陳清，郭培育，周晴，吳麗華

（國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京，210032）

0 引言

世界能源發(fā)展正處于百年未有的大變革時(shí)代。工業(yè)革命以來(lái)，化石能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)有力地推動(dòng)了人類(lèi)文明的進(jìn)步，也帶來(lái)資源匱乏、環(huán)境污染、氣候變化、健康貧困等問(wèn)題。推動(dòng)世界能源轉(zhuǎn)型，是實(shí)現(xiàn)全人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的必由之路［1］。從能源行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，電力在我國(guó)終端能源的消費(fèi)比重將不斷增大，清潔低碳是能源發(fā)展的主要趨勢(shì)［2-3］。

近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電、光伏發(fā)電持續(xù)快速發(fā)展，成本顯著降低，開(kāi)發(fā)、建設(shè)質(zhì)量和消納利用水平顯著提升，為建設(shè)清潔、低碳、安全、高效的能源體系發(fā)揮了重要作用［4］。各省級(jí)能源主管部門(mén)應(yīng)按照國(guó)家可再生能源“十三五”相關(guān)規(guī)劃和本區(qū)域電力消納能力，按風(fēng)電和光伏發(fā)電項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)配置工作方案確定需納入國(guó)家補(bǔ)貼范圍的項(xiàng)目［2］。競(jìng)爭(zhēng)配置工作方案應(yīng)嚴(yán)格遵循公開(kāi)、公平、公正的原則，將上網(wǎng)電價(jià)作為重要競(jìng)爭(zhēng)條件，優(yōu)先建設(shè)補(bǔ)貼強(qiáng)度低、退坡力度大的項(xiàng)目［4］。

這些政策的出臺(tái)，給光伏行業(yè)指引了發(fā)展方向，但電價(jià)補(bǔ)貼的降低甚至取消也給建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位等參建單位提出了新的要求。競(jìng)價(jià)上網(wǎng)或平價(jià)上網(wǎng)光伏項(xiàng)目規(guī)劃的裝機(jī)容量一般都很大，這樣有利于成本分?jǐn)?。目前青海等西北省份已?guī)劃出能源基地，并利用特高壓通道，實(shí)現(xiàn)電能的大容量集中輸送、遠(yuǎn)距離消納。本文根據(jù)西北地區(qū)某光伏發(fā)電站的氣象環(huán)境、設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)比了不同的設(shè)備組合方案，并結(jié)合工程造價(jià)分析，比選出該發(fā)電站最優(yōu)的設(shè)備方案，供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。

1 光伏發(fā)電行業(yè)的發(fā)展概況

我國(guó)的光伏發(fā)電行業(yè)從20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始起步，在“六五”和“七五”期間，中央和地方政府將光伏行業(yè)與扶持資金相結(jié)合，使我國(guó)小微型太陽(yáng)能電池企業(yè)得到初步發(fā)展，并通過(guò)開(kāi)展一批示范性工程，拉開(kāi)了我國(guó)光伏發(fā)電的前奏。近10 年來(lái)，光伏發(fā)電行業(yè)發(fā)展尤為迅速。“光明工程計(jì)劃”“金太陽(yáng)示范工程”“領(lǐng)跑者計(jì)劃”“競(jìng)價(jià)（平價(jià)）上網(wǎng)”等政策、計(jì)劃，促進(jìn)了光伏技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

得益于政府的扶持及國(guó)內(nèi)外廣闊的市場(chǎng)需求，我國(guó)的光伏組件、逆變器等設(shè)備在技術(shù)及市場(chǎng)占有率方面均走在世界前列。世界各國(guó)都在不斷刷新光伏組件轉(zhuǎn)換效率。近幾年，晶硅組件涌現(xiàn)出疊瓦、半片、黑硅、雙面、多主柵（MBB）、發(fā)射極和背面鈍化電池（PERC）、N 型單晶硅鈍化反射極完全擴(kuò)散電池（N-PERT）等不同類(lèi)型。國(guó)內(nèi)某組件廠家近期公布其60型PERC雙面組件的正面轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到22.38%［5］，刷新了該項(xiàng)世界紀(jì)錄。各種型式的光伏逆變器的單機(jī)額定功率、轉(zhuǎn)換效率、交直流側(cè)額定電壓都在不斷提升，以減少電量損耗、提升發(fā)電量。另外，電氣設(shè)備的集成度越來(lái)越高（例如電站采用預(yù)裝式設(shè)備）可有效減少設(shè)備安裝的成本、工期［6-7］。

