程 銳，周 強，王紹春

(協(xié)鑫能源工程有限公司，蘇州 215000)

0 引言

中國為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，“十四五”期間光伏發(fā)電等新能源發(fā)電項目將迎來倍速增長。光伏發(fā)電屬于重要的可再生能源利用方式，符合國家產(chǎn)業(yè)政策和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。在光伏電站建設(shè)過程中，光伏發(fā)電設(shè)備、電氣配套設(shè)備等的發(fā)展已十分成熟，電纜市場價格也已非常透明，目前只有電纜部分和基礎(chǔ)土建部分的成本尚不確定?；A(chǔ)土建部分的成本與項目所在地的地質(zhì)條件和業(yè)主要求有關(guān)，而電纜部分的成本則與設(shè)計方案有關(guān)，設(shè)計方案不同，電纜用量則不同[1-3]。本文從設(shè)備布置位置和電纜敷設(shè)方式的角度對地面光伏電站和分布式光伏電站的光伏方陣設(shè)計方案進行對比，并以某風(fēng)光互補型光伏電站為例，對電纜實際敷設(shè)過程中的影響因素及施工管理進行分析。

1 不同類型光伏電站的設(shè)計方案對比

本文通過合理布置逆變器(或箱逆變一體機)、直流匯流箱等設(shè)備的位置，使電纜按最節(jié)約用量的方式進行敷設(shè)；然后根據(jù)不同材質(zhì)電纜的用量進行不同敷設(shè)方式下的經(jīng)濟性對比分析，得出最優(yōu)的設(shè)計方案。這樣不僅可以降低光伏電站全生命周期內(nèi)的平準化度電成本(LCOE)，還可以大幅提高光伏電站專業(yè)施工布線軟件的出圖效率，降低人為誤差。

1.1 地面光伏電站的設(shè)計方案對比

采用光伏場區(qū)優(yōu)化布線軟件(下文簡稱為“布線軟件”)，根據(jù)設(shè)備的不同選型及布置位置，對光伏電站中的光伏方陣進行設(shè)計。

1.1.1 采用箱逆變一體機時的方案

以某地面光伏電站的單個光伏方陣為例，其裝機容量為3.5152 MW，采用400 W的單晶硅光伏組件、“16匯1”的直流匯流箱及3125 kW的箱逆變一體機。

在箱逆變一體機布置位置確定的前提下，從電纜敷設(shè)經(jīng)濟性、施工及運維便利性等方面綜合考慮，得到兩種直流匯流箱布置位置和電纜敷設(shè)方式的方案(即方案1 和方案2)，然后進行對比分析。

方案1 和方案2 中直流匯流箱布置位置和電纜敷設(shè)方式如圖1 所示。圖中：藍色長方形代表光伏組件；綠色方塊代表箱逆變一體機；黃色線段代表電纜敷設(shè)路徑；黃色線段終端為直流匯流箱的安裝位置。

圖1 方案1 和方案2 中直流匯流箱布置位置和電纜敷設(shè)方式Fig.1 Layout position and cable laying method of DC combiner box in scheme 1 and scheme 2

在上述兩種方案下，對單個光伏方陣分別采用不同類型電纜時的單瓦電纜成本進行對比。當(dāng)采用銅芯電纜時，兩種方案下的光伏方陣單瓦電纜成本對比如表1 所示。需要說明的是，本文提供的所有電纜價格均為項目設(shè)計時的詢比價，僅供參考。

表1 當(dāng)采用銅芯電纜時，方案1 和方案2 下的光伏方陣單瓦電纜成本對比Table 1 When using copper core cables，per watt cables cost comparison of PV array under scheme 1 and scheme 2

從表1 可以看出：當(dāng)采用銅芯電纜時，方案2 下的光伏方陣單瓦電纜成本比方案1 下的低，即方案2＜方案1。

當(dāng)采用鋁合金芯電纜時，兩種方案下的光伏方陣單瓦電纜成本對比如表2 所示。

表2 當(dāng)采用鋁合金芯電纜時，方案1 和方案2 下的光伏方陣單瓦電纜成本對比Table 2 When using aluminum core cables，per watt cables cost comparison of PV array under scheme 1 and scheme 2

