大型光伏電站中 四種中壓交流電纜連接方式的比較

圖3：單出線環(huán)形中壓電纜連接結(jié)構(gòu)

3.雙出線環(huán)形結(jié)構(gòu)

雙出線環(huán)形結(jié)構(gòu)相比單出線環(huán)形結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

4.橋式結(jié)構(gòu)

環(huán)形結(jié)構(gòu)提出之前，橋式結(jié)構(gòu)經(jīng)常被應用，即在星形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)

3.2前提條件

在假設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)之間的比較結(jié)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)

2.單出線環(huán)形結(jié)構(gòu)

3.雙出線環(huán)形結(jié)構(gòu)

4.橋形結(jié)構(gòu)

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(shè)假設(shè)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。

3.3LOLE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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的特點，以及每條電纜損壞的概率，計算出在此種連接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的LOLE。計算結(jié)果如下所示:

1.星形結(jié)構(gòu)

LOLE=0.2317MVA

2.單出線環(huán)形結(jié)構(gòu)

LOLE=0.2169MVA

3.雙出線環(huán)形結(jié)構(gòu)

LOLE=0.0092MVA

4.橋形結(jié)構(gòu)

LOLE=0.0074MVA

3.4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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)使用的是不同的電纜，由此產(chǎn)生了不同的電纜成本。在設(shè)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)電纜的選擇情況如下所釋：

1.星形結(jié)構(gòu)

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YJV22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(jié)構(gòu)

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(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)

每個環(huán)有兩條出線連接至變電站，在極端條件下，環(huán)內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)

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(nèi)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(nèi)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TheQuaid-e-AzamSolarPark100MW項目為例，假設(shè)在日照時數(shù)內(nèi)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)所需電纜成本

LOLElk：不同中壓交流連接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)需要4套由3個中壓開關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)跟單出線環(huán)形結(jié)構(gòu)類似；橋型結(jié)構(gòu)的環(huán)路開關(guān)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(jié)構(gòu)的高，所以環(huán)形結(jié)構(gòu)所使用的斷路器數(shù)量比非環(huán)形結(jié)構(gòu)多，規(guī)格也比非環(huán)形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的投資回報率如下表所示：

從上表可以看到，雖然星形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)論