益阳北港长河100MW 渔光互补型光伏电站电气优化设计

翟程远

（ 上海寰蔚电力工程有限公司，上海200002）

光伏发电是一种清洁能源，既不消耗资源，释放污染物、废料，同时也不产生温室气体破坏大气环境，是一种绿色可再生能源。同时与相同发电量的火电相比（根据2018 年我国火电供电标准煤耗312g/KWh），每年可节约标煤4.25 万t，相应可减少废气排放量：SO2约1005t，NOx 约1509t，CO2约10.89 万t，节约用水75.1 万t，并尽可能减少火电站相应的污废水和温排水等对水域的污染。

而漂浮式“渔光互补”的光伏电站模式，是利用光伏发电产业与渔业养殖产业相结合，在河道水面上铺设漂浮式浮体整列，将光伏板布置于浮体之上而不影响浮体下方水中的渔业养殖。不仅节约了陆地光伏电站的占地面积，又不影响水域中的渔业养殖，既能缓解了能源紧张的电力缺口，产生清洁电力，又能带动渔业养殖行业发展，实现能源与渔业的综合开发。

1 项目概况

大唐华银益阳北港长河100MW 渔光互补光伏发电项目位于湖南省益阳市沅江市泗湖山镇北港长河水域。项目是典型的江河水域，为西东走向的长条状水域，水域面积约2200 亩，河道宽度在125m-245m，平均水深1-4 米，可布区域河道长度约8000m。项目总装机容量121.992MWp/100MWAC，位于北港长河水域，建成后并入湖南电网。

2 电气方案设计与优化

本工程光伏组件阵列和箱逆变升压一体机安装方式采用水上漂浮式，共设32 个发电单元。光伏组件容量为430-440Wp的单晶大功率组件共279058 块，采用固定倾角运行方式。太阳能光伏电站主要由光伏组件阵列、直流汇流箱、集中逆变升压一体设备、集电线路、并网升压站、送出线路等系统组成。

光伏组件经日光照射后，形成低压直流电，光伏组件并联后的直流电采用电缆送至汇流箱汇流后，接入箱逆变一体机，逆变升压至35kV 通过4 回集电线路接入本侧升压站升压至110kV，通过29 公里输电线路送至110kV 草尾变，待110kV 光复变建成后再重新转接。

2.1 电气主接线优化

本工程项目采用分散发电、集中控制、单点并网的技术方案。100MW 光伏并网发电系统采用440Wp 组件，由40 个2.5MW 方阵，分5 路集电线路接入升压站。因项目电费计量区别，其中一个方阵经单母联络断路器接入35kV 母线，原主接线如图1 所示。为考虑升压站中压柜总体成本，经本文2.2 部分逆变器数量优化以及与供电公司、业主方沟通后，同意35kV 专线并网单独计量，减少一路集电线路和一台联络开关柜，现主接线图如图2 所示。

35kV 侧采用单母线接线方式，经接地变后小电阻接地，升压变1 回，光伏进线4 回，SVG 进线1 回，接地变兼站用变进线1 回。35kV 母线汇流后，经一台100MVA 主变压器升压至110kV，再经110kV 组合电器并入电网。

图1 原电气主接线示意图

图2 现电气主接线示意图

2.2 逆变器及箱变容量配比设计优化

本项目为大型光伏并网电站，若选用组串式逆变器，虽然能提高综合发电效率，但电缆与设备量的增多将显著抬高EPC成本，所以采用大功率3.125MW 集中型逆变器，并与升压变一体集成在箱式壳体内，极大的简化了系统接线。同时，项目地点位于河道中，考虑到整体运输、吊装作业及水面布置，大功率集中逆变器更有利于现场施工。根据系统总容量100MWAC，可选择40 台2.5MW 的箱逆变，或者32 台3.125MW 的箱逆变。在设计阶段，通过比较分析不同容量的箱逆变一体机数量与价格，以及对集电线路数量、光伏厂区直流电缆量的差异，具体如表1所示。

表1 箱逆变选型对比表

通过上表对比可见，采用大容量的箱逆变一体机，虽然增加了光伏区域直流电缆的用量，但每瓦设备价格，以及集电线路设备电缆价格均大幅度降低，约节约248 万。综合考虑设备集成性与先进性、施工造价、度电成本及项目投资内部收益率等因素，本工程100MW 分为32 个3.125MW 单元，采用集中式3.125MW 逆变升压一体机32 台。

