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(lèi)似樹(shù)形（或稱(chēng)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The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW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，Loss of Load Expectation（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW項(xiàng)目。模型的規(guī)模也是根據(jù)巴基斯坦The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW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(lèi)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：

圖1：假設(shè)發(fā)電單元模型

本文中研究的中壓電纜連接結(jié)構(gòu)一共有4種，分別為：

1. 傳統(tǒng)星形結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)星形結(jié)構(gòu)及為每一個(gè)變壓器都有一根中壓出線連接至變電站，此種結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單直接，也是在光伏電站設(shè)計(jì)中常用的結(jié)構(gòu)，并且每條電纜所承受的功率只有一臺(tái)變壓器的功率，所以電纜規(guī)格較小，使得成本降低。但是由于每個(gè)變壓器只有一條線路與變電連接，所以可靠性方面并不高。此結(jié)構(gòu)的連線在本文分析中的形式如下圖所示：

圖2：星形中壓電纜連接結(jié)構(gòu)

2. 單出線環(huán)形結(jié)構(gòu)

單出線環(huán)形結(jié)構(gòu)被一些EPC公司在設(shè)計(jì)時(shí)所采用，將若干個(gè)變壓器使用電纜環(huán)形連接之后，選擇距離變電站最近的一臺(tái)變壓器，使用中壓電纜出線連接至變電站。相比下面將要介紹的雙出線環(huán)形結(jié)構(gòu)，單出線環(huán)形結(jié)構(gòu)所使用的中壓交流電纜會(huì)少一些，但是由于整個(gè)環(huán)只有一條線路與變電站連接，所以可靠性較低。此結(jié)構(gòu)的連線在本文分析中的形式如下圖所示：

圖3：?jiǎn)纬鼍€環(huán)形中壓電纜連接結(jié)構(gòu)

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：

圖4：雙出線環(huán)形中壓電纜連接結(jié)構(gòu)

4. 橋式結(jié)構(gòu)

環(huán)形結(jié)構(gòu)提出之前，橋式結(jié)構(gòu)經(jīng)常被應(yīng)用，即在星形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，每?jī)膳_(tái)相鄰的變壓器使用中壓電纜連接，使得每臺(tái)變壓器都有兩條線路連接到變電站，大大提高了系統(tǒng)可靠性，但是由于每?jī)膳_(tái)變壓器間增加了電纜，使得成本偏高。

圖5：橋型中壓電纜連接結(jié)構(gòu)

3.2 前提條件

在假設(shè)的發(fā)電單元模型中，有光伏組件（圖中未畫(huà)出），匯流箱（圖中未畫(huà)出），逆變器，變壓器，以及連接個(gè)設(shè)備之間相對(duì)應(yīng)的電纜所組成。由于光伏組件到逆變器直流進(jìn)線端口的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，走線方式，線纜規(guī)格等都相同，所以不影響不同中壓電纜連接結(jié)構(gòu)之間的比較結(jié)果，在分析時(shí)不當(dāng)做變量加入。由于逆變器到變壓器的距離很近，所以設(shè)其損壞的概率為0。綜上所述，在分析中，變量只用考慮每條中壓電纜的損壞概率即可。

所以在本文的分析中，假設(shè)所有類(lèi)型的電纜的損壞概率為2%/km，即FORl=0.02/km。每條電纜的實(shí)際長(zhǎng)度以及其損壞概率和正常概率如下表所示：

1. 星形結(jié)構(gòu)

2. 單出線環(huán)形結(jié)構(gòu)

3. 雙出線環(huán)形結(jié)構(gòu)

4. 橋形結(jié)構(gòu)

