張彥昌，石巍

(中南電力設(shè)計(jì)院，武漢市430071)

0 引言

2013年7月15日，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見(jiàn)》，將光伏產(chǎn)業(yè)定位為我國(guó)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，并確定裝機(jī)目標(biāo)為:2013—2015年，年均新增光伏發(fā)電裝機(jī)容量1 000萬(wàn) kW左右，到 2015年總裝機(jī)容量達(dá)到3 500萬(wàn)kW以上。在今后數(shù)年，光伏發(fā)電仍將持續(xù)高速發(fā)展。

光伏電站直流側(cè)匯流電纜數(shù)量龐大，造價(jià)占比較高，其年損耗電量可以占到年總發(fā)電量的0.6% ～1%。因此，為提高整個(gè)運(yùn)營(yíng)期的電站收益，按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇直流匯流電纜截面非常重要。但是，目前各設(shè)計(jì)院忽略了相關(guān)的研究，因?yàn)?，現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范、手冊(cè)中的經(jīng)濟(jì)電流密度曲線均為針對(duì)常規(guī)電站交流電纜的，不適用于光伏電站直流匯流電纜。GB 50217附錄B［1］給出的經(jīng)濟(jì)電流密度的計(jì)算又比較繁雜，故大部分設(shè)計(jì)院在進(jìn)行光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)，一般沒(méi)有考慮按經(jīng)濟(jì)截面來(lái)選擇直流匯流電纜，造成電纜截面選擇偏小，電站建成后運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。

本文結(jié)合光伏電站的特點(diǎn)，提出基于GB 50217附錄B的光伏電站直流匯流電纜經(jīng)濟(jì)電流密度的計(jì)算方法;在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范，給出直流匯流電纜的綜合選型方法。

由于單個(gè)組件功率較小，光伏電站直流側(cè)一般要經(jīng)過(guò)多次匯流后再接到集中式大型逆變器直流側(cè)，經(jīng)逆變器逆變升壓后送入電網(wǎng)。對(duì)采用多晶硅或單晶硅光伏組件的光伏電站，一般設(shè)置兩級(jí)直流匯流，對(duì)采用薄膜光伏組件的光伏電站，一般采用三級(jí)直流匯流。由于大型薄膜光伏電站較少，國(guó)內(nèi)多數(shù)大型地面光伏電站均為晶體硅組件光伏電站，其組串至一級(jí)匯流箱的電纜采用1×4 mm2的光伏專(zhuān)用電纜(PV1-F)。本文主要針對(duì)晶體硅組件光伏電站匯流箱至直流柜的直流電纜。

1 光伏電站直流側(cè)電纜的型號(hào)選擇及敷設(shè)方法

對(duì)于一級(jí)匯流箱至直流柜的直流電纜的選型，國(guó)內(nèi)不同地區(qū)有不同的做法。但基本都遵循標(biāo)準(zhǔn)GB 50217—2007中的有關(guān)規(guī)定。

(1)絕緣類(lèi)型。絕緣類(lèi)型一般選用交聯(lián)聚乙烯。

(2)絕緣水平。光伏組件和逆變器直流側(cè)的最大直流電壓一般為1kV，因此，直流電纜的額定電壓等級(jí)選擇為0.6/1kV，即極間絕緣水平為1kV，極對(duì)地絕緣水平為0.6kV。

(3)電纜護(hù)層。電纜擠塑外護(hù)層一般選用聚氯乙烯或聚乙烯(－15℃以下低溫環(huán)境需選用聚乙烯);

(4)敷設(shè)方法。從一級(jí)匯流箱至二級(jí)匯流箱一般采用直埋或橋架敷設(shè)的方法。由于直埋更經(jīng)濟(jì)美觀，以直埋敷設(shè)方式為主。對(duì)直埋電纜，電纜鎧裝有鋼絲鎧裝和鋼帶鎧裝2種，它們的區(qū)別在于鋼絲鎧裝可以抗左右位移拉力，鋼帶鎧裝可以抗垂直壓力荷載。光伏電站中，地質(zhì)情況比較穩(wěn)定，一般情況可選用鋼帶鎧裝電纜以節(jié)約投資。

