我國西北、華北等地區(qū)的太陽能資源豐富、地勢平坦、地廣人稀,且土地租金便宜,非常適合建設(shè)大型地面光伏電站,但在此地建設(shè)大型地面光伏電站的唯一制約因素就是此類光伏電站遠(yuǎn)離負(fù)荷中心,其所發(fā)電能無法就地消納,需要遠(yuǎn)距離輸送,導(dǎo)致光伏電站的投資與損耗均較大。但隨著國內(nèi)特高壓技術(shù)的飛速發(fā)展,跨省、跨區(qū)域特高壓通道在陸續(xù)規(guī)劃中,此制約因素造成的影響也在慢慢降低。
大型地面光伏電站主要包括 2 個(gè)部分:光伏場區(qū)與升壓站 ( 開關(guān)站 )。光伏場區(qū)主要以光伏發(fā)電系統(tǒng)為主,電氣設(shè)備主要為光伏組件、匯流箱、逆變器、箱式變壓器、集電線路等。其中,針對地勢平坦的大型地面光伏電站,逆變器宜選用集中式逆變器。光伏發(fā)電單元示意圖如圖 1 所示。
自2010 年至今,隨著國家政策的支持,國內(nèi)光伏行業(yè)的發(fā)展迅速。在行業(yè)發(fā)展初期,采用的集中式逆變器的機(jī)型主要是1000V500kW/630kW機(jī)型,光伏方陣容量一般選用 1MW/1.25MW, 這 2 種逆變器機(jī)型及光伏電站技術(shù)方案沿用了很多年。隨著光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的提高,以及逆變器單機(jī)功率的增大,光伏電站中光伏方陣容量從1 MW、1.6 MW、2.5 MW 逐漸增大到3.125 MW;而從 2016 年開始,國內(nèi)一些逆變器廠家在國外推出了 1500 V 集中式逆變器并大量裝機(jī)投運(yùn)。隨著國內(nèi)光伏補(bǔ)貼下降及政府推出光伏競( 平 ) 價(jià)政策,自 2018 年起,一些逆變器廠家開始在國內(nèi)推廣 1500V 2.5MW/3.125MW 機(jī)型的集中式逆變器,且此逆變器機(jī)型及光伏電站技術(shù)方案已逐漸被用戶認(rèn)可。
國外如越南、印度、非洲等地區(qū)的地面光伏電站選用 3.125 MW 規(guī)格的集中式逆變器時(shí),光伏方陣容量通常采用 6.25 MW。為了驗(yàn)證此光伏電站技術(shù)方案在國內(nèi)是否適用,本文以新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市的氣候條件為例,對在該地區(qū)建設(shè)的大型地面光伏電站選用 3.125 MW 規(guī)格的集中式逆變器時(shí)的光伏方陣容量展開了研究,分析光伏方陣容量選擇 3.125 MW 和選擇 6.25 MW時(shí)該光伏電站的經(jīng)濟(jì)性及可行性。
1 光伏方陣的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及優(yōu)化
1.1 電氣設(shè)備選型
1.1.1 光伏組件選型
根據(jù)材料及制造工藝進(jìn)行分類,太陽電池可分為單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池、非晶硅太陽電池。目前市場上生產(chǎn)和使用的太陽電池多數(shù)采用晶體硅材料制作而成,而相比于多晶硅太陽電池,單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率較高,其市場占有率也在逐年上升。因此,本文案例選用 Z 廠家生產(chǎn)的 72 片型單晶硅光伏組件,最大功率為 440 Wp,最大系統(tǒng)直流電壓為 1500 V。
1.1.2 箱式變壓器及逆變器選型
按照原理及功率來分類,目前市場上的主流逆變器可分為集中式逆變器、集散式逆變器、組串式逆變器。由于吐魯番地區(qū)的地勢平坦開闊,因此,本文案例選用 S 廠家的集中式逆變器,其最大直流輸入電壓為 1500 V,MPPT 電壓范圍為875~1300 V,額定交流輸出功率為 3.125 MW。采用此規(guī)格的集中式逆變器,光伏方陣容量可以選用 3.125 MW 或 6.25 MW。當(dāng)光伏方陣容量選用 6.25 MW 時(shí),為 2 臺 3.125 MW 集中式逆變器接入到 1 臺 6.25 MVA 升壓變壓器。
