山地光伏电站的集中送出开关站设计特点简介

2021-09-28戚宏勋

中国设备工程 2021年18期

戚宏勋

（中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063）

光伏发电项目属于绿色清洁能源，是国家实现碳达峰、碳中和3060目标需大力实施的重要举措，而山地光伏项目又是光伏发电项目的几种主要形式之一。在我国东南地区存在大量丘陵地貌，丘陵绝对高度不高，顶部较为平缓，在同纬度地区中光照相对充足，适合开发光伏项目。同时，在丘陵地貌的低矮山丘之间，道路狭窄曲折，平地资源稀缺，给项目集中送出开关站选址、设备运输吊装、高效施工等均造成影响，这些问题在集中送出开关站的设计阶段均需予以关注和讨论。

1 站区整体布置优化

在丘陵山区蜿蜒起伏的山峦之间，很难找到一整块平地作为送出开关站的站址场地。多数情况下，需人工开凿山体边坡，平整出部分平地以凑足所需面积。这就要求，在山地光伏项目中的集中送出开关站要尽量布置紧凑，减少占地，最大化降低工程场平工程量。

通常，将集中送出开关站布置在山脚下、乡道旁，可方便设备运输吊装及减少山体边坡开挖量。如站内设置环形道路，则需考虑进出站道路与之的衔接。当站址标高与乡道一致时，进出站道路可直接与站内道路衔接。如为了减少山体边坡开挖量而抬高站址标高，则势必需增设进出站道路延伸段，以弥合乡道与站址标高之间的高差，将增加相应的土建工程量，这与抬高站址标高所减少的山体边坡开挖及支护工程量之间，需经技术经济比较后，才能明确站址标高的抬高高度。某山地光伏项目35kV开关站的三种站址标高对应的进站道路、边坡开挖及相应费用、工期对比如图1和表1所示。

图1 不同站址标高对应的边坡支护与进站道路平面布置

表1 不同站址标高土建工程量技术经济对比

由图及表可知，站址标高与乡道平齐的a方案，与站址标高抬高2.5m后的b方案的总费用十分接近，考虑到进站道路还需新增征地等政策处理工作，且工期更长，最终该项目采用了a方案。

根据光伏发电站设计规范(GB 50797)，站内道路的主要功能是满足设备运输、安装和运行维护的要求，并保留可进行大修与吊装的作业面。当开关站设置在乡道边时，如果站内设备配置较为简化，可考虑取消站内道路，改为将所有设备面向乡道一字排开，同时适当提高站址标高，并在靠道路侧设置挡墙。考虑到50t汽车吊的吊车操作舱高度及起吊高度，建议站址标高以高出路面2m为宜，并尽可能与乡道间空出一块3～4m宽的狭长地带。

这样，利用狭长地带及小部分乡道宽度，即可在不影响社会车辆通行的前提下，完成大型设备的运输车辆停靠、吊装机械就位等布置；当站内发生火灾时，该区域也能满足消防车停靠灭火的空间需求。站址的抬高，可显著降低边坡开挖量，节省施工时间。一种典型的50MW以下山地光伏项目35kV开关站靠路边紧凑布置如图2所示。

需要说明的是，用于建筑材料、小件设备、小型机械工具等摆放的施工临建堆场，也需要在站址选址时一并进行考虑，面积约200m2，距离站址不宜过远。

2 预制舱的应用

由于山地光伏项目的平地资源稀缺，以及光伏项目的建设周期十分短促，故主要电气设备采用工厂预制的集成箱体式设备已是目前普遍的做法。

2.1 预制舱与集装箱的差异

预制舱与集装箱均是目前普遍采用的集成箱体式电气设备布置方案，均可实现工厂化集成安装、舱内接线及单体调试，大幅减少现场安装调试工作量，与集装箱相比，预制舱还具有以下特点：

（1）集装箱尺寸相对固定，无法内置体积较大的电气设备，如35kV开关柜。而预制舱的舱体可根据设备尺寸定制，按内部设备配置的不同要求，设置不同的检修门、进出线开孔等，方案多样，可满足用户的不同需求。当舱体较大时，还可对舱体进行分隔分段运输，现场拼装。分舱运输过程中，采用舱内临时斜撑加固、分舱拼接处采用相互叠压封板，并用临时横档方管螺栓固定等措施，保证结构强度、密封等技术要求。