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］，對(duì)直接埋設(shè)的直流電纜，可不采用阻燃電纜。但對(duì)于敷設(shè)在橋架或電纜溝中的電纜需要采用阻燃電纜。

因此，從一級(jí)匯流箱至直流柜的電纜，當(dāng)采用直埋敷設(shè)時(shí)，一般采用YJV22－0.6/1kV電纜;當(dāng)采用橋架或電纜溝敷設(shè)時(shí)，一般采用ZRC-YJV-0.6/1kV電纜。

2 經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算

本文經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算的方法主要采用GB 50217《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B中的方法，計(jì)算中的通用參數(shù)在此不再詳細(xì)介紹。

關(guān)于經(jīng)濟(jì)電流密度的概念、光伏電站中經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算中τ(最大負(fù)荷損耗時(shí)間，h)和P［電價(jià)，元/(kW·h)，不含增值稅］參數(shù)的取值，詳見(jiàn)文獻(xiàn)［3］，篇幅有限，不再重復(fù)。

需要調(diào)整的系數(shù)為Np，即每回路相線數(shù)目，由于直流電纜為兩芯電纜，取Np=2，經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算公式更新為

下面確定單位長(zhǎng)度可變部分A的值。

YJV22－0.6/1kV型與ZRC-YJV-0.6/1kV型電纜價(jià)格如表1所示。

表1 YJV22－0.6/1kV型與ZRC-YJV-0.6/1kV型電纜價(jià)格Tab.1 Prices of YJV22－0.6/1kV and ZRC-YJV-0.6/1kV cables

以上電纜報(bào)價(jià)以銅價(jià)為5 8000元/t為前提。可變成本A計(jì)算公式為

式中:yi為單價(jià);Si為截面積［3］。

經(jīng)計(jì)算 YJV22－0.6/1kV型電纜的 A值為1 480元/(km·mm2);ZRC-YJV-0.6/1kV型電纜的A值為1 490元/(km·mm2)。

將以上所有取值分別代入公式(1)，對(duì)典型太陽(yáng)能資源條件下的經(jīng)濟(jì)電流密度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

若電纜價(jià)格變化較大引起A值變化較大或者太陽(yáng)能資源的τ值偏離設(shè)定的3個(gè)值較大，可采用公式(1)直接計(jì)算。

算得經(jīng)濟(jì)電流密度j后，求得電纜經(jīng)濟(jì)電流截面Sec=Imax/j，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［4-11］。

3 實(shí)例應(yīng)用

以西藏某40MW光伏電站為例，光伏電站光伏組件最佳傾角傾斜面上年總輻射量為211 9.8 kW·h/m2;共設(shè)置40個(gè)1MW單元。每個(gè)1MW單元共包含4 092塊245 W的多晶硅組件。組件串聯(lián)數(shù)N=22，每個(gè)1MW 單元布置93×2個(gè)組串，采用16進(jìn)1出一級(jí)匯流箱匯流后接至二級(jí)匯流柜(直流柜)，共設(shè)置6×2個(gè)一級(jí)匯流箱(3×2個(gè)16進(jìn)1出，3×2個(gè)15進(jìn)1出)。

選用6進(jìn)1出二級(jí)防雷匯流箱(直流配電柜)，每路額定開(kāi)斷電流為200 A。為保證負(fù)荷均勻，每個(gè)二級(jí)防雷匯流箱(直流配電柜)接6個(gè)一級(jí)匯流箱(3個(gè)16進(jìn)1出，3個(gè)15進(jìn)1出)。1MW 單元設(shè)置2臺(tái)500 kW逆變器，經(jīng)雙分裂變升壓后接入35kV集電線路。