從表2 可以看出：當(dāng)采用鋁合金芯電纜時，方案1 下的光伏方陣單瓦電纜成本比方案2 下的低，即方案1＜方案2。

1.1.2 采用組串式逆變器時的方案

以某個地面光伏電站的單個光伏方陣為例，其裝機容量為3.5152 MW，采用400 W 的單晶硅光伏組件、“18 進1 出”的175 kW 組串式逆變器。

在箱式變壓器位置確定的前提下，從電纜敷設(shè)經(jīng)濟性、施工及運維便利性等方面綜合考慮，得到兩種組串式逆變器布置位置和電纜敷設(shè)方式的方案(即方案3 和方案4)，然后進行對比分析。

方案3 和方案4 中組串式逆變器布置位置和電纜敷設(shè)方式如圖2 所示。圖中：青綠色長方形代表光伏組件；綠色大方塊代表箱式變壓器；黃色線段代表電纜敷設(shè)路徑；黃色線段終端為組串式逆變器安裝位置。

圖2 方案3 和方案4 中組串式逆變器布置位置和電纜敷設(shè)方式Fig.2 Arrangement position and cable laying method of string inverter in scheme 3 and scheme 4

在上述兩種方案下，對單個光伏方陣分別采用不同類型電纜時的單瓦電纜成本進行對比。當(dāng)采用銅芯電纜時，方案3 和方案4 下的光伏方陣單瓦電纜成本對比如表3 所示。

表3 當(dāng)采用銅芯電纜時，方案3 和方案4 下的光伏方陣單瓦電纜成本對比Table 3 When using copper core cables，per watt cables cost comparison of PV array under scheme 3 and scheme 4

從表3 可以看出：當(dāng)采用銅芯電纜時，方案4 下的光伏方陣單瓦電纜成本比方案3 下的低，即方案4＜方案3。

當(dāng)采用鋁合金芯電纜時，方案3 和方案4 下的光伏方陣單瓦電纜成本對比如表4 所示。

表4 當(dāng)采用鋁合金芯電纜時，方案3 和方案4 下的光伏方陣單瓦電纜成本對比Table 4 When using aluminum core cables，per watt cables cost comparison of PV array under scheme 3 and scheme 4

從表4 可以看出：當(dāng)采用鋁合金芯電纜時，方案3 下的光伏方陣單瓦電纜成本比方案4 下的低，即方案3＜方案4。

1.1.3 不同方案下的電纜成本對比

對上述4 種方案下光伏方陣單瓦電纜成本進行對比，得到使用箱逆變一體機或組串式逆變器情況下，分別采用銅芯電纜和鋁合金芯電纜時的較優(yōu)成本，結(jié)果如表5 所示。

表5 不同方案下的較優(yōu)電纜成本對比結(jié)果Table 5 Comparison results of optimal cable costs under different schemes

由表5 可知：對于單個光伏方陣而言，無論是使用銅芯電纜還是鋁合金芯電纜，采用箱逆變一體機時的單瓦電纜成本均優(yōu)于采用組串式逆變器時的單瓦電纜成本。該結(jié)論可為今后光伏發(fā)電項目在設(shè)備選型及設(shè)備安裝位置方面提供指導(dǎo)和設(shè)計參考。

1.2 分布式光伏電站的設(shè)計方案對比

當(dāng)工程師初次接觸到分布式光伏發(fā)電項目時，其需要根據(jù)項目實際情況進行設(shè)計。通過合理布置光伏組件、光伏支架、逆變器等設(shè)備的位置，使電纜按最節(jié)約用量的方式進行敷設(shè)；然后根據(jù)不同材質(zhì)電纜的用量進行不同敷設(shè)方式下的經(jīng)濟性對比分析，得出最優(yōu)的設(shè)計方案。

以某個屋頂分布式光伏電站為例，其裝機容量為800 kW，采用330 W 的多晶硅光伏組件、100 kW 的組串式逆變器。在并網(wǎng)接入點確定的前提下，從電纜敷設(shè)經(jīng)濟性、施工及運維便利性等方面綜合考慮，得到兩種組串式逆變器布置位置和電纜敷設(shè)方式的方案(即方案5 和方案6)，然后進行對比分析。

方案5 和方案6 中組串式逆變器布置位置和電纜敷設(shè)方式如圖3 所示，方案5 為組串式逆變器分散式排布，方案6 為組串式逆變器集中式排布。圖中：藍色長方形代表光伏組件；黃色線段代表電纜敷設(shè)路徑；白色方框代表組串式逆變器。

圖3 方案5 和方案6 中組串式逆變器布置位置和電纜敷設(shè)方式Fig.3 Arrangement position and cable laying method of string inverter in scheme 5 and scheme 6

