特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 劉建全

0 引言

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是與電網(wǎng)直接相連并向電網(wǎng)輸送電能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，可分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性，可根據(jù)需要并入或退出電網(wǎng)，還具有備用電源的功能，當(dāng)電網(wǎng)因故停電時(shí)可緊急供電，常安裝在居民建筑；不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備可調(diào)度性和備用電源的功能，一般安裝在較大型的系統(tǒng)上。

我國目前能源供應(yīng)主要以傳統(tǒng)的火電為主，國家能源局最新下發(fā)的《2014年能源工作指導(dǎo)意見》，制定了提高能源效率、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)能源生產(chǎn)能力、控制能源消費(fèi)等主要目標(biāo)，要求大力發(fā)展光伏分布式電站，已確定2014年新增風(fēng)電裝機(jī)1800萬kW，新增光伏發(fā)電裝機(jī)1000萬kW，其中荒漠電站占40%。本文著重探討大型荒漠光伏并網(wǎng)發(fā)電的設(shè)計(jì)及優(yōu)化內(nèi)容。

1 荒漠電站總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大型兆瓦級光伏電站一般采用分塊發(fā)電、多支路并網(wǎng)的“積木式”技術(shù)方案，將系統(tǒng)分成若干個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電單元，每一個(gè)光伏發(fā)電單元分別經(jīng)過逆變升壓后經(jīng)高壓配電裝置并入電網(wǎng)，最終實(shí)現(xiàn)將整個(gè)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)接入電力輸電網(wǎng)的方案。

光伏發(fā)電系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)規(guī)劃主要包括：廠站用地規(guī)劃設(shè)計(jì)與站區(qū)布置設(shè)計(jì)、光伏組件基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、站區(qū)給排水設(shè)計(jì)、站區(qū)道路設(shè)計(jì)、站區(qū)管線布置設(shè)計(jì)、暖通設(shè)計(jì)、消防設(shè)計(jì)等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化建議

2.1 采用組件最優(yōu)分選設(shè)計(jì)

組件分選設(shè)計(jì)，要求組件供貨廠家對組件按實(shí)測參數(shù)進(jìn)行電流、電壓的按檔分選，并由組件廠家按分選方案進(jìn)行箱、托、車的包裝，并按此分選設(shè)計(jì)進(jìn)行組件組串設(shè)計(jì)、安裝，可降低組串功率損失1%～2%，對于10 MW光伏系統(tǒng)整體發(fā)電量來說，采用組件分檔安裝后，每年平均可多發(fā)電量約22萬kWh，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2.2 采用較少的進(jìn)線柜設(shè)計(jì)

通常光伏區(qū)升壓變一般為10 kV/35 kV，而每個(gè)1 MWp單元升壓后的輸出電流卻比較小，如果各升壓變單元單獨(dú)采用一個(gè)進(jìn)線柜，非常浪費(fèi)設(shè)備容量。建議先采用就近并接，然后匯流進(jìn)入開關(guān)站10/35 kV進(jìn)線柜,具體并接數(shù)量可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際要求選擇5～10路進(jìn)行并接[1]，從而減少進(jìn)線開關(guān)柜的數(shù)量，為業(yè)主方帶來明顯經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 混凝土基礎(chǔ)

2.3.1 混凝土條形基礎(chǔ)

可根據(jù)電站建設(shè)地點(diǎn)的地質(zhì)、環(huán)境等情況，設(shè)計(jì)合適的光伏支架基礎(chǔ)。目前光伏電站的基礎(chǔ)形式主要有條形基礎(chǔ)、灌注樁、獨(dú)立基礎(chǔ)、螺旋樁基礎(chǔ)等。

圖1 條形基礎(chǔ)圖

相對于其他基礎(chǔ)形式，條形基礎(chǔ)具有更廣泛的優(yōu)點(diǎn)：

1)無需大規(guī)模平整土地，場站無需進(jìn)行基槽開挖和回填，減少土方工程施工量，基礎(chǔ)周圍沒有大量的二次回填土方，基礎(chǔ)與周圍地面結(jié)合更加牢固，減少對場站環(huán)境的破壞。

2)條形基礎(chǔ)是淺基礎(chǔ)，更適用于土壤持力層分布不均勻的地質(zhì)條件，地基承載力偏低時(shí)較實(shí)用，能將集中柱荷載較均勻分散到整個(gè)基地面積上，減少不均勻沉降。

3)條形基礎(chǔ)埋地較淺，通常光伏電站條形基礎(chǔ)埋深約為0.2 m，與獨(dú)立基礎(chǔ)相比，可大輻減少土方開挖量，甚至有的地方可直接裸露在地表，無需開挖。

4)材料通常采用鋼筋混凝土或素混凝土，條形基礎(chǔ)施工工藝簡單，施工技術(shù)成熟。與獨(dú)立基礎(chǔ)相比，條形基礎(chǔ)節(jié)省大量的鋼筋及混凝土。

5)大戈壁石類地形應(yīng)選條形基礎(chǔ)，因?yàn)榇祟惖匦伍_挖難度很大，螺旋樁和灌注樁也很難打入地下。此外，材料通常采用鋼筋混凝土或素混凝土，與獨(dú)立基礎(chǔ)相比，條形基礎(chǔ)可節(jié)省大量的鋼筋及混凝土。

6)對于荒漠地區(qū)風(fēng)荷載較大的情況，在設(shè)計(jì)條形基礎(chǔ)前要充分考慮該影響因素。

2.3.2 條形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

對于條形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)主要以抗風(fēng)載力為重點(diǎn)：

