大型光伏電站中 四種中壓交流電纜連接方式的比較

第一章 緒論現(xiàn)有的光伏電站主要分為大型地面光伏電站以及分布式屋頂光伏電站。大型地面光伏電站有裝機容量規(guī)模龐大，投資大收益高，電纜線路繁多而復雜等特點。對于光照條件優(yōu)良，有著大面積開闊平坦地勢的地區(qū)，大型地面光伏電站的投資收益比更佳，很多開發(fā)商都瞄準這些地區(qū)。但是，由于規(guī)模巨大，系統(tǒng)復雜，大型地面光伏電站在系統(tǒng)可靠性方面有著更高的要求，特別是線路的可靠性。與組件以及逆變器不同，線路故障更加不容易被排查，修復的操作周期也會相對長一些。因此，如何從設計上減少線路故障所帶來的損失，提高整體系統(tǒng)的可靠新，是非常重要的一個因素。光伏電站的結構可以分為兩大部分：逆變器之前的直流部分以及逆變器之后的交流部分。直流部分的結構一般都是線性的，所有直流電纜都會使用類似樹形（或稱為星形）結構連接，即多個組串到匯流箱，多個匯流箱到直流配電柜，若干直流配電柜到逆變器。而交流部分，特別是中壓部分，可以采用不同的電纜連接結構，以提高系統(tǒng)的可靠性。在南非REIPPP第三輪投標以及巴基斯坦The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW投標中，標書中明確要求中壓交流電纜采用環(huán)形結構。但是，環(huán)形結構在不同的設計團隊有不同的理解，從而給出不同環(huán)形結構的設計。因此，到底哪種中壓電纜連接結構可以給系統(tǒng)可靠性帶來最大的提升，本文會基于負載損失期望（LOLE）原理對常見的四種不同電纜連接結構作出分析和對比。第二章 理論基礎2.1 負載損失期望的基本概念負載損失期望，Loss of Load Expectation（以下簡稱LOLE），是分析整體宏觀電力系統(tǒng)可靠性中的一個概念，以電力系統(tǒng)中，負載能獲得的不同電力供應等級為整體事件，計算負載獲得電力等級的期望。LOLE的計算公式如下所示：LOLE=公式1: 負載損失期望計算公式其中：pk: 負載開始有電力供應缺口時，不同負載功率損失等級相對應的概率PL: 負載所需電力供應功率PD：電力系統(tǒng)能提供給負載的功率LOLE可以反映出整體電力系統(tǒng)的可靠性，當LOLE越低時，系統(tǒng)可靠性越高，反之亦然。對于線路來說，兩個設備之間的可用線路越多，系統(tǒng)可靠性越高，使得LOLE越低；但是在增加設備間可用線路的同時，系統(tǒng)的整體建設成本會上升。如何平衡系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)成本，更像一種藝術。2.2 負載損失期望在光伏電站中壓線路結構中的應用雖然LOLE是一個主要針對負載端的概念，而光伏電站在電力系統(tǒng)中屬于發(fā)電端，看似不相符合的概念應用，其實轉換一下思路就可以很好的套用上去，并且利用LOLE分析出來的結果也有參考意義。我們假設在光伏電站的輸出端連接一個負載，此負載所需的功率即為光伏電站的最大輸出功率。那么，由于故障，損壞等原因使得光伏電站輸出下降時，即視為負載開始出現(xiàn)電力供應缺口，2.1中的公式里面的（PL-PD）開始出現(xiàn)正值。當出現(xiàn)多個或者嚴重故障時，光伏電站的輸出越來越低，相當于負載的電力供應缺口越來越大，相對應的LOLE也越來越大。因此LOLE完全可以套用在光伏電站可靠性的分析中。對于本文中關于大型地面光伏電站的中壓線路結構的分析和討論，本文建立了一個由16臺500kW逆變器組成的小型發(fā)電單元的模型，整體電站占地規(guī)模和走線方式均參考的巴基斯坦The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW項目。模型的規(guī)模也是根據(jù)巴基斯坦The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW投標文件中所要求的中壓線路環(huán)形結構，每個環(huán)要在5-10MW之間的要求而設定的。在大型光伏電站中，像此類的小型發(fā)電環(huán)形單元都是有可能出現(xiàn)的。第三章 分析方法與結果3.1 設計模型本文中假設的發(fā)電單元為16個500kW逆變器組成的發(fā)電單元，逆變器總輸出為8MVA。每兩個逆變器放置在一間逆變器房中，每兩個逆變器房共用一臺中壓升壓變壓器，即一共有4臺中壓升壓變壓器。如下圖所示：圖1：假設發(fā)電單元模型本文中研究的中壓電纜連接結構一共有4種，分別為：1. 