5MW 分布式屋顶光伏发电系统与电气一次设计

林 淦 俞先锋 史珍珍

(浙江水利水电学院 电气工程学院,浙江 杭州310018)

在当今这个科学技术水平发展迅速的时代下,人们也越来越意识到长期以来采用的传统发电方式的不合理性,于是纷纷开始寻找清洁可持续的发电方式,近些年来屋顶光伏发电技术因其独特的优势而受到关注,渐渐地形成产业并带动经济发展,未来必定会成为电力工业建设中较为重要且不可缺少的一个部分。本文中,在分析屋顶光伏电站所在地点的地理条件以及太阳能资源的情况下,参考了大量已有的光伏电站设计资料以及相关设计规范,提出了10kV/5MW 分布式屋顶光伏发电系统与电气一次的设计方案,整个设计方案力求规范、可靠和优化性。

1 光伏电站的总体设计思路

该屋顶光伏电站位于杭州地区的某一厂用建筑,该电站的光伏组件均布置在厂房的屋顶,四周无遮挡物,屋顶类型为混凝土屋顶,经初步计算占用厂房屋顶面积约5 万平方米,电站容量为5MW。

该光伏电站的总体设计框图如图1 所示。本次设计主要分光伏发电系统和升压并网电气一次系统两部分内容,其中光伏系统部分设计主要完成光伏阵列设计、直流汇流箱以及组串式逆变器的选型,升压并网电气一次系统设计主要完成低压侧开关柜、母线、SVG、主变以及网侧开关柜相关设备选型、短路电路计算以及防雷接地设计等,如图1。

2 光伏发电系统的设计

2.1 光伏阵列设计

光伏阵列由一定数量的光伏组件组串用直流汇流箱并联构成。近些年来,多晶硅电池在中国的市场变得越来越好。虽然单看电池的转换效率,单晶硅要更优,但是如果考虑到性价比,多晶硅是低于单晶硅的[1],权衡利弊条件,选用280Wp 的多晶硅组件。组件的安装方式根据厂方水平混疑土屋顶的条件,以及参考文献[1-3],选用最理想倾角固定安装方式,朝向正南,倾角为23°[4],为防止产生的阴影影响效率[5],组件间隔为1.17 米。

为确定光伏组件组串数量,根据GB50797-2012《光伏发电站设计规范》按式(1)和(2)进行计算,得：

图1 光伏电站总体设计框图

即串联光伏组件的数量N 为：1 3.8 ≤ N≤24.4,因此选择每组串联的组件数量为22 块。

整个光伏系统配置48 台直流汇流箱,每16 路光伏组串接入一个(16 进1 出智能直流)汇流箱,每路将串联22 块光伏组件。本设计中多晶硅组件的平面布局图[6]如图2 所示。

图2 光伏组件布置图

2.2 直流汇流箱及电缆

汇流箱在光伏发电系统中是保证光伏组件有序连接和汇流功能的接线装置。本次选择的直流汇流箱如表1 所示。

2.3 逆变器的选型

逆变器需要首选容量较大的设备,因为一台大容量的设备和几台小容量的设备相比,大容量设备后期维护成本要低得多,因此考虑到各方面因素,本设计方案选用5 台容量为1MW 的组串式逆变器,逆变器输出为320V 三相交流。

3 电气一次设计

表1 汇流箱及电缆相关参数

表2 短路计算结果

3.1 电气一次主接线

电气主接线的设计最基础的要求要做到保证可靠性和安全,确保能产出符合要求的电能,同时也要尽量控制成本。如图3 所示,光伏发电系统通过5 台组串式逆变器逆变,后分5 路经低压侧开关柜连接320V 母线,然后以单母线接线方式连接1台主变,经升压至10kV 后,通过高压电缆连到高压侧开关柜内,并通过开关柜实现并网。

图3 电气一次主接线图

3.2 短路电流计算

如图4 所示,建立等值网络图,图中标注了k1、k2、k3 三个不同的短路点。根据等值网络图进行短路电流计算。

因为主变额定容量5MVA,阻抗电压Ud=8%,线路L1长6km,L2长0.5km,L3长0.3km。经过计算[1]得出如表2 所示数据。

3.3 主要设备选型

实际情况中设备的选型要根据具体的设备工作条件来决定,但设备选型的基本要求本质(按正常情况选择,按短路情况校验)是一致的。

3.3.1 主变压器的选型

图4 等值网络图

在选择变压器的时候要考虑到变压器的大小是否合理,情况允许可以选择尽量大容量的变压器。该光伏电站的总装机容量为5MW,因为光伏电站的负荷率低,逆变器的功率因数为1左右,可以选择等于光伏电站容量的主变压器。因为太阳能电池组件输出的电能大小是根据太阳光照射强度决定的,所发无功也是瞬时变化的,这样会引起升压站母线电压波动,对电站的运行不利,所以主变采用有载调压方式。综上所述,本设计方案选用1 台容量为5MVA、有载调压、阻抗电压为8%的三相户外式油浸升压电力变压器。本设计要求变压器低压侧的电压为320V,需要与厂家沟通定制。

3.3.2 10kV 母线选型

3.3.2.1 按长期允许电流来选择,母线的最大可持续电流为288.68A。选用型号为ZRC-YJV22-6/10-3*240 的钢带铠装阻燃交联聚乙烯绝缘电缆,其质地较硬,在标准环境25℃下导体温度70℃时的长期允许载流量为353A。导体长期允许载流量为 296.52A 大于288.68A 故符合要求。

3.3.2.2 按经济电流密度选择,J 取1.65,经计算应尽量接近174.96 平方毫米的截面。

3.3.2.3 热稳定校验

主保护动作时间tp=0.05s,断路器全断开时间tb=0.15s,则计算时间为tk=tp+tb=0.2s。

满足热稳定要求。

所以本设计选用型号为ZRC-YJV22-6/10-3*240 的钢带铠装阻燃交联聚乙烯绝缘电缆,标准环境载流量为353A,长期允许载流量为296.5A。

3.3.3 0.32kV 母线选型

本次项目0.32kV 母线选用型号为为涂漆的LF21 铝锰合金管,标准环境载流量为11230A,长期允许载流量为9433A。(选型方法同10kV 母线)

3.3.4 开关柜主要设备选型

开关柜主要设备选型如表3 所示。

表3 开关柜主要设备相关参数

3.4 无功补偿装置选型

配置无功补偿容量必须考虑一定的裕度,且经过计算[8]推荐本电站配置一组-47.8kvar～+575kvar 的动态无功补偿装置SVG,动态调节响应时间不应大于30ms。

3.5 防雷与接地

本设计的所在地出现雷暴的时间较少,虽然太阳能组件安装的高度较高,但受到直击雷打击的可能性还是很低,故在光伏组件方阵内不安装避雷针和避雷线等防直击雷的设备。

由于光伏组件采用铝合金支架,因此受到感应雷的破坏的几率会比较大。为预防这种情况发生,要确保每一组支架与接地网的焊接要可靠,在汇流箱和配电柜里都要设置正负极对地过电压保护器。在升压站内设置独立避雷针对主变、配电装置以及母线进行保护[9]。

4 结论

上述对厂房屋顶分布式光伏发电站基本按照光伏电站设计流程和规范完成设计,依据屋顶可利用面积和电站容量确定光伏发电系统的基本组成以及设备选型,然后对电站升压并网部分的电气一次部分进行设计。整个设计内容和方案可以为分布式屋顶光伏发电站设计提供一个较好的参考。