但是對(duì)于競(jìng)價(jià)（平價(jià)）上網(wǎng)項(xiàng)目，是不是設(shè)備技術(shù)越先進(jìn)越好？筆者認(rèn)為不一定。作為競(jìng)爭(zhēng)配置項(xiàng)目的重要競(jìng)爭(zhēng)條件，平價(jià)上網(wǎng)項(xiàng)目的上網(wǎng)電價(jià)按所在地燃煤標(biāo)桿電價(jià)執(zhí)行，因此控制工程造價(jià)、降低度電成本是關(guān)鍵。各種設(shè)備都有各自最適用的條件范圍，要綜合考慮技術(shù)先進(jìn)性及工程造價(jià)。

2 各逆變器類(lèi)型分析及選型要點(diǎn)

行業(yè)內(nèi)主流光伏并網(wǎng)逆變器有集中式逆變器、集散式逆變器、組串式逆變器3種類(lèi)型，2018年在我國(guó)的占比分別為34.6%，5.0%，60.4%［6］，單價(jià)約為0.130，0.180，0.200 元∕W。光伏發(fā)電站的建設(shè)規(guī)模、地形地貌、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、海拔高度、地震烈度、污穢度及鹽霧情況是決定其組件布置及設(shè)備選型的關(guān)鍵。以西北地區(qū)某電站設(shè)備選型為例，此地土地成本較低、地勢(shì)平坦，擁有多路最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）的組串式逆變器雖然能極大程度地避免組串失配導(dǎo)致的發(fā)電量損失，但其價(jià)格劣勢(shì)會(huì)被放大，宜選擇價(jià)格優(yōu)勢(shì)較大的集中式逆變器。

目前市場(chǎng)主流類(lèi)型逆變器直流側(cè)輸入最大電壓和配套組件的最大電壓1.0 kV：集中式逆變器單機(jī)功率630 kW，交流側(cè)輸出電壓360 V；集散式逆變器單機(jī)功率1.00 MW，交流側(cè)輸出電壓520 V；組串式逆變器單機(jī)功率125 kW，交流側(cè)輸出電壓500 V。

隨著逆變器行業(yè)及技術(shù)的發(fā)展，目前逆變器直流側(cè)最大輸入電壓可達(dá)1.5 kV：集中式逆變器的單機(jī)額定功率最大可達(dá)3 125 kW；集散式逆變器的單機(jī)額定功率可達(dá)3 150 kW；組串式逆變器的單機(jī)額定功率可達(dá)225 kW。較1.0 kV 的逆變器，1.5 kV的逆變器最大單機(jī)額定功率更大、直流側(cè)每串組件數(shù)量更多、交流側(cè)輸出電壓更高、線損較小，而兩者價(jià)格相差很小。所以從技術(shù)角度分析，大型集中式光伏發(fā)電站宜選用1.5 kV的逆變器。

根據(jù)目前光伏行業(yè)的發(fā)展情況，美國(guó)、印度、中國(guó)將是2.00 MW 以上逆變器的主要市場(chǎng)。隨著地面電站廣泛采用1.5 kV的系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2022年上述三大市場(chǎng)的1.5 kV 逆變器在全球的占比將超過(guò)65%，且需求量均將超過(guò)5 GW。

3 就地升壓變壓器選型要點(diǎn)

大型光伏發(fā)電站逆變器交流側(cè)低壓電需通過(guò)就地升壓變壓器升至10 kV或35 kV電壓等級(jí)，然后通過(guò)集電線路接至升壓站（開(kāi)關(guān)站）。就地升壓變壓器型式原則上推薦采用箱式變壓器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)箱變），目前常用的箱變類(lèi)型有美式箱變、歐式箱變、華式箱變3種，適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)如下。

（1）美式箱變結(jié)構(gòu)緊湊體積小、安裝方便，箱體具有散熱性能好、適用性強(qiáng)、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，適用于大型地面電站、山地電站等大部分類(lèi)型的光伏發(fā)電站。

（2）歐式箱變采用各單元相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，安裝方便、性能可靠、防護(hù)能力強(qiáng)。發(fā)生故障時(shí)，單元更換方便，可通過(guò)高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)遙控操作。它是三者中價(jià)格最高的，適用于全部類(lèi)型的光伏發(fā)電站，特別適用于例如漁光互補(bǔ)型、分布式等對(duì)防火及環(huán)保要求高的光伏發(fā)電站。

（3）華式箱變集合了美式和歐式升箱變的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)緊湊體積小、安裝方便，性能可靠、箱體散熱性能好，高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)可進(jìn)行遙控操作，價(jià)格介于美式箱變和歐式箱變之間，適用于大型地面電站、山地電站等大部分類(lèi)型的光伏發(fā)電站。

