分布式光伏电站电气一次设计研究

陈 林

（湖南动力源电力勘测设计有限公司，湖南 长沙 410021）

0 引 言

随着全球经济的发展，全社会对能源的消耗量日益增加，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位，加大对清洁可再生能源的发展力度已成为现行国家节能减排目标的重要手段之一[1]。在可再生新能源中，太阳能发电是一次性转换效率最高的能源，且使用简单、环保、经济[2-4]。截至2020年底，我国太阳能光伏发电装机容量达到2.53×108kW，位居世界第一。预计我国“十四五”期间年新增装机容量将在70～90 GW内，故太阳能光伏发电的未来市场和发展空间还很大。

本文以湖南省常德市水沐堰20 MW光伏电站项目为设计案例，基于该光伏电站的实际情况，主要从电力接入系统、电气主接线、主要电气设备选择、电气设备布置以及防雷接地等几个方面进行分析，确定本光伏电站开关站35 kV电气一次设计方案，为我国光伏发电企业在类似项目设计上提供一定的参考[5]。

1 电力接入系统

水沐堰光伏电站周边仅有如东35 kV变电站、向阳桥～如东35 kV线路以及梦溪～如东35 kV线路，其到如东变的直线距离约1.5 km，到向阳桥～如东35 kV线路的直线距离约1 km，到梦溪～如东35 kV线路的直线距离约2 km，如图1所示。

图1 水沐堰光伏电站接入系统方案示意图

根据水沐堰光伏电站的地理位置、系统地位以及装机容量，考虑周边电网现状和发展规划，从实施与过渡难易程度、送出可靠性、运行灵活性及远景适应性和经济性等多方面比较，水沐堰光伏电站π接向阳桥～如东35 kV线路。中华110 kV变投产后，该线路剖入中华变，以35 kV电压等级接入系统。

2 电气主接线

2.1 电气主接线选择

本工程为20 MW分布式并网光伏发电项目，采用分块发电、集中逆变、升压并网方案。各光伏组件产生直流电在就地汇流后，通过电缆将电能集中送至对应的逆变和升压变，升压至35 kV电压，在新建的35 kV开关站内汇流后并入电网。

光伏电站35 kV开关站内采用单母线断路器分段接线方式，光伏电站集电线路在Ⅰ段母线，新建的2回35 kV出线在Ⅱ段母线，如图2所示。35 kVⅠ段母线上共设7面35 kV高压开关柜，其中包括两面集电线路开关柜、1面无功补偿装置开关柜、1面接地变兼站用变压器开关柜、1面母线PT柜、1面母联柜以及1面隔离柜。35 kVⅡ段母线上共设4面35 kV高压开关柜，其中包括1面计量柜、1面PT柜、1面向阳桥变出线柜以及1面如东变出线柜。

图2 35 kV开关站电气主接线

2.2 35 kV系统接地方式

根据《十八项电网重大反事故措施（修订版）及编制说明》，要求快速切除汇集线系统单相故障，因此光伏电站开关站35 kV母线采用经消弧线圈接地方式。

本项目设计两回35 kV集电线路，电缆长度约为3.8 km，由开关站π接向如线35 kV线路送出，采用双回电缆线路至站外电缆终端塔后改为架空线路，接至现有35 kV向如线#87和#89杆附近的π接点，新建线路路径全长约1.37 km。经计算，35 kV单相短路的接地电容电流约为13.3 A。考虑变电站增加的接地电容电流（35 kV按照13%附加值计算），接地电容电流约为15.21 A[6,7]。大于规程要求的10 A水平，需进行接地补偿，根据计算出消弧线圈容量为415 kVA，故本期消弧线圈容量选为430 kVA。此外，35 kV母线装设1台接地变兼站用变压器成套装置，变容量选择630 kVA。

3 短路电流及主要电气设备选择

3.1 短路电流

水沐堰光伏电站35 kV开关站母线远景短路电流为4 kA。光伏电站π接向阳桥～如东35 kV线路，中华变投产后，中华35 kV母线远景短路电流为10.5 kA。考虑为系统发展留有余度，水沐堰光伏电站35 kV断路器遮断容量选用31.5 kA。