在上述兩種方案下，對該屋頂分布式光伏電站分別采用不同類型電纜時的單瓦電纜成本進行對比。當(dāng)采用銅芯電纜時，方案5 和方案6 下的光伏電站單瓦電纜成本對比如表6 所示。

表6 當(dāng)采用銅芯電纜時，方案5 和方案6 下的光伏電站單瓦電纜成本對比Table 6 When using copper core cables，per watt cables cost comparison of PV power station under scheme 5 and scheme 6

從表6 可以看出：當(dāng)采用銅芯電纜時，方案6 下的光伏電站單瓦電纜成本比方案5 下的低，即方案6＜方案5。

當(dāng)采用鋁合金芯電纜時，方案5 和方案6 下的光伏電站單瓦電纜成本對比如表7 所示。

從表7 可以看出：當(dāng)采用鋁合金芯電纜時，方案5 下的光伏電站單瓦電纜成本比方案6 下的低，即方案5＜方案6。

結(jié)合圖3、表6、表7 可知：當(dāng)采用銅芯電纜時，組串式逆變器以集中式排布時光伏電站單瓦電纜成本較低；當(dāng)采用鋁合金芯電纜時，組串式逆變器以分散式排布時光伏電站單瓦電纜成本較低。

2 電纜實際敷設(shè)過程中的影響因素及施工管理分析

經(jīng)過上文分析光伏發(fā)電設(shè)備布置位置和電纜敷設(shè)方式后，下文以中國西北地區(qū)某個風(fēng)光互補型光伏電站為例，對其電纜在實際敷設(shè)過程中的影響因素及施工管理進行分析。

2.1 影響因素分析

目前適合建設(shè)大型地面光伏電站的地形基本以山地、丘陵為主。該風(fēng)光互補型光伏電站位于寧夏回族自治區(qū)的吳忠市，場區(qū)內(nèi)的地形起伏多變，局部微地形復(fù)雜，光伏子陣呈不規(guī)則狀排布，各光伏子陣所在區(qū)域的地形情況各異，導(dǎo)致電纜用量統(tǒng)計結(jié)果的準確性無法得到保證。

受地形影響，基本每個光伏子陣中每串光伏組串到匯流箱(或逆變器)的電纜長度(下文簡稱為“每串電纜長度”)都不一樣，導(dǎo)致每串電纜長度都需要單獨統(tǒng)計。由于電纜用量統(tǒng)計工作屬于重復(fù)人力勞動，且耗時長，因此這部分工作可由布線軟件來完成。利用布線軟件對每串電纜長度進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果可客觀反映電纜的平面圖總體用量。

由于布線軟件統(tǒng)計電纜用量時未考慮地形起伏情況，缺乏坡度余量考慮，且其統(tǒng)計時未考慮光伏支架的實際形式，對電纜從光伏支架入地再到電纜進入設(shè)備這段的用量未結(jié)合實際情況進行調(diào)整，導(dǎo)致布線軟件統(tǒng)計得到的電纜用量與實際施工用量存在偏差。若設(shè)計階段未充分考慮上述情況，將導(dǎo)致施工階段電纜需要補采，進而影響施工進度。

以此光伏電站為列，分析地形因素和其他因素對電纜用量的影響。

2.1.1 地形因素對電纜用量的影響

由于布線軟件統(tǒng)計電纜長度時采用的是電纜走線的投影長度，而實際上使用的電纜長度為電纜在地面經(jīng)過的長度。為便于描述，把山坡面簡化為簡單的單向斜面來示意，山坡切面示意圖如圖4 所示。圖中：a為山坡底點；b為山坡頂點；c為山坡的平面投影點；L為電纜實際經(jīng)過地面的長度，即ab間的距離；D為電纜實際經(jīng)過地面長度的投影長度，即ac間的距離；α為爬坡度。

圖4 山坡切面示意圖Fig.4 Schematic diagram of slope cross-section

根據(jù)圖4，則有：

在地形為平地的情況下，由于電纜敷設(shè)時不會是一條直線，在高程上會有起伏，左右方向上會有偏移，且電纜在轉(zhuǎn)彎時會有一定弧度，通常平地條件下電纜余量系數(shù)取5%。

本光伏電站每個光伏子陣的地形情況均不相同，在統(tǒng)計電纜長度時，需要根據(jù)每個光伏子陣的地形情況設(shè)置電纜余量系數(shù)。

10#光伏子陣所在地的地形情況如圖5 所示，該區(qū)域的總體地形平緩，爬坡度在7%左右，地面敷設(shè)電纜的實際長度與布線軟件統(tǒng)計的電纜長度相差0.245%。由于地形因素影響很小，綜合考慮地形因素與電纜余量系數(shù)后，本區(qū)域的電纜余量系數(shù)取5.5%。