當(dāng)前選用集中式或集散式逆變器的光伏電站,均將逆變器和箱式變壓器集成為預(yù)裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置,這是因?yàn)轭A(yù)裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置的集成度高,可有效節(jié)省投資。通常預(yù)裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置集成了逆變器、電力變壓器、高低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備等。
1.1.3 光伏方陣容量的選擇
本案例選取新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番地區(qū)某大型地面光伏電站中的 2 個(gè)光伏方陣進(jìn)行對比驗(yàn)證。其中,1# 光伏方陣的容量為 3.125 MW, 2#光伏方陣的容量為 6.25 MW。
1.2 光伏組件安裝傾角及光伏方陣間距的優(yōu)化設(shè)計(jì)
1.2.1 光伏組件安裝傾角的確定
根據(jù)光伏電站所在地的水平面太陽輻射量數(shù)據(jù),利用 PVsyst 軟件可以分析并計(jì)算出在采用固定支架安裝時(shí),該光伏電站場址區(qū)域內(nèi)在最佳安裝傾角下光伏組件傾斜面接收的年太陽輻射量,即光伏組件傾斜面可接收的年太陽輻射量最大值。
采用固定支架、安裝傾角分別為 0°和 36°時(shí),全年內(nèi)光伏方陣傾斜面接收的月均太陽輻射量如表 1 所示。
由表 1 可以看出,經(jīng) PVsyst 軟件計(jì)算,采用最佳安裝傾角 36°安裝時(shí)光伏方陣傾斜面接收的年總太陽輻射量較安裝傾角為 0°時(shí)的有較大提高,且在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中,傾角安裝有利于光伏組件表面排水及自清潔,因此本文光伏方陣選用最佳傾角安裝方式,采用固定支架安裝。
1.2.2 光伏方陣間距的計(jì)算
根據(jù)光伏發(fā)電的原理,光伏組件要盡可能避免被遮擋,因此光伏電站外圍不宜有高大樹木或建 ( 構(gòu) ) 筑物,光伏電站內(nèi)部則要保證光伏組件相互間不遮擋。根據(jù) GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》,光伏組件相互間不遮擋的要求具體為:光伏方陣內(nèi)各排、列及光伏方陣之間的布置間距應(yīng)保證每天 09:00~15:00( 當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí) ) 時(shí)段內(nèi)光伏組件前、后、左、右都互不遮擋。本文研究的間距包括光伏方陣內(nèi)前、后排光伏支架的間距及相鄰光伏方陣的間距,二者南北向的間距取值原則一致,因此本文將二者統(tǒng)稱為“光伏方陣南北向間距”,其示意圖如圖 2 所示。
圖 中,D 為 光 伏 方 陣 南 北 向 間 距,D=D1+D2;H 為光伏方陣垂直高度;Z 為光伏方陣向南傾角;α 為太陽高度角;β 為太陽方位角;r 為光伏方陣方位角;L 為光伏方陣縱向長度;L′為太陽射線在地面上的投影距離。
經(jīng)計(jì)算,D ≈ 12.8 m,考慮到新疆維吾爾自治區(qū)的日照時(shí)間較長,因此D的取值選擇13.0 m。
1.3 最優(yōu)容配比的選擇
根據(jù) GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式,可計(jì)算得到本光伏電站的光伏組件串聯(lián)數(shù)為 26 塊。