245 W組件在STC(standard test condition)條件下的主要電氣參數(shù)如表3所示。

表3245 W組件主要電氣參數(shù)(STC)Tab.3 Main electric parameters of 245 W component(STC)

對(duì)直流電纜截面選擇按以下幾個(gè)方面考慮:

(1)載流量校驗(yàn)電流計(jì)算。電纜載流量校驗(yàn)除了需要考慮額定載流量外，還需要與回路過(guò)負(fù)荷保護(hù)配合，一般回路過(guò)負(fù)荷保護(hù)所需校驗(yàn)的載流量大于額定載流量，故電纜載流量校驗(yàn)按回路過(guò)負(fù)荷保護(hù)所需校驗(yàn)的載流量選定。下面分別對(duì)最大負(fù)荷電流、載流量校驗(yàn)電流進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)JGJ 203—2010《民用建筑太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》3.3.7條規(guī)定，直流線路的額定電流應(yīng)高于短路保護(hù)電器額定值，短路保護(hù)電器整定值應(yīng)高于光伏方陣的標(biāo)稱(chēng)短路電流的1.25倍［12］。因此，在電纜額定載流量校驗(yàn)時(shí)，額定電流應(yīng)按1.25倍的短路電流選擇，即169.6 A。

(2)電纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)分析。根據(jù) GB 50217—2007第3.7.7條，對(duì)非熔斷器保護(hù)回路，按滿(mǎn)足短路熱穩(wěn)定條件確定允許纜芯最小截面時(shí)，可按附錄D的規(guī)定計(jì)算。故熔斷器回路可不進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)。對(duì)于一級(jí)匯流箱至配電柜直流匯流電纜，其回路類(lèi)型一般為反向二極管+熔斷器或斷路器。按斷路器回路進(jìn)行校驗(yàn)，其回路的短路電流為135.6 A，短路持續(xù)時(shí)間為0.02 s，經(jīng)計(jì)算，回路熱穩(wěn)定最小截面為0.14 mm2

(3)載流定截面選擇。直埋電纜載流量的校正系數(shù)主要有3個(gè)，分別為土壤熱阻系數(shù)、埋深處的最熱月平均地溫和多根并行敷設(shè)校正系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，3個(gè)系數(shù)分別為 1.1、0.81、0.86，綜合取 0.766。

電纜溝敷設(shè)電纜載流量校正系數(shù)主要有2個(gè)，即環(huán)境溫度校正系數(shù)、空氣中單層多根并行敷設(shè)時(shí)校正系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，2個(gè)系數(shù)分別為 1.2、0.85，綜合取1.02。

根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行電纜截面選擇，選擇結(jié)果如表4所示。

(4)經(jīng)濟(jì)截面的選擇。光伏電站光伏組件最佳傾角傾斜面上年總輻射為2 119.8 kW·h/m2，則t為211 9.8 h，算得τ值為132 0 h，與表2中τ=1 050 h、P=0.983元/(kW·h)對(duì)應(yīng)的j值偏離較大，重新計(jì)算得對(duì)應(yīng)τ值為1 320 h、P=0.983元/(kW·h)時(shí)的j=1.46 A/mm2，根據(jù)最大負(fù)荷電流計(jì)算經(jīng)濟(jì)截面結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 經(jīng)濟(jì)截面計(jì)算結(jié)果Tab.4 Results of economic section

(5)壓降校驗(yàn)。對(duì)直流回路電纜壓降按公式(3)計(jì)算:

式中:U為線路工作電壓，V;Ig計(jì)算工作電流，A;L為線路長(zhǎng)度km;R為電阻，Ω/km。

根據(jù)GB 50217—2007第3.7.1條:連接回路在最大工作電流作用下的電壓降，不得超過(guò)該回路允許值。但光伏電站逆變器的MPPT(maximum power point tracking)追蹤范圍為450～820 V，即正常發(fā)電時(shí)，光伏組件的電壓是隨著環(huán)境溫度、輻射強(qiáng)度變化的，因此，在考慮經(jīng)濟(jì)電流密度的前提下，對(duì)逆變器直流側(cè)電纜壓降校驗(yàn)意義不大，也沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可遵循。