1)埋深設(shè)計(jì)：條形基礎(chǔ)埋深深度的控制，對于不同地區(qū)的光伏電站，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和氣象條件設(shè)計(jì)條形基礎(chǔ)的高度，埋深深度范圍一般在100～600 mm。這樣利用天然地基基礎(chǔ)可抵消掉部分動(dòng)荷載。

2)荷載計(jì)算：設(shè)計(jì)條形基礎(chǔ)時(shí)，根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)荷載，計(jì)算正向和背面組件支架基礎(chǔ)系統(tǒng)所承受的最大荷載，根據(jù)最大荷載來計(jì)算出條形基礎(chǔ)所需要的混凝土用量，利用條形基礎(chǔ)本身的自重來抵消掉部分動(dòng)載荷。

3)基礎(chǔ)選型：對于條形基礎(chǔ)的選型。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，單元支架方陣上安裝20個(gè)組件電池板，電池板豎向兩排安裝；支架單元方陣下澆筑4條條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)間距一般設(shè)計(jì)在2.5～3 m之間，基礎(chǔ)尺寸按照300 mm×500 mm×2600 mm設(shè)計(jì)計(jì)算，基礎(chǔ)寬300 mm、高500 mm、長度2600 mm?；A(chǔ)埋深200～300 mm之間，有100 mm的余量來調(diào)節(jié)相鄰基礎(chǔ)頂標(biāo)高。

2.4 分站房的集中設(shè)計(jì)

目前荒漠電站一般以1 MW為單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，在分站房位置的選擇方面建議做如下設(shè)計(jì)：即各分站房以2個(gè)或4個(gè)為單位，集中放置，如圖2所示。

圖2 分站房集中布置圖

該設(shè)計(jì)具有的優(yōu)點(diǎn)為：

1)便于使用多路匯集傳輸方式，降低了輸電線路電纜用量，在各1 MWp單元所發(fā)太陽能電力送出時(shí)，可由聚集在一起的幾個(gè)單元電力匯集后再統(tǒng)一送出，這樣可節(jié)省電纜溝數(shù)量及輸電電纜的用量。

2)各分站房相對集中，便于道路、照明、監(jiān)控及維護(hù)管理；且集中后周邊空地增多，便于車輛停放，也便于維護(hù)人員對電氣設(shè)備的集中管理，可提高維護(hù)管理效率，降低維護(hù)運(yùn)營成本。

3)分站房建筑及變壓器設(shè)備不易對組件造成陰影遮擋，作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)，分站房高度通常在3 m或3 m以上，可能對周邊太陽電池方陣造成遮擋。為避免遮擋影響發(fā)電效率，通常會加大站房和組件方陣的間距，這樣每個(gè)分站房均需加大間距?？偟膩碚f，各分站房所占用場站面積合起來也較大，在集中放置分站房后，可減小該占用面積，提高場站分布密度，減小場站土地使用量。

2.5 匯流箱布置

建議在場站規(guī)劃設(shè)計(jì)方面充分考慮各太陽電池組串之間走線，以及各組串線路匯至匯流箱的走線問題?？紤]到匯流箱出線電纜溝開挖，光伏組串間左右間距約有800 mm，前后間距約有6～7 m，建議左右光伏組串間采用線槽或金屬軟管跨越方式，前后匯流箱盡量布置在一條直線上，可使匯流箱至分站房的電纜敷設(shè)所采用電纜溝較少，且走線規(guī)律[2-3]，同時(shí)既降低了施工成本，又便于施工。匯流箱布置設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 匯流箱布置圖

2.6 匯線設(shè)計(jì)

對于大型荒漠電站建議采取的匯線方式如圖4所示。光伏發(fā)電組件與組件的正負(fù)電極是用直流電纜首尾相接，最后引出整個(gè)組串正負(fù)極的頭和尾形成串聯(lián)。由于光伏陣列占地面積很大，組件數(shù)量極多，所以不合理的排布會導(dǎo)致直流電纜用量極大，并增加系統(tǒng)損耗。設(shè)計(jì)時(shí)采用此最佳的排布及接線方式，充分利用電池板自身所帶的正負(fù)極引出線，手拉手形成一個(gè)回環(huán)[4]，將正負(fù)極留在靠近匯流箱的一邊。這樣的設(shè)計(jì)最大限度地縮短了直流電纜的數(shù)量，減少了線路損耗。按照每塊組件寬約為1 m、每串20塊組件計(jì)算，如不采用這種設(shè)計(jì)每串組件將浪費(fèi)直流電纜至少20 m，10 MW光伏電站約2000串組件，共計(jì)浪費(fèi)2PFG1169-1×4 mm2直流電纜40000 m，并由此帶來約0.1%的發(fā)電效率的損耗，同時(shí)給業(yè)主帶來較大的電纜損耗。

圖4 組串匯線圖

3 總結(jié)

隨著我國近年來對新能源的重視，大型荒漠光伏電站建設(shè)將成為新能源領(lǐng)域里一個(gè)重要的發(fā)展方向。本文所采用的這種在大型荒漠光伏電站建設(shè)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，在保證設(shè)計(jì)安全的要求下，大幅縮短了施工工期，降低了工程成本，可給業(yè)主方帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)對以后的大型荒漠光伏并網(wǎng)電站的建設(shè)提供了建設(shè)性的意見。

[1] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院. 工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京: 中國電力出版社, 2005.

[2] GB 50794-2012,光伏發(fā)電站施工規(guī)范[S].

[3] GB 50794-2012,光伏發(fā)電站驗(yàn)收規(guī)范[S].

[4] GB 50797-2012,光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].