陳祖煥

摘 要： 有關(guān)水上光伏電站建設(shè)，其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一就是電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。我國有關(guān)從業(yè)人員需應(yīng)強(qiáng)化研究與有效應(yīng)用現(xiàn)代化電氣設(shè)計(jì)技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn)水上光伏電站電氣系統(tǒng)總體性能的完善與增強(qiáng)?；诖耍恼聦?duì)其電氣系統(tǒng)有關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)加以簡要分析。

關(guān)鍵詞： 電氣系統(tǒng);水上太陽能光伏電站;設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】 F303.3? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A? ? ?【文章編號(hào)】1674-3733（2020）14-0202-02

引言：縱觀近些年我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)，其中水上太陽能光伏電站是最為重要的研究項(xiàng)目之一。通過落實(shí)水上光伏項(xiàng)目，一方面對(duì)光伏電站建設(shè)和土地資源需求之間存在的矛盾加以緩解，另一方面可以充分應(yīng)用水域資源提高電力資源創(chuàng)造量。作為新興行業(yè)代表的水上光伏電站，目前我國有關(guān)其電氣系統(tǒng)研究較少。所以，深入研究與科學(xué)設(shè)計(jì)水上光伏電站電氣系統(tǒng)，提升電氣系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性與，在水上光伏電站未來發(fā)展上發(fā)揮著重要的影響作用。

1 簡析我國水上光伏電站發(fā)展情況

有關(guān)水上光伏電站，其主要指的是建設(shè)在海岸、水庫、水塘以及湖泊等上面的光伏電站，以項(xiàng)目建設(shè)地水深等因素為基礎(chǔ)，通常將建設(shè)形式劃分為以下兩類：

1.1 水深低于3m

主要以打樁架高式安裝為主，具體如圖1所示。

圖1 打樁架高式1.2 水深高于3m

主要以漂浮式安裝為主，具體如圖2所示。

圖2 漂浮式現(xiàn)階段，我國主要以打樁架高式進(jìn)行水上光伏電站建設(shè)，基于水上漂浮安裝技術(shù)的進(jìn)一步成熟，不斷出現(xiàn)的新材料、工藝與技術(shù)，會(huì)進(jìn)一步減少建設(shè)成本投入。水上漂浮光伏發(fā)電站是當(dāng)前我國光伏發(fā)電領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)項(xiàng)目，其裝機(jī)容量體現(xiàn)出逐漸增長的趨勢(shì)。

2 水上光伏電站突出優(yōu)勢(shì)分析

（1）水塘、坍塌采煤區(qū)或者是湖泊的水面，通常周圍環(huán)境相對(duì)開闊，加之組件方向一致，方便實(shí)現(xiàn)集中布置與管理;這部分水域表面灰塵相對(duì)較少并且清洗便捷，針對(duì)發(fā)電站保障與運(yùn)維管理均十分有利。

（2）水上光伏發(fā)電站，不需要占用林地、耕地以及一般農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地等寶貴土地資源，且能提升水域原有附加值。

（3）水域周圍溫度變化程度偏低，水體在夏季發(fā)揮的冷卻效應(yīng)，能對(duì)光伏組件表面升高的溫度加以限制，增大發(fā)電量。

（4）發(fā)電量可以提高至7%至12%左右。其組件傾斜面形成的輻射量主要由太陽的散射、直接與反射輻射量構(gòu)成而且水面太陽反射率可以達(dá)到0.6%，明顯高出草地、地面等環(huán)境下的太陽反射率，據(jù)有關(guān)測(cè)試評(píng)估相比地面總輻射量，水上光伏組件大約能提高1.5%。

（5）電站可能遮蔽一定水域面積，降低水分蒸發(fā)，而且可以限制藻類繁殖生長，有助于治理水污染并提升水質(zhì)環(huán)境。

（6）東部地區(qū)具有十分豐富的水資源而且電力需求巨大，水上光伏發(fā)電站的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，通常能實(shí)現(xiàn)近并網(wǎng)消納。

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1 一次設(shè)計(jì)

3.1.1 接線設(shè)計(jì)