2.3 电气设备布置设计优化

2.3.1 升压站电气设备布置

本项目除生活楼以外，大量采用预制舱模式搭建升压站构筑物，35kV 配电间预制舱、SVG 无功补偿装置预制舱、二次设备预制舱、监控室预制舱、蓄电池室预制舱均采用预制舱。预制舱是近年来发展迅速的一种箱体结构，其舱体的底座底架一般由型钢焊接而成，而舱体的骨架通过焊接装配成一体式的箱式结构，其外壳采用热喷锌防腐或直接采用不锈钢板，以及良好的密封性能，使其需满足电气设备的散热、防尘、防腐、防水等各种性能要求，可以确保电站安全稳定运行25 年以上。

与传统房屋建筑相比，预制舱具有高度组合灵活性，在工厂内提前制作、配对、预安装，方便的运输迁移到项目地后在现场快速拼装。不仅节约了占地面积、土地成本，对土建基础的要求降低、对电力安装工作的减少都带来了有利的影响，使得工期减少的同时，升压站的总投资造价降低3-10 个百分点。

并且110kV 配电装置采用GIS 型式，大大缩短了建设周期，从开工到并网仅用了3 个月左右的时间。

图3 升压站布置示意图

本项目的升压站电气布置如图3 所示。（序号1 综合楼，2回用水池，3 调节池，4 事故油池，5 消防泵房，6 风机棚，7.35kV开关柜预制舱，8 主变压器，9 接地变、低压柜，10.SVG 无功补偿室,11 监控室，12 二次预制舱，13 蓄电池室，14 雨水泵房（预留），15 生活污水处理室。）

2.3.2 光伏场区电气设备布置

光伏厂区发电系统由32 个3.125MW 方阵构成，考虑到河道宽度、水位与水流变化对浮体漂移的影响，以及底部锚固系统的稳固性，采用每2 个方阵组成一个浮体整列。集中逆变升压一体机原布置在两个浮体方阵的中央，但顾及到维护检修的便利性，在不增加汇流电缆的前提下，决定将其布置在浮体方阵的北侧，如图4 所示。

图4 浮体方阵布置示意图

2.4 光伏场区接地系统优化

接地系统是所有电气设备、光伏电站的安全保障，由于本项目光伏场区的组件、汇流箱、逆变器升压变都布置在漂浮式浮体上，其布置空间分散、占地面积巨大，所以接地材料的选择对接地网而言至关重要。普通接地网中常采用镀锌扁钢作为接地材料，在水面光伏区域，由于水汽和盐渍等因素引起的腐蚀问题尤为突出，需要面临更多的维护工作。所以在设计中，选用一种耐腐蚀性能良好的接地材料须引起重视。

对于耐腐蚀性而言，Cu 铜与ARC 铝合金材料都是理想的接地材料。经过综合比较，ARC 接地合金利用铝材的原生高耐蚀特性，耐腐蚀性是镀锌钢的6 倍，而造价ARC 接地合金较铜包钢接地降低20%，全寿命成本ARC 接地合金是镀锌钢接地的1/4，一次投入成本ARC 接地合金是铜接地的50%此外，铜、覆铜钢均采用热熔焊方式，镀锌钢采用普通焊接+防锈涂料方式,而ARC 接地合金可采用氩弧焊、火焰焊或机械连接。在面对各种不同的施工条件时，ARC 接地网的施工过程更快捷、高效，即使其表面发生氧化时，仍然可以保持较好的电气导通性能。从免维护、耐腐蚀的角度，更适合在水面光伏电站应用。

本工程选用ARC 铝合金材料作为主要接地体，在光伏组件支架之间以接地线（AWG12）相互连接后，再与主接地网相连。在各光伏方阵内设置连接各光伏组件和逆变器等电气设备的均压网，不少于两点与主接地网可靠连接，光伏区域因一个方阵浮体面积较大，根据现场实际情况分割成多个接地网，配置水下垂体。独立的接地网接地电阻不大于4Ω，每个独立接地网至少有2 处引入水中。

