張彥昌，石巍，王杰，林浩

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院，武漢市 430071)

0 引言

根據(jù)“十二五”規(guī)劃綱要，新能源產(chǎn)業(yè)被列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，同時(shí)，在相關(guān)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃中也提出了開拓多元化的太陽能光伏光熱發(fā)電市場(chǎng)的任務(wù)，并制定了一系列引導(dǎo)光伏產(chǎn)業(yè)健康高效發(fā)展的措施和優(yōu)惠政策。2011年7月，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的關(guān)于完善太陽能光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知，規(guī)定2011年7月1日后核準(zhǔn)的太陽能光伏發(fā)電項(xiàng)目，除西藏仍執(zhí)行1.15元/(kW·h)的上網(wǎng)電價(jià)外，其余省(區(qū)、市)上網(wǎng)電價(jià)均按1元/(kW·h)執(zhí)行。隨著政策的變化，大型光伏電站迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。

由于上網(wǎng)電價(jià)較高，光伏電站內(nèi)的損耗對(duì)投資方的收益有一定的影響，而集電線路的損耗是光伏電站電能損耗中的重要環(huán)節(jié)。光伏電站中，集電線路的選型一般為電纜型，要降低集電線路的損耗，除了要盡量?jī)?yōu)化集電線路的路徑進(jìn)而減少集電線路的長(zhǎng)度外，還需增大集電線路截面，但增大集電線截面意味著初始投資的增加，如何在其中尋找一個(gè)最佳點(diǎn)，需要借助經(jīng)濟(jì)電路密度來進(jìn)行選擇。

由于光伏電站所具有的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展對(duì)經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算參數(shù)的影響，原有規(guī)范、規(guī)程中的經(jīng)濟(jì)電路密度曲線已不能滿足光伏電站集電線路經(jīng)濟(jì)截面的選擇要求。本文結(jié)合光伏電站的特點(diǎn)，對(duì)大型地面光伏電站的集電線路進(jìn)行經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算，并通過實(shí)例，對(duì)集電線路的最佳截面進(jìn)行了選擇。

1 經(jīng)濟(jì)電流密度的概念

電纜截面影響電纜投資和電能損耗，為了節(jié)省初始投資，一般要求電纜截面盡量要小;而為了降低運(yùn)行期電能損耗，則要求電纜截面盡量要大。在某一截面區(qū)間內(nèi)，兩者之和最少，即總費(fèi)用最少。計(jì)算公式為

式中:CT為總費(fèi)用;CI為電纜初始投資費(fèi)用，包括電纜購(gòu)置費(fèi)和安裝費(fèi);CJ為運(yùn)行期總損耗費(fèi)用折算到購(gòu)買時(shí)間點(diǎn)的現(xiàn)值，與負(fù)載大小、年最大負(fù)荷利用小時(shí)、電價(jià)、電纜截面、使用費(fèi)用、經(jīng)濟(jì)壽命、貼現(xiàn)率等因素有關(guān);Imax為最大負(fù)荷電流;RL為單位長(zhǎng)度電纜交流電阻;F為等效損耗費(fèi)用系數(shù)。

CI是電纜截面變量的遞增函數(shù)，可近似看做一個(gè)線性函數(shù)，CJ是電纜截面變量的遞減函數(shù)，因?yàn)閾p耗與電阻成正比，與電纜截面成反比，因此CJ可視為截面的反比函數(shù)，兩者疊加，在某一截面Sec處存在最小值，則Sec即為導(dǎo)體的經(jīng)濟(jì)截面，電纜造價(jià)與截面關(guān)系如圖1所示。

圖1 電纜造價(jià)與截面關(guān)系Fig.1 Relation of cable cost and section

經(jīng)濟(jì)截面Sec可以通過下列公式求?。?-9］:

