第一章緒論

　　現(xiàn)有的光伏電站主要分為大型地面光伏電站以及分布式屋頂光伏電站。大型地面光伏電站有裝機(jī)容量規(guī)模龐大，投資大收益高，電纜線路繁多而復(fù)雜等特點(diǎn)。對(duì)于光照條件優(yōu)良，有著大面積開(kāi)闊平坦地勢(shì)的地區(qū)，大型地面光伏電站的投資收益比更佳，很多開(kāi)發(fā)商都瞄準(zhǔn)這些地區(qū)。但是，由于規(guī)模巨大，系統(tǒng)復(fù)雜，大型地面光伏電站在系統(tǒng)可靠性方面有著更高的要求，特別是線路的可靠性。與組件以及逆變器不同，線路故障更加不容易被排查，修復(fù)的操作周期也會(huì)相對(duì)長(zhǎng)一些。因此，如何從設(shè)計(jì)上減少線路故障所帶來(lái)的損失，提高整體系統(tǒng)的可靠新，是非常重要的一個(gè)因素。

　　光伏電站的結(jié)構(gòu)可以分為兩大部分：逆變器之前的直流部分以及逆變器之后的交流部分。直流部分的結(jié)構(gòu)一般都是線性的，所有直流電纜都會(huì)使用類似樹(shù)形（或稱為星形）結(jié)構(gòu)連接，即多個(gè)組串到匯流箱，多個(gè)匯流箱到直流配電柜，若干直流配電柜到逆變器。而交流部分，特別是中壓部分，可以采用不同的電纜連接結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的可靠性。在南非REIPPP第三輪投標(biāo)以及巴基斯坦TheQuaid-e-AzamSolarPark100MW投標(biāo)中，標(biāo)書(shū)中明確要求中壓交流電纜采用環(huán)形結(jié)構(gòu)。但是，環(huán)形結(jié)構(gòu)在不同的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)有不同的理解，從而給出不同環(huán)形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

　　因此，到底哪種中壓電纜連接結(jié)構(gòu)可以給系統(tǒng)可靠性帶來(lái)最大的提升，本文會(huì)基于負(fù)載損失期望（LOLE）原理對(duì)常見(jiàn)的四種不同電纜連接結(jié)構(gòu)作出分析和對(duì)比。

　　第二章理論基礎(chǔ)

　　2.1負(fù)載損失期望的基本概念

　　負(fù)載損失期望，LossofLoadExpectation（以下簡(jiǎn)稱LOLE），是分析整體宏觀電力系統(tǒng)可靠性中的一個(gè)概念，以電力系統(tǒng)中，負(fù)載能獲得的不同電力供應(yīng)等級(jí)為整體事件，計(jì)算負(fù)載獲得電力等級(jí)的期望。LOLE的計(jì)算公式如下所示：

　　LOLE=

　　公式1：負(fù)載損失期望計(jì)算公式

　　其中：

　　pk：負(fù)載開(kāi)始有電力供應(yīng)缺口時(shí)，不同負(fù)載功率損失等級(jí)相對(duì)應(yīng)的概率

　　PL：負(fù)載所需電力供應(yīng)功率

　　PD：電力系統(tǒng)能提供給負(fù)載的功率

　　LOLE可以反映出整體電力系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)LOLE越低時(shí)，系統(tǒng)可靠性越高，反之亦然。對(duì)于線路來(lái)說(shuō)，兩個(gè)設(shè)備之間的可用線路越多，系統(tǒng)可靠性越高，使得LOLE越低；但是在增加設(shè)備間可用線路的同時(shí)，系統(tǒng)的整體建設(shè)成本會(huì)上升。如何平衡系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)成本，更像一種藝術(shù)。

　　2.2負(fù)載損失期望在光伏電站中壓線路結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

　　雖然LOLE是一個(gè)主要針對(duì)負(fù)載端的概念，而光伏電站在電力系統(tǒng)中屬于發(fā)電端，看似不相符合的概念應(yīng)用，其實(shí)轉(zhuǎn)換一下思路就可以很好的套用上去，并且利用LOLE分析出來(lái)的結(jié)果也有參考意義。