2.5 无功补偿与电能质量优化

新能源电站的发电功率与天气、气温等自然因素紧密相连，具有极大的不确定性、随机性和波动性。这种不稳定性在电力系统中，会对并网电压与电能质量造成影响。以往通常采用静止电容器作为无功补偿装置，但随着电力系统的发展，对无功补偿的响应速度、调节精度提出了更高的要求。目前，新能源电站大量采用SVG 装置作为无功补偿调节装置，SVG 通过IGBT 模块调节电压与电流的角度，能迅速、精准的输出无功功率，响应电力系统对无功的需求。一般分为直挂式SVG 与降压式SVG，在大于8Mvar 以上时，无论从性能还是经济角度，都是直挂式更占优势。

本工程无功补偿计算分为厂内部分与系统部分，系统根据接入系统专业报告，线路正常运行时需补偿的感性无功损耗约为6.77Mvar。升压站内主变满载时无功损耗约为10.5Mvar；一体机升压变为226.6Kvar，共32 台为4.76Mvar。北港长河光伏电站主变与箱变之间35kV 集电线路为三芯电缆，线路总长约12.91km。按最大导体截面的单位电感为0.346mH/km,总感性无功损耗为0.41Mvar。按最大导体截面的单位每相电容为0.211uF/km,总充电功率为1.2Mvar。

总而言之，所选用的35kV 水冷直挂式±24Mvar 静止无功补偿装置（SVG），可以为全范围连续调节无功补偿装置，该无功补偿装置能够实现动态的连续调节以控制并网点电压，并满足电网电压调节的要求。同时，SVG 无功补偿装置可有效治理13次谐波，提高电能质量。

3 效果分析

综上所述，在初始方案中电气主接线经优化后，减少了2 台35kV 开关柜及相应预制舱的空间，节约费用25 万。另一方面，选择大容量的集中性逆变器，虽然增加了电缆用量，但降低了每瓦造价，亦减少了一条集电线路，整体降低约248 万。接地系统材料的选择在初期投资虽高，但后期维护费用的降低及便利性，足以抵消最初的投资差额，具有更高的性价比优势。无功补偿方面，SVG 的选用已成为新能源电站达成的共识，其冷却方式（风冷/水冷）及模式(直挂/降压）对价格影响较大，而其容量8Mvar 则是选择何种冷却方式与模式的分水岭，往往需通过计算后确定。

最后益阳北港长河100MW 渔光互补光伏发电项目在建成后第一年光伏电站年平均上网电量13419.1 万kWh，年等效满负荷运行小时数约为1100h，在运行期二十五年内的光伏电站年平均上网电量12569.7 万kWh，年等效满负荷运行小时数约为1030.4h。

4 思考与体会

在光伏电站建设过程中，如何选用设备匹配整个系统，使得系统达到最佳状态，以及在最小的投资下获得最大的收益（发电量），设备选型是首要考虑的问题。同时光伏组件的选择，逆变器的选择，集电线路电缆或架空线的选择，也都关系到整个发电厂效率及收益。

而对于渔光互补光伏项目，由于漂浮于水面，光线通过水面反射到一定面积的光伏面板，并且大面积的水域环境可有效降低光伏发电系统的平均温度，综合效益可使发电量较相同容量的地面光伏电站增加5%左右的发电量。

同样还需要注意的是，在新能源项目的升压站里，相较于以往的火电和核电工程，一般发电机的功率因数在0.8～0.85，对于厂用电来说，无功容量足够，无需另外再补充无功。而光伏项目，因为逆变器的功率因数可达99%以上，所以厂用电、升压站、及送出线上需要补充无功容量以满足电网电压稳定性的需求。而无功容量、电能质量的需求，也无疑给今后新能源电站提出了新的要求与挑战。

5 结论

本文主要介绍了益阳北港长河100MW 渔光互补光伏电站电气优化设计思路，具体从主接线、逆变器箱变容量配比、电气设备布置、接地系统、无功补偿等方面展开，重点进行方案对比并计算了相关设计参数，同时经分析发现光伏新能源电站的设计与传统火电机组有着很大的不同，需要精益求精，因其整体投资、单位造价低于传统火电厂，所以即使在设备上的部分优化也会对经济指标产生显著的变化，影响整体决策。故最后，在此也希望通过本文的研究能为后续的水面漂浮式电站电气方案设计提供重要借鉴。