式中:j為導(dǎo)體經(jīng)濟(jì)電流密度;A為與導(dǎo)體尺寸有關(guān)的單位長(zhǎng)度成本可變部分;R為實(shí)際單位長(zhǎng)度單位面積的視在交流電阻;ρ20為在20℃時(shí)銅導(dǎo)體直流電阻率，ρ20=17.54×10－9Ω·m;α20為銅線 20 ℃的電阻溫度系數(shù)，α20=0.00393/℃;θm為導(dǎo)體溫度，在經(jīng)濟(jì)電流運(yùn)行時(shí)導(dǎo)體溫度可降低，θm=40℃;B為綜合鄰近效應(yīng)、集膚效應(yīng)的系數(shù)，取VV型和YJV型電纜的B值平均值為1.006;Np為每回路相線數(shù)目，取Np=3;Nc為傳輸同樣型號(hào)和負(fù)荷值的回路數(shù)，取Nc=1;τ為最大負(fù)荷損耗時(shí)間，h;i為貼現(xiàn)率，即投產(chǎn)后直至電纜經(jīng)濟(jì)壽命終結(jié)之間逐年因損耗產(chǎn)生的費(fèi)用，必須根據(jù)銀行利率等因素折算到當(dāng)前的現(xiàn)值，一般取值為8%;N為電纜的經(jīng)濟(jì)壽命，一般取N=25年;a為負(fù)荷增長(zhǎng)率，一般取a=0，可以忽略;b為能源成本增長(zhǎng)率，一般取b=2%;D為由于線路損耗額外增加的供電容量的成本，取252元/(kW·a);P為電價(jià)，對(duì)光伏電站，取P=0.855或0.983元/(kW·h)。

由式(3)～(7)可得 R=19.03×10－9Ω，r=0.9444，φ =14.76，F(xiàn)=41(τP+252)，得到:

2 經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算

2.1 τ值的計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［10］的規(guī)定，取τ=0.85 T，其中T為最大負(fù)荷利用時(shí)數(shù)，此算式主要針對(duì)火電廠出力性質(zhì)統(tǒng)計(jì)，對(duì)光伏電站不適用。

光伏電站中有2個(gè)日照時(shí)間，實(shí)際日照時(shí)間T1和等效滿負(fù)荷日照時(shí)間T2，由于光照強(qiáng)度和電池板發(fā)出的電流強(qiáng)度可近似為正比關(guān)系，則有∑I1T1=∑I2T2，其中I1為實(shí)際光照強(qiáng)度下的實(shí)際電流，I2為等效光照強(qiáng)度下的滿載電流。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)日照時(shí)數(shù)內(nèi)實(shí)際負(fù)載電流相同(實(shí)際近似正玄波正半周)，則

對(duì)T2的取值，需根據(jù)各地光資源情況具體分析。本計(jì)算擬按文獻(xiàn)［11］中太陽能資源豐富程度等級(jí)表中的分界值進(jìn)行計(jì)算，分別取 T2為1750、1400、1050 h，則 τ值分別為1050、840、630 h。

2.2 P值的計(jì)算

由于光伏電站的電能是電網(wǎng)公司必須全額收購(gòu)的，收購(gòu)電價(jià)按國(guó)家標(biāo)桿電價(jià)執(zhí)行，因此P值的確定如下:

(1)工程所在地為西藏，則P=0.983元/(kW·h);

(2)其余省(區(qū)、市)，則P=0.855元/(kW·h)。

2.3 A值的計(jì)算

A為與電纜截面尺寸有關(guān)的單位長(zhǎng)度成本可變部分，假定電纜單位安裝費(fèi)用相同，電纜的購(gòu)置費(fèi)用可分為不變部分和可變部分，不變部分主要是電纜的絕緣部分和制作成本，可變部分則主要體現(xiàn)在電纜銅芯的成本價(jià)差上。

YJV22－26/35型與YJV22－8.7/10型電纜的價(jià)格，如表1～2所示。

以上電纜報(bào)價(jià)以銅價(jià)為58000元/t為前提。

可變成本為

式中:yi為單價(jià);si為截面。

經(jīng)計(jì)算得 YJV22－26/35型電纜的 A值為2500元/(km·mm2);YJV22－8.7/10型電纜的 A值為2030元/(km·mm2)。