文章以某一電氣系統(tǒng)一次設(shè)計(jì)方案為例進(jìn)行分析。其中接線設(shè)計(jì)重點(diǎn)包含設(shè)計(jì)光伏方陣、系統(tǒng)用戶以及逆變器的接線。關(guān)于水上太陽能光伏電站，其中最關(guān)鍵的電氣元件為光伏方陣，通常每一個(gè)光伏子方陣都會(huì)應(yīng)用兩臺(tái)500kw的逆變器。在具體設(shè)計(jì)光伏方陣接線過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該充分考慮升壓變壓器容量受到逆變器電壓輸出所帶來的影響，應(yīng)該保證電壓輸出始終控制在升壓變壓器合理范圍，不然極易產(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故。要是子光伏方陣未能達(dá)到理想的發(fā)電效率，此時(shí)可接入1000KVA變壓器1臺(tái)，進(jìn)一步提升發(fā)電效率。有關(guān)逆變器具體接線設(shè)計(jì)，一般所采取的設(shè)計(jì)方案大致分為2種：首先，在光伏子方陣的中心位置安裝逆變器，且保證每一臺(tái)500kw逆變器配置逆變器室一個(gè)。采取該設(shè)計(jì)方案即使可以將逆變器自身作用價(jià)值充分發(fā)揮，可針對(duì)逆變器室與變壓器具有較大的數(shù)量需求，而且水上光伏電站的大部分用地資源被占用。其次，在光伏子方陣周圍安裝逆變器，確保每一個(gè)逆變器室配置500kw逆變器四臺(tái)。采取該設(shè)計(jì)模式針對(duì)建設(shè)成本投入需求偏低，具體逆變器室需求數(shù)量占據(jù)方案一約25%，而且可以確保光伏電站靈活性布局。基于經(jīng)濟(jì)視角分析，采取方案二需要逆變器室數(shù)量偏低，而且可以有效減少投資初期總額。若站在系統(tǒng)用電設(shè)計(jì)具體應(yīng)用角度來看，雙電源供電一方面可以對(duì)系統(tǒng)基礎(chǔ)性用電提供保證，另一方面還可以防止斷電影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)于雙電源供電，其電力主要來源方向有兩個(gè)，首先有其他發(fā)電站接入的電力，且借助相應(yīng)的降壓技術(shù)有效轉(zhuǎn)化電力。其次水上光伏電站自身產(chǎn)出的電力資源，以內(nèi)部系統(tǒng)自帶的電力降壓器下降電壓至400v。通常情況，水上光伏電站帶有的電源配電柜都具有良好的切換功能，而且通過此功能可以依托系統(tǒng)針對(duì)電力需求轉(zhuǎn)換為電力供應(yīng)模式。

3.1.2 電氣設(shè)備

在電氣系統(tǒng)一次設(shè)計(jì)過程中作為核心組成部分，實(shí)用性電氣設(shè)備的合理選擇是設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵所在。通常情況，水上太陽能光伏電站所涉及的電氣設(shè)備包含如下：首先，主變壓器。通過變壓器是1100kv變壓器，一般可以滿足水上太陽能光伏電站的主要生產(chǎn)需求。出于保證1100kv變壓器在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性與穩(wěn)定性，還需要為其配置SF6斷路器，而且需要將彈簧操作結(jié)果添加在斷路器上?；诎踩暯欠治觯€可以在變壓器中設(shè)置通過人工操作實(shí)現(xiàn)的隔離開關(guān)，在應(yīng)用變壓器過程中更具安全性。其次，升壓變壓器。

通?？梢赃x擇雙分裂升壓變壓器型號(hào)，出于滿足防水有關(guān)需求，還應(yīng)在一體箱式變電站中增設(shè)將升壓變壓器。最后，電纜。因?yàn)樗咸柲芄夥娬揪邆淦涮厥庑再|(zhì)，所以在對(duì)設(shè)備連接電纜進(jìn)行選擇時(shí)，一定要使用專門設(shè)計(jì)低壓電纜（1kv）。通常光伏電站的電纜母線具有很高的千瓦數(shù)，所以在母線上應(yīng)增設(shè)接地變壓器，從而確保穩(wěn)定性供電。

3.1.3 防雷接地

設(shè)計(jì)防雷接地針對(duì)水上太陽能光伏電站來講，并不是獨(dú)立存在的防雷系統(tǒng)，僅是通過其支架結(jié)構(gòu)有效預(yù)防雷電干擾即可。在設(shè)計(jì)有關(guān)防雷措施過程中，有關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)格，將若干避雷設(shè)備合理安裝在電纜母線上可實(shí)現(xiàn)有效防雷。與此同時(shí)，有關(guān)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)依據(jù)裝置規(guī)格安裝相應(yīng)的電壓保護(hù)設(shè)備，進(jìn)而在雷電襲擊的情況下保證電纜母線具有穩(wěn)定的電壓。通常在安裝主變壓器時(shí)會(huì)設(shè)置防雷體系，例如常見的隔離開關(guān)與防雷裝置等。同樣逆變器也需要相應(yīng)的防雷設(shè)備，如果逆變器遭遇雷電能借助防雷設(shè)備降低由雷電所帶來的電壓波動(dòng)。

