大型复杂山地光伏电站短路电流计算及其工程应用研究

韩 刚 郝楠楠

(1.浙江省发展规划研究院，浙江 杭州 310012；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

能源危机、环境污染以及单位发电成本不断下降给规模化光伏发电带来了新的发展机遇。近年来，我国太阳能光伏发电势头较猛，装机规模持续扩大。截至2019年底，光伏发电装机容量达到205.7GW以上，并且每年保持稳定的增长规模，部分地区已经实现了“平价上网”，成为优化地区能源结构的重要举措[1]。

然而，与传统火电、水电等基荷电源相比，光伏发电出力容易受天气等因素影响，具有波动性和间歇性等特点[2]。因此，光伏电站工程设计在场区布置、设备选型、系统组成和配置等方面与传统电站差别较大。同时，光伏电站投资开发由于民营资本较为集中、准入门槛相对不高，在平价上网的趋势下，“简配”设计已成为各电站开发商降低成本的重要手段。科学合理的短路电流计算是电气设备选型、导体选择和校验、继电保护整定的前提和基础，其计算结果将直接影响到整个光伏电站的安全可靠和工程造价[3]。因此，对光伏电站整体系统进行短路电流计算，分析其电气设备参数配置，对合理降低系统成本具有重要意义[4]。

本文建立了光伏电站等值电路模型，选取不同短路点进行短路电流计算，以实际工程为例，将计算结果应用于实际工程。

1 光伏电站等值电路模型建立

光伏电站电气系统主要由太阳能光伏组件、汇流箱(逆变器)、箱式变压器、集电线路、中压配电装置、主变压器、高压配电装置(GIS)、无功补偿(SVG)装置、站用电系统、通信装置、继电保护及监控系统组成。一次系统主要由光伏组件串接线、汇流箱(逆变器)接线、光伏发电单元与箱式升压变接线、集电线路“T”接线以及升压站的电气主接线等组成。在实际工程计算中，通过对整个光伏电站的组成电气元件进行合理的简化，将其转化为将工程等值计算电路模型。

1.1 光伏组件工程简化模型

在光伏电站设计中，光伏组件供应商提供的产品参数表一般为标准测试条件下(大气质量AM1.5、 辐照度1000W/m2、温度25℃)的电气参数，如峰值功率电压(Vm)、峰值功率电流(Im)、开路电压(Voc)、短路电流(Isc)等。光伏组件的输出特性与实际的光强、温度有关。若光强不变，短路电流Isc随着温度的升高而增大，开路电压Voc则随着温度的升高而减小；若温度不变，短路电流Isc与光强成线性关系，开路电压Voc则与光强的对数成正比。不同工况下的光伏组件输出特性详见文献[1]，在此不再赘述。

根据《光伏电站接入电网技术规定》(Q-GDW617—2011)，当检测到电网侧发生短路故障时，整个光伏电站系统向电网注入的短路电流不应超过其额定电流的1.5倍。因此，在交流侧发生短路故障时，光伏系统仍处于工作状态，且短时间内电压稳定，将其等效为电流源[5-6]。

1.2 逆变器(汇流箱)工程简化模型

逆变器出口电压大都为低压，通常主流的集中式和组串式逆变器设备参数如下：3150kW集中式逆变器交流输出600V，225(175)kW组串逆变器交流输出800V，逆变器至箱变的低压线路相当于一个很大的限流电抗，在交流系统短路时起的作用很小[7]。同时，逆变器交直流侧均设有低电压、过流电保护，发生短路故障时会迅速动作，不具备向故障点提供短路电流的能力。因此，该模型在计算时暂不考虑。

1.3 箱式升压变等值电路模型

光伏电站设计中，箱变一般选择双分裂变压器或双绕组变压器，每个发电单元3.15MW光伏阵列配置1台3150kVA的变压器。因此，通常在等效电路模型中将其等效为一个电抗模型[7-9]。

