集中式光伏发电站设备选型要点

陈清，郭培育，周晴，吴丽华

（国电南京自动化股份有限公司，南京，210032）

0 引言

世界能源发展正处于百年未有的大变革时代。工业革命以来，化石能源的大规模开发有力地推动了人类文明的进步，也带来资源匮乏、环境污染、气候变化、健康贫困等问题。推动世界能源转型，是实现全人类可持续发展的必由之路［1］。从能源行业发展趋势来看，电力在我国终端能源的消费比重将不断增大，清洁低碳是能源发展的主要趋势［2-3］。

近年来，我国风电、光伏发电持续快速发展，成本显著降低，开发、建设质量和消纳利用水平显著提升，为建设清洁、低碳、安全、高效的能源体系发挥了重要作用［4］。各省级能源主管部门应按照国家可再生能源“十三五”相关规划和本区域电力消纳能力，按风电和光伏发电项目竞争配置工作方案确定需纳入国家补贴范围的项目［2］。竞争配置工作方案应严格遵循公开、公平、公正的原则，将上网电价作为重要竞争条件，优先建设补贴强度低、退坡力度大的项目［4］。

这些政策的出台，给光伏行业指引了发展方向，但电价补贴的降低甚至取消也给建设单位、设计单位等参建单位提出了新的要求。竞价上网或平价上网光伏项目规划的装机容量一般都很大，这样有利于成本分摊。目前青海等西北省份已规划出能源基地，并利用特高压通道，实现电能的大容量集中输送、远距离消纳。本文根据西北地区某光伏发电站的气象环境、设备技术特点，对比了不同的设备组合方案，并结合工程造价分析，比选出该发电站最优的设备方案，供相关设计人员参考。

1 光伏发电行业的发展概况

我国的光伏发电行业从20 世纪80 年代开始起步，在“六五”和“七五”期间，中央和地方政府将光伏行业与扶持资金相结合，使我国小微型太阳能电池企业得到初步发展，并通过开展一批示范性工程，拉开了我国光伏发电的前奏。近10 年来，光伏发电行业发展尤为迅速。“光明工程计划”“金太阳示范工程”“领跑者计划”“竞价（平价）上网”等政策、计划，促进了光伏技术产品的应用和产业升级。

得益于政府的扶持及国内外广阔的市场需求，我国的光伏组件、逆变器等设备在技术及市场占有率方面均走在世界前列。世界各国都在不断刷新光伏组件转换效率。近几年，晶硅组件涌现出叠瓦、半片、黑硅、双面、多主栅（MBB）、发射极和背面钝化电池（PERC）、N 型单晶硅钝化反射极完全扩散电池（N-PERT）等不同类型。国内某组件厂家近期公布其60型PERC双面组件的正面转换效率已达到22.38%［5］，刷新了该项世界纪录。各种型式的光伏逆变器的单机额定功率、转换效率、交直流侧额定电压都在不断提升，以减少电量损耗、提升发电量。另外，电气设备的集成度越来越高（例如电站采用预装式设备）可有效减少设备安装的成本、工期［6-7］。

但是对于竞价（平价）上网项目，是不是设备技术越先进越好？笔者认为不一定。作为竞争配置项目的重要竞争条件，平价上网项目的上网电价按所在地燃煤标杆电价执行，因此控制工程造价、降低度电成本是关键。各种设备都有各自最适用的条件范围，要综合考虑技术先进性及工程造价。

2 各逆变器类型分析及选型要点

行业内主流光伏并网逆变器有集中式逆变器、集散式逆变器、组串式逆变器3种类型，2018年在我国的占比分别为34.6%，5.0%，60.4%［6］，单价约为0.130，0.180，0.200 元∕W。光伏发电站的建设规模、地形地貌、环境温度、相对湿度、海拔高度、地震烈度、污秽度及盐雾情况是决定其组件布置及设备选型的关键。以西北地区某电站设备选型为例，此地土地成本较低、地势平坦，拥有多路最大功率点追踪（MPPT）的组串式逆变器虽然能极大程度地避免组串失配导致的发电量损失，但其价格劣势会被放大，宜选择价格优势较大的集中式逆变器。

目前市场主流类型逆变器直流侧输入最大电压和配套组件的最大电压1.0 kV：集中式逆变器单机功率630 kW，交流侧输出电压360 V；集散式逆变器单机功率1.00 MW，交流侧输出电压520 V；组串式逆变器单机功率125 kW，交流侧输出电压500 V。

随着逆变器行业及技术的发展，目前逆变器直流侧最大输入电压可达1.5 kV：集中式逆变器的单机额定功率最大可达3 125 kW；集散式逆变器的单机额定功率可达3 150 kW；组串式逆变器的单机额定功率可达225 kW。较1.0 kV 的逆变器，1.5 kV的逆变器最大单机额定功率更大、直流侧每串组件数量更多、交流侧输出电压更高、线损较小，而两者价格相差很小。所以从技术角度分析，大型集中式光伏发电站宜选用1.5 kV的逆变器。