光伏發(fā)電系統(tǒng)容配比 ( 下文簡稱“容配比”)是指安裝的光伏組件標(biāo)稱功率之和與安裝的逆變器額定有功功率之和的比值,當(dāng)該比值大于1:1 時(shí),被稱為“超配”。容配比的選擇應(yīng)結(jié)合光伏電站所處區(qū)域的太陽能資源情況、場地情況及工程造價(jià)水平等,經(jīng)技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性綜合比較后確定。Ⅰ類太陽能資源地區(qū)的推薦容配比不超過 1.2:1,Ⅱ類太陽能資源地區(qū)的推薦容配比不超過 1.4:1,Ⅲ類太陽能資源地區(qū)的推薦容配比不超過 1.8:1[1]。
由于吐魯番地區(qū)屬于Ⅱ類太陽能資源地區(qū),所以本光伏電站的容配比選擇 1.22:1。在此容配比下,1# 光伏方陣中交流側(cè)逆變器容量為 3.125 MW,則直流側(cè)光伏組件裝機(jī)容量為 3.8 MW;2# 光伏方陣中交流側(cè)逆變器容量為 6.25 MW,則直流側(cè)光伏組件裝機(jī)容量為 7.6 MW。
1.4 光伏方陣的電氣設(shè)備布置原則及電纜選型
光伏方陣的主要電氣設(shè)備包括光伏組件、逆變器、匯流箱、箱式變壓器及電纜,電氣設(shè)備的布置是否合理對電纜長度及壓降的影響很大。對于采用集中式逆變器的大型地面光伏電站而言,箱式變壓器及逆變器宜布置在光伏方陣中央,這樣可以減小交、直流系統(tǒng)的電纜長度,從而節(jié)省投資。因此,本光伏電站將逆變器和箱式變壓器集成后的預(yù)裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置布置在光伏方陣的中央。
1# 光伏方陣的平面布置圖如圖 3 所示,2#光伏方陣的布置原則和 1# 光伏方陣一致。
本光伏電站的光伏組件至匯流箱的電纜選用型號為 H1Z2Z2-K 1×4/6mm2 的光伏專用電纜;直流匯流箱選用 1.5 kV 24 路,額定輸出電流為257 A;交流電纜考慮直埋修正系數(shù),選用型號為 ZC-YJLV22 1.8/3kV 2×300mm2 的電纜。
光伏方陣容量越大,直流電纜與低壓交流電纜的用量越大,所以電纜用量是在選擇光伏方陣容量時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素。由于本光伏電站位于吐魯番地區(qū),緯度較高,光伏方陣南北向間距較大,所以光伏方陣容量對電纜用量的影響較大。
根據(jù) NB/T 10128-2019《光伏發(fā)電工程電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求,對于集中式和集散式逆變器而言,連接光伏組件、直流匯流箱和逆變器直流側(cè)的直流電纜壓降在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下不宜超過 2.0%[2]。
根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊電氣一次部分》[3]中的公式進(jìn)行直流電纜壓降校驗(yàn),即:
式中,ΔU% 為直流電纜壓降;U 為直流電纜的工作電壓,V;Ig為直流電纜的計(jì)算工作電流,A;Lz 為直流電纜的線路長度,m;R 為直流電纜的電阻,Ω/km。
光伏組件到匯流箱和匯流箱到逆變器直流側(cè)的直流電纜壓降滿足 NB/T 10128-2019 中的相關(guān)要求。因此,H1Z2Z2-K 1×4mm2 型號電纜的長度不超過 98 m,H1Z2Z2-K 1×6 mm2 型號電纜的長度不超過 147 m;ZC-YJLV22 1.8/3kV 2×300mm2 型號電纜的長度不超過 208 m。不同直流電纜壓降下各型號電纜長度的計(jì)算結(jié)果如表 2 所示。
2 不同光伏方陣容量的經(jīng)濟(jì)性對比