傳統(tǒng)星形結構傳統(tǒng)星形結構及為每一個變壓器都有一根中壓出線連接至變電站，此種結構最為簡單直接，也是在光伏電站設計中常用的結構，并且每條電纜所承受的功率只有一臺變壓器的功率，所以電纜規(guī)格較小，使得成本降低。但是由于每個變壓器只有一條線路與變電連接，所以可靠性方面并不高。此結構的連線在本文分析中的形式如下圖所示：圖2：星形中壓電纜連接結構2. 單出線環(huán)形結構單出線環(huán)形結構被一些EPC公司在設計時所采用，將若干個變壓器使用電纜環(huán)形連接之后，選擇距離變電站最近的一臺變壓器，使用中壓電纜出線連接至變電站。相比下面將要介紹的雙出線環(huán)形結構，單出線環(huán)形結構所使用的中壓交流電纜會少一些，但是由于整個環(huán)只有一條線路與變電站連接，所以可靠性較低。此結構的連線在本文分析中的形式如下圖所示：圖3：單出線環(huán)形中壓電纜連接結構3. 雙出線環(huán)形結構雙出線環(huán)形結構相比單出線環(huán)形結構，環(huán)會多出一條線路與變電站連接，在一條出線故障時，另一條線路可以保持環(huán)中的逆變器繼續(xù)輸出電力到電網(wǎng)。同單出線環(huán)形結構相同，考慮到故障時的潮流走向，所有電纜必須選用能夠承受所有變壓器功率的大小規(guī)格，因此成本會相對高一些。此結構的連線在本文分析中的形式如下圖所示：圖4：雙出線環(huán)形中壓電纜連接結構4. 橋式結構環(huán)形結構提出之前，橋式結構經(jīng)常被應用，即在星形結構的基礎上，每兩臺相鄰的變壓器使用中壓電纜連接，使得每臺變壓器都有兩條線路連接到變電站，大大提高了系統(tǒng)可靠性，但是由于每兩臺變壓器間增加了電纜，使得成本偏高。圖5：橋型中壓電纜連接結構3.2 前提條件在假設的發(fā)電單元模型中，有光伏組件（圖中未畫出），匯流箱（圖中未畫出），逆變器，變壓器，以及連接個設備之間相對應的電纜所組成。由于光伏組件到逆變器直流進線端口的系統(tǒng)結構，走線方式，線纜規(guī)格等都相同，所以不影響不同中壓電纜連接結構之間的比較結果，在分析時不當做變量加入。由于逆變器到變壓器的距離很近，所以設其損壞的概率為0。綜上所述，在分析中，變量只用考慮每條中壓電纜的損壞概率即可。所以在本文的分析中，假設所有類型的電纜的損壞概率為2%/km，即FORl=0.02/km。每條電纜的實際長度以及其損壞概率和正常概率如下表所示：1. 星形結構     Length（km） FOR Avail Outline INV ROOM 1 to sub 1.63 0.0326 0.9674   INV ROOM 2 to sub 1.426 0.02852 0.97148   INV ROOM 3 to sub 1.47 0.0294 0.9706   INV ROOM 4 to sub 1.266 0.02532 0.97468 2. 單出線環(huán)形結構     Length（km） FOR Avail Loop line INV ROOM 1 to 2 0.207 0.00414 0.99586   INV ROOM 1 to 3 0.16 0.0032 0.9968   INV ROOM 2 to 4 0.16 0.0032 0.9968   INV ROOM 3 to 4 0.207 0.00414 0.99586   Outline INV ROOM 4 to sub 1.354 0.02708 0.97292 3. 雙出線環(huán)形結構     Length（km） FOR Avail Loop line INV ROOM 1 to 2 0.207 0.00414 0.99586   INV ROOM 1 to 3 0.165 0.0033 0.9967   INV ROOM 2 to 4 0.163 0.00326 0.99674   Outline INV ROOM 3 to sub 1.558 0.03116 0.96884   INV ROOM 4 to sub 1.356 0.02712 0.97288 4. 橋形結構     Length（km） FOR Avail Loop line INV ROOM 1 to 2 0.204 0.00408 0.99592   INV ROOM 3 to 4 0.204 0.00408 0.99592   Outline INV ROOM 1 to sub 1.63 0.0326 0.9674   INV ROOM 2 to sub 1.426 0.02852 0.97148   INV ROOM 3 to sub 1.47 0.0294 0.9706   INV ROOM 4 to sub 1.266 0.02532 0.97468 如本文中2.2節(jié)所介紹的，為了將負載損失期望理論應用到光伏電站發(fā)電中，我們設假設的發(fā)電單元模型所接負載為8MVA。