常規(guī)光伏區(qū)發(fā)電單元由1 套逆變器和1 套箱變組成。近幾年，電廠多將逆變器和箱變集成為預(yù)裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置，該裝置集成有逆變器、電力變壓器、高低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備等裝置，擁有體積小、集成度高、逆變器和變壓器可統(tǒng)一維護(hù)、系統(tǒng)總投資成本低、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)［8-9］。

2008 年，預(yù)裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置占比達(dá)到80%，預(yù)計(jì)到2025年，其占比將達(dá)到90%［8］。

4 電纜選型要點(diǎn)

根據(jù)GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第3.1.2 條：電纜導(dǎo)體材質(zhì)可選用銅導(dǎo)體、鋁導(dǎo)體或鋁合金導(dǎo)體［10］。我國(guó)銅資源貧乏，但鋁加工技術(shù)發(fā)展迅猛，從技術(shù)、價(jià)格、安全、資源利用等方面綜合分析，“以鋁節(jié)銅”已成為電纜行業(yè)的大趨勢(shì)［11］。相對(duì)于比鋁芯電纜，銅芯電纜擁有電阻率低、延展性好、機(jī)械強(qiáng)度高、抗疲勞、熔點(diǎn)和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)；相同載流量的鋁芯電纜價(jià)格約為銅芯電纜的1∕3，且在同等載流量下，鋁芯交聯(lián)電纜比銅芯交聯(lián)電纜輕，便于運(yùn)輸和安裝，可減少人工費(fèi)用，在橋架等環(huán)境敷設(shè)時(shí)對(duì)機(jī)械支撐要求也會(huì)降低［12-13］。

大型光伏發(fā)電站占地面積大、直流及交流系統(tǒng)集電線路長(zhǎng)、電纜總體造價(jià)較高，用鋁芯電纜代替銅芯電纜以節(jié)省可觀的初始投資，進(jìn)一步降低造價(jià)，并且不會(huì)降低工程質(zhì)量。上述材料選擇在容量越大的光伏發(fā)電站方陣優(yōu)勢(shì)越明顯。

5 逆變器組合方案的經(jīng)濟(jì)分析

5.1 逆變器組合方案

以青海格爾木地區(qū)某3.15 MW 的光伏發(fā)電站為例，綜合比較采用集中式逆變器和組串式逆變器2種方案：集中式逆變器選自S廠，輸入電壓1.5 kV，輸出電壓0.6 kV，MPPT 范圍為875～1 300 V；組串式逆變器選自H 廠，輸入電壓1.5 kV，輸出電壓0.6 kV，MPPT 范圍500～1 500 V。組件均選用J 廠的單晶高效400 Wp組件，最大系統(tǒng)電壓1.5 kV。

根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》6.4.2-1 及6.4.2-2 的公式［14］，計(jì)算出光伏組件串的串聯(lián)數(shù)為26塊，方陣布置如圖1所示。

圖1 不同逆變器方陣的布置Fig.1 Layouts of different inverter arrays

5.2 工程造價(jià)分析

在不考慮高壓集電線路及雷同設(shè)備（組件、支架等）影響時(shí)，僅計(jì)列不同設(shè)備的成本，采用預(yù)裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置的集中式逆變器方案與串式逆變器方案的造價(jià)對(duì)比見(jiàn)表1—2。

表1 采用集中式逆變器方案工程量?jī)r(jià)格Tab.1 Bill of engineering quantity adopting centralized inverter scheme

表2 采用組串式逆變器方案工程量及價(jià)格Tab.2 Bill of engineering quantity adopting centralized inverter scheme

以3.15 MW 的方陣為例，在忽略高壓集電線路影響的情況下，采用組串式逆變器比采用集中式逆變器的方案造價(jià)高21.47 萬(wàn)元，對(duì)于一座裝機(jī)容量200 MW 的光伏發(fā)電站，總體造價(jià)相差約1 352.00萬(wàn)元，折算單價(jià)相差0.067 元∕W。

6 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)比分析，對(duì)于大型地面電站等類(lèi)型電站，逆變器宜優(yōu)先選用1.5 kV 集中式逆變器；就地升壓變壓器選用美式箱變，箱變和逆變器（采用集中式、集散式逆變器適用）宜選用預(yù)裝式光伏并網(wǎng)逆變裝置；電纜可選用鋁芯電纜；光伏方陣可通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選用3.15 MW甚至更大容量。

相對(duì)集中式逆變器，集散式及組串式逆變器擁有多路MPPT，技術(shù)先進(jìn)，對(duì)組件失配影響最小，具體選型還需根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行，對(duì)于就地升壓變壓器能否采用鋁繞組以及方陣采用更大容量能否進(jìn)一步降低工程造價(jià)也值得后續(xù)再研究。