低，但造价高。综合考虑，干式变压器应为首选的变压器型式。此外，当一台变压器仅接入两台逆变器时，可选择双分裂变压器，理论上可提高千分之几的效率，但应注意核算配套交流汇流装置以后的实际成本。

6 过电压保护及接地

按照《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T620-1997)第7.1.2条的规定，发电厂的主厂房、主控制室和配电装置室一般不装设直击雷保护装置，雷电活动特殊强烈地区的主厂房、主控制室和配电装置室宜装设直击雷保护装置。因此，并网型光伏发电厂的主控制室和10kV配电装置室(通常为一个建筑物)可不装设直击雷保护装置。

《光伏(PV)发电系统的过压保护导则》(SJ/T11127-1997)第4.4条规定，在确定是否需要架设避雷装置时，应考虑下列各项因素：人员安全；直接雷击于系统上对运行的影响；避雷击装置的造价与直接雷击的几率和更换损坏元件的费用之间的关系；由于避雷装置阴影引起的系统性能损失。考虑到光伏阵列现场无人值守、并网型光伏发电厂不配置蓄电池、雷击的几率较低且费用可以接受、避雷装置将引起占地面积的增加等因素，并网型光伏发电厂不推荐设置避雷装置。

根据《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)第5.1.1条规定，并网型光伏电站电气装置的接地电阻应符合且应不大于4½。由于并网型光伏电站占地较大，接地电阻一般可达到要求。

7 电缆设施

电缆设施应依据《电力工程电缆设计规范》GB50217-2007及其《条文说明》进行设计和施工。

控制室和逆变站内设置电缆沟道，光伏阵列内的电缆敷设一般推荐采用直埋方式，具体情况视现场地质条件、冻土、是否合并控制电缆通道等情况而定。

由于并网型光伏电站多数处于寒冷地区，在−15℃以下的低温环境，应按低温条件和绝缘类型要求，选用交联聚乙烯、聚乙烯绝缘、耐寒橡皮绝缘电缆，其电缆挤塑外护层宜选用聚乙烯外护层。北方低温环境不宜选用聚氯乙稀绝缘电缆。

8 消防给水

变电站内建筑物满足耐火等级不低于二级，体积不超过3000m3，且火灾危险性为戊类时，可不设消防给水。

9 暖通

工程实践中发现，逆变器的发热量很大，造成逆变站内的温度较高。应按照环境条件，进行详细的通风量计算。根据实际运行情况，逆变站可不设专门采暖装置。

三 特别说明的几个问题

1 电压等级的选定

图1为典型的0.4/10kV系统。电压等级的主要选择原则为：

(1)由于逆变器的交流侧出线电压还包括315V、270V等不同的电压等级，因此采用400V配电装置是合适的，但实际运行电压会根据逆变器交流侧出线电压而确定。

(2)逆变站高压侧10kV配电装置的电压等级一般在10kV、35kV之间做出选择。

(3)由于各个工程接入系统情况不同，存在进一步升压至110kV、220kV的送出方案。

2 洪水位

参照小型火电厂，光伏电站的防洪标准为50年一遇洪水。在具体工程中，要在可行性研究阶段明确。

3 积雪深度

太阳电池组件与地面之间的最小间距要在0.3m以上，并且应大于当地气象记录的最大积雪深度，同时要考虑组件上积雪滑落后形成的堆积对组件的影响。

四 结束语

(1)并网光伏电站属于新兴产业，还存在一些问题，如怎样降低升压变压器的夜间自耗电，薄膜光伏电站逆变器的低温启动障碍，如何控制由光伏组件个性差异而导致的串联电流、并联电压公差等。

(2)光伏并网电站设计和施工相关国家标准尚不完善，国家相关部门已启动标准的编制工作，航天光伏应积极参与国家标准的研究和制定。

(3)光伏并网关键技术和设备正处于快速发展时期，接入电网标准也处于不断探索完善阶段，电气设计在降低接入系统造价方面还有优化的空间。

(4)随着并网光伏电站规模的不断扩大，电气设计中还要考虑动态无功补偿装置。