由于每一臺變壓器的輸出功率為2MVA，所以每當有一臺變壓器由于交流線路原因不能輸出電力時，負載損失2MVA電力供應，即產(chǎn)生2MVA電力供應缺口，這些將會計算到LOLE中。該系統(tǒng)中，中壓等級為33kV，每臺變壓器的輸出功率為8MVA。 3.3 LOLE計算發(fā)電單元所能供應的電力功率有5個等級：8MVA，6MVA，4MVA，2MVA，0MVA。相對應的，負載的電力供應缺口也有5個等級：0MVA，2MVA，4MVA，6MVA，8MVA。每當有一條，或多條中壓交流電纜故障時，就可能會有中壓變壓器與變電站斷開連接，根據(jù)每種中壓電纜連接結構的不同，負載的電力供應缺口等級出現(xiàn)的概率也會不同。首先根據(jù)不同中壓電纜連接結構的特點，以及每條電纜損壞的概率，計算出在此種連接結構下，每種負載電力供應缺口的概率。然后根據(jù)本文2.1節(jié)中的公式1計算每種中壓電纜連接結構的LOLE。計算結果如下所示:1. 星形結構 P generate P loss Prob 8MVA 0MVA 0.88908  6MVA 2MVA 0.10609  4MVA 4MVA 0.00473  2MVA 6MVA 0.00009  0MVA 8MVA 0.00000    　Sum 1.00000  LOLE=0.2317MVA2. 單出線環(huán)形結構 P generate P loss Prob 8MVA 0MVA 0.97284  6MVA 2MVA 0.00004  4MVA 4MVA 0.00003  2MVA 6MVA 0.00001  0MVA 8MVA 0.02708    　Sum 1.00000  LOLE=0.2169MVA3. 雙出線環(huán)形結構 P generate P loss Prob 8MVA 0MVA 0.99852  6MVA 2MVA 0.00021  4MVA 4MVA 0.00024  2MVA 6MVA 0.000191 0MVA 8MVA 0.00085        Sum 1.00000  LOLE=0.0092MVA4. 橋形結構 P generate P loss Prob 8MVA 0MVA 0.99792  6MVA 2MVA 0.00046  4MVA 4MVA 0.00162  2MVA 6MVA 0.00000  0MVA 8MVA 0.00000    Sum 1.00000  LOLE=0.0074MVA3.4 投資分析在選擇線纜的時候，根據(jù)不同的中壓交流連接結構的極端情況，需要選擇符合該情況的電纜規(guī)格，以保證在極端情況下，電纜可以安全使用。所以不同的連接結構使用的是不同的電纜，由此產(chǎn)生了不同的電纜成本。在設計時，除了要保持系統(tǒng)較高的可靠性，也要降低成本，提高收益比率。每臺變壓器的輸出功率為2MVA，中壓電壓等級為33kV，變壓器的高壓端為三角形結構，因此每臺變壓器輸出線電流為35A。為了安全起見，在進行電纜選型時，將計算出的線電流擴大1.2倍，所以每臺變壓器的線電流我們考慮為42A。不同中壓交流連接結構電纜的選擇情況如下所釋：1. 星形結構每臺變壓器都有一條出線連接至變電站，所以每根電纜都只用承受一臺變壓器的輸出電流。所以電纜選用3芯10mm的YJV 22中壓電纜即可。從本文中3.2節(jié)可以看出，實驗中的發(fā)電單元需要總共5.792km此類電纜。大概成本為人民幣26.92萬元。2. 單出線環(huán)形結構每個環(huán)只有一條出線連接至變電站，在極端條件下，環(huán)內的中壓交流電纜要承受3臺變壓器輸出電流，出線中壓交流電纜要承受4臺變壓器輸出的電流。所以環(huán)內中壓交流電纜選用3芯35mm的YJV22中壓電纜，從本文3.2節(jié)可以看出，實驗中的發(fā)電單元需要0.734km此類電纜；出線中壓交流電纜選用3芯70mm中壓電纜，從本文3.2節(jié)可以看出，實驗中的發(fā)電單元需要1.354km此類電纜。大概成本為人民幣48.66萬元。3. 雙出線環(huán)形結構每個環(huán)有兩條出線連接至變電站，在極端條件下，環(huán)內的中壓交流電纜要承受3臺變壓器輸出電流，出線中壓交流電纜要承受4臺變壓器輸出的電流。