1# 光伏方陣及 2# 光伏方陣的電氣設(shè)備選型及設(shè)計(jì)原則一致,由于光伏組件、光伏支架、樁基礎(chǔ)價(jià)格不影響光伏方陣的單瓦造價(jià)對比,所以本文對這部分內(nèi)容不做統(tǒng)計(jì),僅對因光伏方陣容量不同而引起的電氣設(shè)備型號不同,以及影響光伏方陣單瓦造價(jià)的工程量變化進(jìn)行對比分析。
2 個(gè)光伏方陣的電氣設(shè)備、電纜、土建等的工程量統(tǒng)計(jì)分別如表 3、表 4 所示。
根據(jù)表 3、表 4 中 2 個(gè)光伏方陣電氣設(shè)備、電纜、土建等工程量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,可以計(jì)算出 2個(gè)光伏方陣的單瓦造價(jià)。1# 光伏方陣的單瓦造價(jià)為 0.2706 元 /W,2# 光伏方陣的單瓦造價(jià)為0.2701 元 /W。從結(jié)果可以看出,2 個(gè)光伏方陣的單瓦造價(jià)基本持平,因此,選用 3.125 MW 規(guī)格的集中式逆變器時(shí),光伏方陣容量選擇 6.25 MW 的優(yōu)勢不明顯。分析原因,主要是該大型地面光伏電站位于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番地區(qū),當(dāng)?shù)鼐暥雀?,光伏方陣南北向間距達(dá) 13 m,光伏方陣容量對電纜用量的影響較大,從而導(dǎo)致光伏方陣的單瓦造價(jià)無優(yōu)勢。
光伏方陣南北向間距越小,光伏方陣容量對電纜長度的影響越小。例如在河南省鄭州地區(qū),地面光伏電站的光伏方陣南北向間距約為9.2 m,在海南省??诘貐^(qū),地面光伏電站的光伏方陣南北向間距約為 6 m,二者均比新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番地區(qū)地面光伏電站的光伏方陣南北向間距小很多。因此,若地面光伏電站位于緯度較低的地區(qū) ( 如我國中部及南部地區(qū) ),光伏方陣容量選用 6.25 MW 時(shí)可以有效降低光伏方陣的單瓦造價(jià),節(jié)省總投資;而在緯度較高的地區(qū) ( 如我國北部地區(qū) ),由于光伏方陣南北向間距較大,光伏方陣容量選用 6.25 MW 的優(yōu)勢不明顯,建議光伏方陣容量還是選用 3.125 MW,靈活性更大。
3 結(jié)論
本文以新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番地區(qū)的氣候條件為例,對在該地建設(shè)的大型地面光伏電站的光伏方陣容量分別采用 3.125 MW 及 6.25 MW 時(shí)的經(jīng)濟(jì)性及可行性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,光伏方陣容量為 6.25 MW 時(shí)光伏方陣的單瓦造價(jià)與光伏方陣容量為 3.125 MW 時(shí)光伏方陣的單瓦造價(jià)基本持平,因此在該地區(qū)光伏方陣容量選擇 6.25 MW 的優(yōu)勢不明顯。分析原因,主要是該大型地面光伏電站位于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番地區(qū),當(dāng)?shù)鼐暥雀撸夥疥嚹媳毕蜷g距大,光伏方陣容量對電纜用量的影響較大,從而導(dǎo)致光伏方陣的每瓦造價(jià)無優(yōu)勢。
因此,若地面光伏電站位于緯度較低的地區(qū) ( 如我國中部及南部地區(qū) ),光伏方陣容量選用 6.25 MW 時(shí)可以有效降低光伏方陣的每瓦造價(jià),節(jié)省總投資;而在緯度較高的地區(qū) ( 如我國北部地區(qū) ),由于光伏方陣南北向間距較大,6.25 MW 光伏方陣容量的優(yōu)勢不明顯,建議選用 3.125 MW 光伏方陣容量,靈活性更大。
原標(biāo)題:大型地面光伏電站中光伏方陣容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)