3.2 二次設(shè)計(jì)

3.2.1 繼電保護(hù)

水上太陽能光伏電站常見的繼電保護(hù)具體分為下面三種：首先，保護(hù)主變壓器。該部分和弦裝置具體包含：電流控制、高壓過流保護(hù)以及過載保護(hù)裝置等。其次，保護(hù)線纜。有關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保線纜保護(hù)裝置設(shè)計(jì)的全面性，而且把差動(dòng)電流作為重點(diǎn)對(duì)象，此外保護(hù)裝置還應(yīng)具有電流切斷能力。與此同時(shí)，線纜保護(hù)還需結(jié)合通信技術(shù)應(yīng)用，這樣可以遠(yuǎn)程監(jiān)控線纜電流實(shí)際情況。最后，保護(hù)變壓器。例如智能斷路器、熔斷器都屬于變壓器保護(hù)設(shè)備。我們以智能斷路器為例，其可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)變壓器流程簡化，可以對(duì)電力負(fù)荷展開自動(dòng)化檢測(cè)，而且如果產(chǎn)生過高的電力負(fù)荷，可以直接中斷體變壓器經(jīng)過的電流。除此之外，智能斷路器也具備數(shù)據(jù)采集能力，可以將所采集的異常數(shù)據(jù)直接傳送到控制室。

3.2.2 電源控制系統(tǒng)

UPS是水上太陽能光伏電站的控制電源，針對(duì)每一繼電器室都要配置獨(dú)立的電源控制系統(tǒng)。如果發(fā)生斷電問題，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)主線路持續(xù)性提供電力。

3.2.3 監(jiān)控系統(tǒng)

某一水上太陽能光伏發(fā)電站項(xiàng)目建設(shè)位置是我國鄱陽湖地區(qū)，該地位于亞熱帶季風(fēng)氣候帶，年均氣溫維持在19℃左右，年均日照時(shí)間為3000h，太陽平均總輻射量可以達(dá)到450-480×10j/cm。無論是此地的太陽日照時(shí)間還是總輻射量均符合光伏電站產(chǎn)出電量。該項(xiàng)目具體占地面積為1834畝，裝機(jī)容量計(jì)劃是60MW。該光伏電站項(xiàng)目的電氣二次設(shè)計(jì)中的監(jiān)控模塊，具體是變電站（箱式）監(jiān)控系統(tǒng)，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，該項(xiàng)目具有35kv箱式變電站與配電室一共60座，每一座變電站均需要設(shè)置相應(yīng)的防超負(fù)荷開關(guān)，而且保證熔斷裝置安裝到位，這樣可以及時(shí)監(jiān)測(cè)與關(guān)斷超負(fù)荷運(yùn)行的線路。10進(jìn)1出為35kv變電站接線的主要形式。對(duì)此，應(yīng)該針對(duì)全部輸入及輸出口均設(shè)置斷路器則可以達(dá)到實(shí)時(shí)控制的效果，還可以借助系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制功能，全面監(jiān)控變電站。關(guān)于110kv變電站當(dāng)中的安全裝置具體選擇五防閉鎖裝置，依托監(jiān)控系統(tǒng)在主控制室中顯示裝置狀態(tài)，而且可以通過直接操作上位機(jī)達(dá)到操作與監(jiān)控110kv變電站的目的。

結(jié)束語：中國幅員遼闊蘊(yùn)含豐富水資源，且具有眾多的湖泊與水庫，在水面進(jìn)行光伏電站建設(shè)能突破土地因素對(duì)其的束縛，讓光伏發(fā)電具有更廣泛的應(yīng)用空間。關(guān)于水上光伏電站雖然具有明顯優(yōu)勢(shì)，可同時(shí)也存在很多問題有待于完善，尤其是漂浮式電站處在初步探索階段，無論在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)還是大面積開發(fā)均存在明顯距離，長期處于潮濕環(huán)境的組件可靠性、電站浮臺(tái)應(yīng)用時(shí)間與承載能力等現(xiàn)實(shí)問題還需加以解決。但文章堅(jiān)信，伴隨電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)與工藝的進(jìn)一步創(chuàng)新，存在的問題一定會(huì)得到有效解決，從而為水上太陽能光伏電站創(chuàng)造更大的發(fā)展與應(yīng)用空間。

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