圖5 10#光伏子陣所在地的地形情況Fig.5 Terrain of 10# PV array location

4#光伏子陣所在地的地形情況如圖6 所示，該區(qū)域的地形起伏較大，總體爬坡度在30%左右，地面敷設(shè)電纜的實際長度與布線軟件統(tǒng)計的電纜長度相差4.5%。綜合考慮地形因素與電纜余量系數(shù)后，本區(qū)域的電纜余量系數(shù)取9.5%。

圖6 4#光伏子陣所在地的地形情況Fig.6 Terrain of 4# PV array location

根據(jù)地形爬坡度情況，結(jié)合協(xié)鑫能源工程有限公司在實際項目施工中積累的經(jīng)驗，得到不同爬坡度下的電纜余量系數(shù)取值，如表8 所示。

表8 不同爬坡度下的電纜余量系數(shù)取值Table 8 Value of cable allowance coefficient under different climbing slopes

2.1.2 其他因素對電纜用量的影響

其他影響電纜用量的因素主要包括光伏支架結(jié)構(gòu)形式、光伏支架傾斜面最低點離地高度、電纜敷設(shè)深度、設(shè)備安裝高度等。

1)光伏支架結(jié)構(gòu)形式的影響。本光伏電站中光伏支架的結(jié)構(gòu)形式如圖7 所示。

圖7 本光伏電站中光伏支架的結(jié)構(gòu)形式Fig.7 Structural form of PV brackets in this PV power station

光伏組件采用豎向雙排布置，光伏組串采用U 型接線方式，即上下兩塊光伏組件分別為電纜正、負極出線端。電纜從光伏組件接線盒出線后沿檁條敷設(shè)至光伏支架前立柱，然后向下入地敷設(shè)。根據(jù)接線盒的位置，統(tǒng)計得到接線盒出線至光伏支架前立柱這段電纜的長度為2.3 m，如圖7 中藍色標記。

2)光伏支架傾斜面最低點離地高度的影響。本光伏電站中光伏組件的離地高度不小于1.5 m，根據(jù)光伏支架圖紙，從光伏支架前立柱上邊沿到地面的高度為1.8 m，則電纜從前立柱至地面這段長度相對于地面光伏電站中采用的光伏支架形式增加了3.6 m。

3)電纜敷設(shè)深度的影響。本光伏電站中電纜須敷設(shè)在凍土層以下，該地區(qū)的凍土層深度為1.1 m，由于電纜需先入地然后至設(shè)備處后再出地，導(dǎo)致每串電纜長度增加用量4.4 m。

4)設(shè)備安裝高度的影響。本光伏電站中匯流箱(或逆變器)高出地面約1 m，根據(jù)電纜進設(shè)備的方式，每串電纜長度增加用量約2.3 m。

綜上，從接線盒到入地再到設(shè)備需要增加的總電纜用量M可表示為：

式中：M1為光伏支架結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致增加的電纜用量，本文取2.3 m；M2為光伏支架傾斜面最低點離地高度導(dǎo)致增加的電纜用量，本文取3.6 m；M3為電纜敷設(shè)深度導(dǎo)致增加的電纜用量，本文取4.4 m；M4為設(shè)備安裝高度導(dǎo)致增加的電纜用量，本文取2.3 m。

由式(2)可知，從接線盒到入地再到設(shè)備需要增加的總電纜用量為12.6 m。

綜上可知：在電纜實際敷設(shè)過程中，其用量極易受到地形、光伏支架結(jié)構(gòu)形式、光伏支架傾斜面最低點離地高度、電纜敷設(shè)深度、設(shè)備安裝高度等因素的影響，使其實際用量大于布線軟件的設(shè)計用量。

2.2 施工管理分析

光伏電站的總承包商一般將施工部分分包給施工隊，若電纜由總承包商供材，可能導(dǎo)致施工現(xiàn)場電纜施工敷設(shè)出現(xiàn)浪費嚴重等問題。因此，在光伏電站施工過程中，應(yīng)從工作人員管理著手，合理安排，減少浪費。