所以環(huán)內中壓交流電纜選用3芯35mm的YJV22中壓電纜，從本文3.2節(jié)可以看出，實驗中的發(fā)電單元需要0.535km此類電纜；出線中壓交流電纜選用3芯70mm中壓電纜，從本文3.2節(jié)可以看出，實驗中的發(fā)電單元需要2.914km此類電纜。大概成本為人民幣87.73萬元。4. 橋形結構每兩個變壓器有兩條出線連接至變電站，在極端條件下，環(huán)內的中壓交流電纜要承受1臺變壓器輸出電流，出線中壓交流電纜要承受2臺變壓器輸出的電流。所以環(huán)內中壓交流電纜選用3芯10mm的YJV22中壓電纜，從本文3.2節(jié)可以看出，實驗中的發(fā)電單元需要0.408km此類電纜；出線中壓交流電纜選用3芯25mm中壓電纜，從本文3.2節(jié)可以看出，實驗中的發(fā)電單元需要5.792km此類電纜。大概成本為人民幣69.22萬元。以巴基斯坦The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW項目為例，假設在日照時數(shù)內，變壓器均滿負荷輸出，即輸出為2MVA，則不同的中壓交流連接結構的投資回報率使用以下公式進行計算：ROI=公式2: 不同中壓交流連接結構的投資回報率計算公式其中：ROI：投資回報率Clk：不同中壓交流連接結構所需電纜成本LOLElk：不同中壓交流連接結構的負載損失期望hs/y: 每年日照時數(shù)PE/kWh：每度電的上網(wǎng)電價需要注意的是，以上公式只計算了中壓交流電纜的成本投資，其他的并未加入其中，但是可以做一個理論分析。星形結構中，每臺變壓器需要一個42A以上的中壓斷路器，總共4個；單出線環(huán)形結構需要4套由3個中壓開關柜組成的環(huán)網(wǎng)柜組，其中，與變壓器連接的斷路器可以使用42A以上的中壓斷路器，環(huán)路中的開關由于系統(tǒng)極限情況，至少需要承受三到四臺臺變壓器的電流；雙出線環(huán)形結構跟單出線環(huán)形結構類似；橋型結構的環(huán)路開關至少要承受兩臺變壓器的電流。除了額定電流的區(qū)別以外，環(huán)路承受的故障電流也會比非環(huán)形結構的高，所以環(huán)形結構所使用的斷路器數(shù)量比非環(huán)形結構多，規(guī)格也比非環(huán)形結構大，整體價格較高。根據(jù)公式2，在不同地點的日照條件下，不同的中壓交流連接結構的投資回報率如下表所示： 中壓交流連接結構 日照時數(shù) ROI 星形 3000 99.942244% 3468 99.950038% 2072 99.916376% 單出線環(huán)形 3000 99.895800% 3468 99.909861% 2072 99.849131% 雙出線環(huán)形 3000 99.817019% 3468 99.841712% 2072 99.735066% 橋型 3000 99.855658% 3468 99.875137% 2072 99.791011% 從上表可以看到，雖然星形結構的可靠性最低，但是由于電纜成本很低，導致投資回報率為四種結構中最高的，單出線環(huán)形其次，雙出線環(huán)形的投資回報最差。第四章 結論根據(jù)本文3.3節(jié)中計算出來的結果可以看出，橋形結構的LOLE是四種中壓交流連接結構方式中最低的，所以可以保證較少的電量損失；而星形結的LOLE最高，所以電量損失較高。然而將投資成本和由電量損失所帶來的收入損失結合起來看，3.4節(jié)中得出了星型結構為最佳的結論。以上結論只是從光伏電站的角度來看，如果從電網(wǎng)的角度來看則并不相同。電網(wǎng)公司最關心的事情之一就是如何保證電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性，而光伏電站本身就是一個不穩(wěn)定的電源，受環(huán)境和時間影響較大，如果再由于線路故障造成了大量功率損失，對電網(wǎng)會有較大的沖擊。這也是南非以及巴基斯坦等國家在國家級的大型光伏電站投標中要求投標人使用環(huán)形中壓電纜連接結構的原因。所以從電網(wǎng)的角度來看，他們更可能推薦橋型結構而非星形結構。另外在不同大小的地面光伏電站中，以上結論也不盡相同。在10MW的電站中，國內有些設計會在環(huán)形結構的環(huán)路中使用高壓負荷開關和高壓熔斷器的組合來代替斷路器。由于環(huán)路中的開關并不是經(jīng)常斷合的，所以對于較小功率的環(huán)使用負荷開關可以有效的降低環(huán)形結構的成本。因此，對于不同大小的光伏電站，在不同客戶的要求下，索要具體做出的分析也不同。在選擇中壓交流連接方式的時候，要針對硬性要求，成本和收益等方面做出綜合考慮，從而得出對自己最有利的方案和決定。