根据目前光伏行业的发展情况，美国、印度、中国将是2.00 MW 以上逆变器的主要市场。随着地面电站广泛采用1.5 kV的系统，预计2022年上述三大市场的1.5 kV 逆变器在全球的占比将超过65%，且需求量均将超过5 GW。

3 就地升压变压器选型要点

大型光伏发电站逆变器交流侧低压电需通过就地升压变压器升至10 kV或35 kV电压等级，然后通过集电线路接至升压站（开关站）。就地升压变压器型式原则上推荐采用箱式变压器（以下简称箱变），目前常用的箱变类型有美式箱变、欧式箱变、华式箱变3种，适用范围及优缺点如下。

（1）美式箱变结构紧凑体积小、安装方便，箱体具有散热性能好、适用性强、运行维护简单、价格低等优点，适用于大型地面电站、山地电站等大部分类型的光伏发电站。

（2）欧式箱变采用各单元相互独立的结构，安装方便、性能可靠、防护能力强。发生故障时，单元更换方便，可通过高压负荷开关遥控操作。它是三者中价格最高的，适用于全部类型的光伏发电站，特别适用于例如渔光互补型、分布式等对防火及环保要求高的光伏发电站。

（3）华式箱变集合了美式和欧式升箱变的优点，构紧凑体积小、安装方便，性能可靠、箱体散热性能好，高压负荷开关可进行遥控操作，价格介于美式箱变和欧式箱变之间，适用于大型地面电站、山地电站等大部分类型的光伏发电站。

常规光伏区发电单元由1 套逆变器和1 套箱变组成。近几年，电厂多将逆变器和箱变集成为预装式光伏并网逆变装置，该装置集成有逆变器、电力变压器、高低压开关设备和控制设备等装置，拥有体积小、集成度高、逆变器和变压器可统一维护、系统总投资成本低、系统效率高等优点［8-9］。

2008 年，预装式光伏并网逆变装置占比达到80%，预计到2025年，其占比将达到90%［8］。

4 电缆选型要点

根据GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》第3.1.2 条：电缆导体材质可选用铜导体、铝导体或铝合金导体［10］。我国铜资源贫乏，但铝加工技术发展迅猛，从技术、价格、安全、资源利用等方面综合分析，“以铝节铜”已成为电缆行业的大趋势［11］。相对于比铝芯电缆，铜芯电缆拥有电阻率低、延展性好、机械强度高、抗疲劳、熔点和稳定性高等优点；相同载流量的铝芯电缆价格约为铜芯电缆的1∕3，且在同等载流量下，铝芯交联电缆比铜芯交联电缆轻，便于运输和安装，可减少人工费用，在桥架等环境敷设时对机械支撑要求也会降低［12-13］。

大型光伏发电站占地面积大、直流及交流系统集电线路长、电缆总体造价较高，用铝芯电缆代替铜芯电缆以节省可观的初始投资，进一步降低造价，并且不会降低工程质量。上述材料选择在容量越大的光伏发电站方阵优势越明显。

5 逆变器组合方案的经济分析

5.1 逆变器组合方案

以青海格尔木地区某3.15 MW 的光伏发电站为例，综合比较采用集中式逆变器和组串式逆变器2种方案：集中式逆变器选自S厂，输入电压1.5 kV，输出电压0.6 kV，MPPT 范围为875～1 300 V；组串式逆变器选自H 厂，输入电压1.5 kV，输出电压0.6 kV，MPPT 范围500～1 500 V。组件均选用J 厂的单晶高效400 Wp组件，最大系统电压1.5 kV。

根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》6.4.2-1 及6.4.2-2 的公式［14］，计算出光伏组件串的串联数为26块，方阵布置如图1所示。

图1 不同逆变器方阵的布置Fig.1 Layouts of different inverter arrays

5.2 工程造价分析

在不考虑高压集电线路及雷同设备（组件、支架等）影响时，仅计列不同设备的成本，采用预装式光伏并网逆变装置的集中式逆变器方案与串式逆变器方案的造价对比见表1—2。

表1 采用集中式逆变器方案工程量价格Tab.1 Bill of engineering quantity adopting centralized inverter scheme

表2 采用组串式逆变器方案工程量及价格Tab.2 Bill of engineering quantity adopting centralized inverter scheme

以3.15 MW 的方阵为例，在忽略高压集电线路影响的情况下，采用组串式逆变器比采用集中式逆变器的方案造价高21.47 万元，对于一座装机容量200 MW 的光伏发电站，总体造价相差约1 352.00万元，折算单价相差0.067 元∕W。

6 结论

通过以上对比分析，对于大型地面电站等类型电站，逆变器宜优先选用1.5 kV 集中式逆变器；就地升压变压器选用美式箱变，箱变和逆变器（采用集中式、集散式逆变器适用）宜选用预装式光伏并网逆变装置；电缆可选用铝芯电缆；光伏方阵可通过技术经济比较选用3.15 MW甚至更大容量。

相对集中式逆变器，集散式及组串式逆变器拥有多路MPPT，技术先进，对组件失配影响最小，具体选型还需根据项目特点进行，对于就地升压变压器能否采用铝绕组以及方阵采用更大容量能否进一步降低工程造价也值得后续再研究。