理論上，從一級(jí)匯流箱至直流配電柜部分電纜壓降差別較大。本工程1MW方陣內(nèi)，最遠(yuǎn)端一級(jí)匯流箱至直流配電柜距離為100m，最近端一級(jí)匯流箱至直流配電柜距離為25m。滿(mǎn)功率情況下，若電纜選用2×50 mm2，最遠(yuǎn)回路電壓下降10.8 V，壓降約為1.6%，最近回路電壓下降2.7 V，壓降約為0.4%，最遠(yuǎn)回路與最近回路壓降差約為1.2%。若電纜選用2×95 mm2，最遠(yuǎn)回路電壓下降 5.6 V，壓降約為0.84%，最近回路電壓下降1.4 V，壓降約為0.21%，最遠(yuǎn)回路與最近回路壓降相差0.63%。采用經(jīng)濟(jì)電流密度選出的電纜截面壓降和回路間壓差更小，更利于逆變器實(shí)現(xiàn)MPPT追蹤。

集中式逆變器一般是500 kW逆變器配置1個(gè)MPPT通路。由于1MW單元內(nèi)，光伏組件布置比較分散，為了實(shí)現(xiàn)MPPT追蹤，理論上應(yīng)使得每串組件到達(dá)逆變器的總壓降一致，逆變器才能追蹤到所有組件的最大功率點(diǎn)，提高發(fā)電效率。實(shí)際上這是不能實(shí)現(xiàn)的，在設(shè)計(jì)時(shí)，只能采用在遠(yuǎn)端選用較大截面的電纜，在近端選用較小截面的電纜，使得壓降盡量小，這樣可以使得逆變器的MPPT電壓更好地追蹤最大功率輸出。

基于以上分析，從一級(jí)匯流箱至直流配電柜部分遠(yuǎn)端3個(gè)回路采用2×95 mm2電纜，近端3個(gè)回路采用2×70 mm2電纜，計(jì)算遠(yuǎn)端3個(gè)回路與近端3個(gè)回路的電纜壓降平均為0.26%，小于全部采用2×95 mm2電纜的?！鞍唇?jīng)濟(jì)電流密度選擇截面”與“按壓降選擇截面”之間是矛盾的關(guān)系，建議首先以經(jīng)濟(jì)電流密度選擇截面，然后考慮壓降平衡，兩者之間的主次問(wèn)題，有待進(jìn)一步細(xì)化研究。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)直流匯流電纜的選型、影響經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算的幾個(gè)重要因素進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算得出光伏電站直流匯流電纜的經(jīng)濟(jì)電流密度。通過(guò)實(shí)例計(jì)算，對(duì)光伏電站直流匯流電纜的截面選擇進(jìn)行詳細(xì)的介紹并選出合適的截面。本文僅對(duì)多晶硅組件光伏電站的直流匯流電纜選擇進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，對(duì)薄膜組件光伏電站的選擇由于篇幅限制沒(méi)有論述。經(jīng)驗(yàn)證，采用手冊(cè)原有老經(jīng)濟(jì)電流密度曲線對(duì)比本文計(jì)算結(jié)果，相差很大。并且，由于目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可依，各設(shè)計(jì)院選擇電纜截面一般僅根據(jù)載流量進(jìn)行選擇，選出的電纜截面不合理。目前光伏電站建設(shè)大規(guī)模發(fā)展，光伏電站中電纜用量龐大，電纜的截面對(duì)工程的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響較大，因此，在進(jìn)行光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)，有必要按本文思路對(duì)直流匯流電纜截面進(jìn)行選擇。

［1］GB 50217—2007電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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

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［10］QX/T 89—2008太陽(yáng)能資源評(píng)估方法［S］.

［11］GB/T 18479—2001地面用光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)概述和導(dǎo)則［S］.

［12］JGJ 203—2010民用建筑太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.