1.4 集电线路等值电路模型

由于光伏电站能量密度小、占地面积大、发电单元分散布置的特点，通常采用集电线路进行逐级汇流。集电线路通常采用35(10)kV电压等级，集电线路较长，电阻电抗不容忽略。以浙江衢州150MW光伏电站为例，该电站为复杂山地光伏电站，总装机容量为150MW，单个发电单元容量3.15MW，每6个发电单元“T”接在一回集电线路上，即每回集电线路容量约19MW，通过8回集电线路将光伏电能送至场区220kV升压站。在场区地形复杂的情况下，每回集电线路十几公里，集电线路电压等级为35kV。

1.5 主变压器等值电路模型

光伏电站电气系统中，主变压器和箱变的作用与运行方式基本类似，因此，在等值电路模型中，可以将其等效为电抗模型[10]。

2 算例分析

2.1 计算条件

以浙江衢州150MW光伏电站为例，光伏电站总装机容量为150MW。每个发电单元为3.15MW，每个发电单元设置1台3150kVA的箱变，逆变器出口电压为0.6kV，经箱变升压后至35kV，每6台箱变“T”接为1回35kV集电线路，共计8回，然后接入场区220kV变电站35kV侧。

光伏场区升压站内设置2台75MWA的电力变压器，升压至220kV后接入电网，系统参数见表1。

表1 系统主要参数

箱变至升压站的集电线路采用35kV电力电缆，考虑各箱变“T”接，根据“T”接顺序不同的电缆载流量，选取6种电缆型号(见表2)。

2.2 短路点选取

各典型短路点选取(见图1)：计算d1点短路电流，主要用于对升压站220kV高压侧配电装置的选择与校验；计算d2点短路电流，主要用于对35kV母线侧配电装置的选择与校验；计算35kV集电线路首端箱变(即距升压站35kV母线最近箱变)高压侧出口d3点短路电流；计算35kV集电线路末端箱变(即距升压站35kV母线最远箱变)高压侧d4点短路电流。

表2 集电线路电缆参数

图1 光伏电站电气系统

2.3 短路电流计算

2.3.1 基准值

为了计算方便选取如下基准值：

基准短路容量Sj=100MVA，基准电压为U220=230kV、U35=37kV,则基准短路电流：

2.3.2 各元件电抗标幺值

设计过程中因未有系统短路容量详细参数，所以系统阻抗按断路器开断短路电流进行折算。以接入220kV变电站断路器的短路开断电流为50kA进行计算。

系统阻抗Xs=Sj/Sx=0.0050

送出线路：送出线路导线采用钢芯铝绞线LGJ-240，线路长度约为8km。

主变压器：额定容量Sb1=Sb2=75MVA，短路阻抗Ud%=14，则主变压器阻抗标幺值为

XB1=XB2=Ud%·Sj/100Sb=0.1867

箱式升压变：额定容量Sd=3150kVA，短路阻抗Ud%=7，则箱变阻抗标幺值为

Xb=Ud%·Sj/100Sd=2.2222

集电线路：35kV集电线路首端箱变(即距升压站35kV母线最近箱变)采用ZRC-YJV22-26/353×240，线路长度为1km。

2.3.3 绘制系统等值网络图

根据计算结果绘制系统等值电路网络图(见图2)。

图2 系统等值网络

2.3.4 短路电流计算结果

短路点冲击系数取值1.8，计算结果见表3。

表3 短路电流计算结果

3 结 语

本文建立了光伏电站等值电路模型，以浙江衢州150MW山地光伏电站为例，选取不同短路点进行短路电流计算，得出以下结论：光伏电站升压站220kV断路器的开断电流选择40kA(大于35.421kA)即可满足要求，实际工程中，大多选取50kA配置；光伏电站场区35kV断路器的开断电流选择25kA(大于23.989kA)就可以满足要求；对于光伏电站场区35kV系统，通常情况下短路电流最大点出现在35kV母线侧，由于集电线路阻抗原因，线路的末端短路电流最小。将计算成果应用于实际工程，有效地减少了整个光伏电站工程造价，具有重要的现实意义。