　　我們假設(shè)在光伏電站的輸出端連接一個(gè)負(fù)載，此負(fù)載所需的功率即為光伏電站的最大輸出功率。那么，由于故障，損壞等原因使得光伏電站輸出下降時(shí)，即視為負(fù)載開(kāi)始出現(xiàn)電力供應(yīng)缺口，2.1中的公式里面的（PL-PD）開(kāi)始出現(xiàn)正值。當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)或者嚴(yán)重故障時(shí)，光伏電站的輸出越來(lái)越低，相當(dāng)于負(fù)載的電力供應(yīng)缺口越來(lái)越大，相對(duì)應(yīng)的LOLE也越來(lái)越大。因此LOLE完全可以套用在光伏電站可靠性的分析中。

　　對(duì)于本文中關(guān)于大型地面光伏電站的中壓線路結(jié)構(gòu)的分析和討論，本文建立了一個(gè)由16臺(tái)500kW逆變器組成的小型發(fā)電單元的模型，整體電站占地規(guī)模和走線方式均參考的巴基斯坦TheQuaid-e-AzamSolarPark100MW項(xiàng)目。模型的規(guī)模也是根據(jù)巴基斯坦TheQuaid-e-AzamSolarPark100MW投標(biāo)文件中所要求的中壓線路環(huán)形結(jié)構(gòu)，每個(gè)環(huán)要在5-10MW之間的要求而設(shè)定的。在大型光伏電站中，像此類的小型發(fā)電環(huán)形單元都是有可能出現(xiàn)的。

　　第三章分析方法與結(jié)果

　　3.1設(shè)計(jì)模型

　　本文中假設(shè)的發(fā)電單元為16個(gè)500kW逆變器組成的發(fā)電單元，逆變器總輸出為8MVA。每?jī)蓚€(gè)逆變器放置在一間逆變器房中，每?jī)蓚€(gè)逆變器房共用一臺(tái)中壓升壓變壓器，即一共有4臺(tái)中壓升壓變壓器。如下圖所示：

　　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(huì)多出一條線路與變電站連接，在一條出線故障時(shí)，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(shí)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(huì)相對(duì)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：

　　3.雙出線環(huán)形結(jié)構(gòu)

　　3.4投資分析

　　在選擇線纜的時(shí)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(jì)時(shí)，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(tái)變壓器的輸出功率為2MVA，中壓電壓等級(jí)為33kV，變壓器的高壓端為三角形結(jié)構(gòu)，因此每臺(tái)變壓器輸出線電流為35A。為了安全起見(jiàn)，在進(jìn)行電纜選型時(shí)，將計(jì)算出的線電流擴(kuò)大1.2倍，所以每臺(tái)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(tái)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(tái)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(shí)驗(yàn)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(wàn)元。

　　2.單出線環(huán)形結(jié)構(gòu)

　　每個(gè)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(tái)變壓器輸出電流，出線中壓交流電纜要承受4臺(tái)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(wàn)元。

　　3.雙出線環(huán)形結(jié)構(gòu)

　　每個(gè)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(tái)變壓器輸出電流，出線中壓交流電纜要承受4臺(tái)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(wàn)元。

　　4.橋形結(jié)構(gòu)

　　每?jī)蓚€(gè)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(tái)變壓器輸出電流，出線中壓交流電纜要承受2臺(tái)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(wàn)元。

　　以巴基斯坦TheQuaid-e-AzamSolarPark100MW項(xiàng)目為例，假設(shè)在日照時(shí)數(shù)內(nèi)，變壓器均滿負(fù)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(bào)率使用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

　　ROI=

　　公式2：不同中壓交流連接結(jié)構(gòu)的投資回報(bào)率計(jì)算公式

　　其中：

　　ROI：投資回報(bào)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(fù)載損失期望

　　hs/y：每年日照時(shí)數(shù)

　　PE/kWh：每度電的上網(wǎng)電價(jià)

　　需要注意的是，以上公式只計(jì)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(gè)理論分析。星形結(jié)構(gòu)中，每臺(tái)變壓器需要一個(gè)42A以上的中壓斷路器，總共4個(gè)；單出線環(huán)形結(jié)構(gòu)需要4套由3個(gè)中壓開(kāi)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(kāi)關(guān)由于系統(tǒng)極限情況，至少需要承受三到四臺(tái)臺(tái)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(kāi)關(guān)至少要承受兩臺(tái)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(huì)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(jià)格較高。

　　根據(jù)公式2，在不同地點(diǎn)的日照條件下，不同的中壓交流連接結(jié)構(gòu)的投資回報(bào)率如下表所示：