3.2 35 kV配电装置

35 kV开关站内采用单母线断路器分段接线方式，光伏电站集电线路在Ⅰ段母线，新建的2回35 kV出线在Ⅱ段母线。本项目35 kV高压开关柜选用KYN61-40.5型移开式金属铠装高压开关柜，额定电压为40.5 kV，额定电流为1 250 A，额定频率为50 Hz，额定短路开断电流为31.5 kA，额定短路关合电流为80 kA，额定动稳定电流为80 kA，额定热稳定电流为31.5 kA/4 s，柜体的外壳防护等级不低于IP3X。

3.3 无功补偿装置

光伏电站满发时，计算箱变、集电线路电缆以及架空送出线路的无功损耗[8,9]。在充分利用光伏逆变器的无功及其调节能力的基础上，应保证光伏电站无功功率在任何运行方式下都有一定的调节容量，该容量为开关站额定运行时功率因素0.98(容性)～0.98(感性)所确定的无功功率容量范围。考虑光伏电站终期装机容量，本光伏电站在35 kV母线上配置1套-2～+2 MVar SVG动态无功补偿装置。

3.4 站用接地变装置

根据35 kV母线单相短路电容电流的大小和站用负荷的要求，站用接地变压器选用环氧树脂浇注干式变压器，变容量选择630 kVA，型号为DKSC-630/35-200/0.4，额定电压为（37±2×2.5%/0.4）kV，接线组别为ZN和yn11，二次侧为站用电源，容量为200 kVA。

3.5 35 kV箱式变电站

35 kV箱式变电站采用美式箱变，其采用户外布置，具有体积小、安装方便以及维护少等特点。箱式变电站容量选用1 000 kVA，选用35 kV电压等级箱式变电站[10]。箱式变电站内的35 kV变压器采用三相双分裂铜芯油浸式自冷无励磁升压变压器，型号规格为S11-M-1000 kVA，变压器高压侧额定电压为37 kV，低压侧额定电压为0.315 kV，短路阻抗为6.5%，联接组别为D和y11。

3.6 站用电源

站用电系统设置2台站用变，其中1台采用35 kV接地变兼站用变压器，从35 kV母线引取，另1台采用10 kV预装式箱变，从水沐堰村抗旱抽水机埠的配电室取得。其中10 kV站用变压器采用1台10 kV预装式变电站（欧式箱变）作光伏电站备用电源用，箱变内10 kV变压器型号为SCB11-200/10，容量为200 kVA，电压组合为（10±2×2.5%/0.4）kV，联接组标号为D和yn11，阻抗电压Ud=4%。

4 电气设备布置

4.1 电气总平面布置

35 kV开关站占地2 700 m2，开关站围墙为实体围墙，站区东西方向长为60 m，南北方向长为45 m，建筑物主体是生产用房和35 kV配电楼，均为单层建筑。开关站整体布置简明清晰，紧凑合理，能满足运行要求。此外，站内设置车道，道路宽4 m，道路内侧转弯半径为9 m。

4.2 35 kV配电装置布置

35 kV高压开关柜统一布置在35 kV配电楼配电装置室内，为单列布置，站用接地变及消弧线圈装置采用室外集装箱式布置。

4.3 35 kV无功补偿装置布置

35 kV无功补偿装置控制设备布置35 kV配电楼无功补偿装置室内，无功补偿装置户外降压变压器布置在35 kV开关站东南角。

4.4 低压配电装置布置

站用低压配电装置共设3面低压配电柜，布置在35 kV配电楼二次设备室内。

5 防雷接地

开关站周围敷设以水平接地体为主，垂直接地体为辅，联合构成的闭合回路的接地装置，供工作接地和保护接地之用。水平接地体采用-50×5的热镀锌扁钢、垂直接地体采用L 50×50×5的热镀锌角钢，接地电阻应小于4 Ω。

主接地网采用以热镀锌扁钢为水平接地带，锌包钢接地极为垂直接地极，并局部添加土壤改良剂的综合方法设置。开关站新上一支高25 m的避雷针，保护范围为所有35 kV户外配电设备及配电楼部分屋顶。本站生产用房和35 kV配电楼采用沿屋顶女儿墙敷设避雷带进行防直击雷保护。

6 结 论

分布式光伏发电电气一次设计是分布式光伏发电的关键组成部分，是光伏发电系统和电网有效结合的纽带。本文结合实际设计案例，通过分析分布式光伏电站电力接入系统设计、电气主接线、主要电气设备选择、电气设备布置以及防雷接地等几个方面，确定本光伏电站开关站35 kV电气一次总体设计方案，为其他类似分布式光伏并网发电项目提供理论基础。