2.2.1 項目部人員工作安排

為維護總承包商利益，規(guī)范電纜的管理，對于低壓電纜的使用應(yīng)做出如下要求：

1)工程技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)圖紙和現(xiàn)場實際情況，在施工前提供電纜使用計劃，以其作為領(lǐng)取電纜的依據(jù)；在施工過程中應(yīng)根據(jù)電纜實際敷設(shè)數(shù)量編制《電纜工程量統(tǒng)計表》，并與圖紙設(shè)計量進行對比，有差異的及時辦理變更手續(xù)，作為竣工結(jié)算和審計的依據(jù)。

2)材料管理人員應(yīng)依據(jù)工程技術(shù)人員提供的電纜使用計劃嚴格控制電纜領(lǐng)用量，并制訂完整的電纜收貨、發(fā)料及回收臺賬，并由相關(guān)人員簽字確認；項目管理人員定期組織工程技術(shù)人員、材料管理人員對電纜領(lǐng)用量和施工工程量進行核實，確?，F(xiàn)場電纜不零亂、不浪費、不丟失。

3)費控人員應(yīng)對電纜的使用情況起到監(jiān)督作用，不定期抽查工程技術(shù)人員編制的《電纜工程量統(tǒng)計表》的準確性，負責(zé)組織相關(guān)人員對結(jié)算工程量、分包審計工程量及電纜領(lǐng)用量進行對比，對不合理的地方進行更正。

由于高壓電纜的單價高，應(yīng)盡可能減少浪費和接頭，對于該部分電纜的要求如下：

1)設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)理論電纜余量系數(shù)進行電纜敷設(shè)設(shè)計，并將設(shè)計成果(電纜表及敷設(shè)路由圖)發(fā)給現(xiàn)場電氣專業(yè)工程師，現(xiàn)場電氣專業(yè)工程師根據(jù)項目現(xiàn)場實際情況反饋每根電纜的實際測量長度，然后設(shè)計人員根據(jù)現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)再進行調(diào)整，最終形成電纜明細表和分盤數(shù)據(jù)。

2)采購人員將電纜明細表和分盤數(shù)據(jù)提供給電纜廠，廠家據(jù)此配盤，并標注配盤參數(shù)(電纜編號、型號、規(guī)格、長度)，廠家發(fā)貨前需將相關(guān)配盤參數(shù)提供給項目部，以便組織施工作業(yè)。

3)現(xiàn)場作業(yè)時現(xiàn)場電氣專業(yè)工程師應(yīng)嚴格監(jiān)督電纜的敷設(shè)和電纜終端的制作，避免浪費。

2.2.2 對分包單位的要求

若電纜由施工分包單位采購，合理使用電纜有助于提升施工分包單位的收益，可有效降低電纜消耗。在總承包商完成初設(shè)評審收口后提供本項目的電纜清冊，相當(dāng)于已經(jīng)明確了項目中各處電纜的規(guī)格、型號及長度，此時建議由施工分包單位在總承包商提供的電纜短名單中按電纜清冊確定的量采購電纜，并以此作為結(jié)算依據(jù)。施工方在電纜采購前，先行對項目現(xiàn)場做詳細復(fù)測，若對電纜清冊確定的量有異議，則需及時提出，并與總承包商(或設(shè)計單位)的設(shè)計、工程等技術(shù)人員討論，經(jīng)設(shè)計人員確認的(理由充分)給予調(diào)整，并做好記錄，以此作為結(jié)算依據(jù)。對電纜清冊確定的量無異議時，則視為按電纜清冊量作為本項目的結(jié)算依據(jù)。

3 結(jié)論

本文從設(shè)備布置位置和電纜敷設(shè)方式的角度對地面光伏電站和分布式光伏電站的光伏方陣設(shè)計方案進行了對比，并以某風(fēng)光互補型光伏電站為例，對電纜實際敷設(shè)過程中的影響因素及施工管理進行了分析。分析結(jié)果顯示：1)對于地面光伏電站單個光伏方陣而言，無論是使用銅芯電纜還是鋁合金芯電纜，采用箱逆變一體機時的單瓦電纜成本均優(yōu)于采用組串式逆變器時的單瓦電纜成本。2)對于分布式光伏電站而言，當(dāng)采用銅芯電纜時，組串式逆變器以集中式排布時光伏電站單瓦電纜成本較低；當(dāng)采用鋁合金芯電纜時，組串式逆變器以分散式排布時光伏電站單瓦電纜成本較低。3)在電纜實際敷設(shè)過程中，其用量極易受到地形、光伏支架結(jié)構(gòu)形式、光伏支架傾斜面最低點離地高度、電纜敷設(shè)深度、設(shè)備安裝高度等因素的影響，使其實際用量大于布線軟件的設(shè)計用量。