（2）预制舱顶通常采用双坡斜顶结构，雨檐设计，坡度不小于5%，与集装箱的平顶结构相比，斜顶结构更利于防水密封，对于多雨雪天气的地区，该结构较集装箱更为适应。

（3）预制舱防护要求除了IP等级的要求，还增加了IK等级要求。

图3 某山地光伏电站大尺寸预制舱分段运输及现场拼装

2.2 二次设备预制舱布置的优化

与电网常规110kV/35kV变电站的二次屏柜相比，光伏电站集中送出开关站内的二次屏柜多数与之相同，区别主要在于光伏电站内还需增加发电侧所需的AGC/AVC功率控制系统屏、光功率预测系统屏、安全稳定控制屏等，此外，根据系统整体设计，可能还需要增设光伏智能云系统屏、智能光伏无线传输系统屏等。

对于二次屏柜数量的优化，主要是从系统功能的下放与合并入手。比如，公用及时钟同步电能计量柜，与在电网变电站中相比，光伏电站中并没有那么多回馈线需要电能计量，故其屏内的接线较少，设备也相对简化，仅有电能质量监测装置、电能计量采集终端两台设备，可下放至高压开关柜的母线设备柜中，与计量电度表一起放在该柜的二次小室内。公用及时钟同步电能计量柜内的另一台设备——时钟同步装置，本身体积不大，且功能相对独立，可并入柜内富余空间较多的屏柜，如故障录波器屏、监控主机及远动通信屏等。

除了尽量精简屏柜数量，一些厂家的二次屏可实现屏前接线，如预制舱配套采用这些厂家的二次屏，则可采用二次屏面对面，背面紧靠两侧舱壁的两列布置方式，如图4所示，与传统的屏后接线屏前后均需要留出操作和巡视通道相比，采用屏前接线屏可使二次设备预制舱的尺寸大幅缩小，占地空间得到了优化。

图4 两种不同屏位布置方式的二次设备预制舱

3 SVG成套装置选型

根据光伏电站无功补偿技术规范（GB/T 29321）的要求，通过35～110kV电压等级接入电网的光伏发电站，其并网点电压偏差为相应系统标称电压的-3%～+7%；事故后恢复电压为系统标称电压的±10%。

光伏电站的无功电源通常包括并网逆变器和集中无功补偿装置两大类。当并网逆变器的无功容量不能满足系统电压与无功调节需要时，应在光伏发电站配置集中无功补偿装置，并综合考虑光伏电站各种出力水平和接入系统后各种运行工况下的暂态、动态过程，配置足够的动态无功补偿容量，动态无功响应时间应不大于30ms。

目前光伏电站中普遍配置SVG（Static Var Generator静止无功发生器）作为动态无功补偿装置，主要由控制柜、功率柜、电抗器等组成，其基本原理是将桥式变流电路通过电抗器并联在电网，该电路采用IGBT为主要元件，适当调节桥式变流电路输出电压的相位和幅值或者直接调节其输出电流，使该电路能够快速连续地吸收或者发出满足要求的无功功率，实现考核点恒定无功、恒定电压和恒定功率因数等的控制要求，保障电力系统稳定、高效、优质地运行，SVG电气拓扑结构示意如图5所示。

图5 SVG电气拓扑结构示意图（户内直挂式）

根据配置容量的不同，35kV电压等级SVG成套装置的并网连接方式，目前主要有直挂式和降压式两大类。对于10Mvar及以上容量普遍采用直挂式，即将一套35kV级SVG成套装置通过外置串联电抗器直接并联到35kV母线上。而5Mvar及以下容量普遍采用降压式，通过一台35kV降压变压器连接一套10kV级SVG成套装置。

在光伏电站中，一般均采用户外型SVG，通常为集装箱式，根据冷却方式不同可分为水冷和风冷两大类。采用风冷方式时，在集装箱的侧壁集中安装一组风机对成套装置进行冷却；而采用水冷方式，在集装箱的端部布置独立的水冷系统，并通过一组外置独立的热交换风机对水冷系统进行热交换，水冷方式较风冷方式的密闭性更好，噪音更小，对成套装置的长期稳定运行更有利，但也将使设备总价较风冷方式抬高约15%。

对于5～10Mvar容量的SVG成套装置，并网方式采用直挂式与降压式均可，具体需根据场地实际情况经布置比较后确定。而对于冷却方式，在山地光伏项目中，集中送出开关站所处环境的湿度、扬尘等均较大，并且从降低对附近村庄噪音污染考虑，建议条件允许时均采用水冷方式。一种典型SVG成套装置（9Mvar）的直挂式与降压式设备布置如图6所示，由于直挂式布置中采用外置干式空芯电抗器，需要考虑防电磁感应的空气距离要求（一般取不小于1.7倍电抗器外径），而降压式布置中的降压变压器采用箱式干变，无防火间距要求。此外，相同容量的SVG成套装置，35kV级也比10kV级外包尺寸更大。故采用降压式比直挂式的设备布置占地面积明显减小，当场地受限时，建议采用降压式。