將以上計(jì)算結(jié)果代入式(8)，得到2種型號(hào)電纜的經(jīng)濟(jì)電流密度如表3～4所示。

若銅價(jià)變化較大引起A值或τ值的變化較大，則可采用式(8)直接計(jì)算。

得到經(jīng)濟(jì)電流密度j后，可根據(jù)式(3)得到電纜經(jīng)濟(jì)電流截面，由于電纜截面非連續(xù)，計(jì)算得出的經(jīng)濟(jì)截面不一定等于電纜的制造截面，因此在選擇經(jīng)濟(jì)電流截面時(shí)，應(yīng)按“接近”原則，選出最接近Sec的電纜截面，確定為經(jīng)濟(jì)電纜截面。

3 實(shí)例應(yīng)用

以新疆某50MW光伏電站為例，光伏電站的概況如下:光伏電站光伏組件最佳傾角傾斜面上年總輻射為1723.3 kW·h/m2;光伏電站以110 kV線路接入系統(tǒng)，110 kV配電裝置按變壓器—線路接線;設(shè)置1臺(tái)50 MVA的變比為110/10.5 kV的升壓變壓器，變壓器低壓側(cè)對(duì)應(yīng)一段10 kV母線段。10 kV集電線路采用地埋電纜型式，每回并接5個(gè)1 MWP的光伏方陣，輸送容量設(shè)為5 MW。

對(duì)其截面選擇按以下幾方面考慮:

(1)動(dòng)穩(wěn)定截面計(jì)算。10 kV側(cè)短路電流為25.6 kA，選用ZN28-A型真空斷路器，斷路器最低操作電壓下的分閘時(shí)間不超過80 ms，主保護(hù)為速斷保護(hù)，最大動(dòng)作時(shí)間不超過20 ms，因此短路電流持續(xù)時(shí)間按0.1 s考慮。銅芯電纜熱穩(wěn)定系數(shù) C取171［11］，算得導(dǎo)體動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)截面為 47.3 mm2。

(2)載流定截面選擇。每回集電線路將5個(gè)光伏方陣并聯(lián)串接引至升壓站10 kV配電室，集電線路的載流量隨并接光伏方陣的數(shù)量增加而成比例增加。電纜載流量需考慮環(huán)境溫度系數(shù)、土壤熱阻系數(shù)和多個(gè)并聯(lián)直埋敷設(shè)校正系數(shù)［12］，綜合取為0.75。

(3)經(jīng)濟(jì)截面的選擇。光伏電站光伏組件的最佳傾角傾斜面上年總輻射為1723.3 kW·h/m2，則T=1723 h。經(jīng)濟(jì)截面結(jié)果見表5。

表5 經(jīng)濟(jì)截面結(jié)果Tab.5 Economic section

4 結(jié)論

按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇導(dǎo)體截面是國(guó)際電工學(xué)會(huì)推薦方法，但由于經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算影響因素較多，當(dāng)影響因素變化較大時(shí)，相應(yīng)的曲線及結(jié)論無法使用。

由于光伏電站的上網(wǎng)電價(jià)較高、等效運(yùn)行小時(shí)數(shù)等參數(shù)變化較大，加上銅價(jià)變化的影響，現(xiàn)有的手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范上的經(jīng)濟(jì)電路密度曲線已不能滿足光伏電站經(jīng)濟(jì)電流截面的選擇。本文通過對(duì)以上幾個(gè)因素的分析，考慮相關(guān)因素的影響，通過計(jì)算得出光伏電站集電線路的經(jīng)濟(jì)電路密度，進(jìn)而根據(jù)集電線路的載流量選擇其經(jīng)濟(jì)截面。同時(shí)通過實(shí)例計(jì)算，對(duì)光伏電站集電線路的截面選擇進(jìn)行全面的介紹并選出合適的截面。本文僅就10 kV電壓等級(jí)集電線路的選擇進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)證，采用手冊(cè)原有老經(jīng)濟(jì)電流密度曲線與本文的計(jì)算結(jié)果相比差別較大，因此本文的結(jié)論為今后進(jìn)行光伏電站集電線路截面選擇提供了參考。

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