如本文中2.2節(jié)所介紹的，為了將負(fù)載損失期望理論應(yīng)用到光伏電站發(fā)電中，我們?cè)O(shè)假設(shè)的發(fā)電單元模型所接負(fù)載為8MVA。由于每一臺(tái)變壓器的輸出功率為2MVA，所以每當(dāng)有一臺(tái)變壓器由于交流線路原因不能輸出電力時(shí)，負(fù)載損失2MVA電力供應(yīng)，即產(chǎn)生2MVA電力供應(yīng)缺口，這些將會(huì)計(jì)算到LOLE中。

該系統(tǒng)中，中壓等級(jí)為33kV，每臺(tái)變壓器的輸出功率為8MVA。 

3.3 LOLE計(jì)算

發(fā)電單元所能供應(yīng)的電力功率有5個(gè)等級(jí)：8MVA，6MVA，4MVA，2MVA，0MVA。相對(duì)應(yīng)的，負(fù)載的電力供應(yīng)缺口也有5個(gè)等級(jí)：0MVA，2MVA，4MVA，6MVA，8MVA。每當(dāng)有一條，或多條中壓交流電纜故障時(shí)，就可能會(huì)有中壓變壓器與變電站斷開(kāi)連接，根據(jù)每種中壓電纜連接結(jié)構(gòu)的不同，負(fù)載的電力供應(yīng)缺口等級(jí)出現(xiàn)的概率也會(huì)不同。

首先根據(jù)不同中壓電纜連接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以及每條電纜損壞的概率，計(jì)算出在此種連接結(jié)構(gòu)下，每種負(fù)載電力供應(yīng)缺口的概率。然后根據(jù)本文2.1節(jié)中的公式1計(jì)算每種中壓電纜連接結(jié)構(gòu)的LOLE。計(jì)算結(jié)果如下所示:

1. 星形結(jié)構(gòu)

LOLE=0.2317MVA

2. 單出線環(huán)形結(jié)構(gòu)

LOLE=0.2169MVA

3. 雙出線環(huán)形結(jié)構(gòu)

LOLE=0.0092MVA

4. 橋形結(jié)構(gòu)

LOLE=0.0074MVA

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?zhuān)?/p>

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YJV 22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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)電纜。大概成本為人民幣69.22萬(wàn)元。

以巴基斯坦The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW項(xiàng)目為例，假設(shè)在日照時(shí)數(shù)內(nèi)，變壓器均滿(mǎn)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(lèi)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：

從上表可以看到，雖然星形結(jié)構(gòu)的可靠性最低，但是由于電纜成本很低，導(dǎo)致投資回報(bào)率為四種結(jié)構(gòu)中最高的，單出線環(huán)形其次，雙出線環(huán)形的投資回報(bào)最差。

第四章 結(jié)論

根據(jù)本文3.3節(jié)中計(jì)算出來(lái)的結(jié)果可以看出，橋形結(jié)構(gòu)的LOLE是四種中壓交流連接結(jié)構(gòu)方式中最低的，所以可以保證較少的電量損失；而星形結(jié)的LOLE最高，所以電量損失較高。然而將投資成本和由電量損失所帶來(lái)的收入損失結(jié)合起來(lái)看，3.4節(jié)中得出了星型結(jié)構(gòu)為最佳的結(jié)論。

以上結(jié)論只是從光伏電站的角度來(lái)看，如果從電網(wǎng)的角度來(lái)看則并不相同。電網(wǎng)公司最關(guān)心的事情之一就是如何保證電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性，而光伏電站本身就是一個(gè)不穩(wěn)定的電源，受環(huán)境和時(shí)間影響較大，如果再由于線路故障造成了大量功率損失，對(duì)電網(wǎng)會(huì)有較大的沖擊。這也是南非以及巴基斯坦等國(guó)家在國(guó)家級(jí)的大型光伏電站投標(biāo)中要求投標(biāo)人使用環(huán)形中壓電纜連接結(jié)構(gòu)的原因。所以從電網(wǎng)的角度來(lái)看，他們更可能推薦橋型結(jié)構(gòu)而非星形結(jié)構(gòu)。

另外在不同大小的地面光伏電站中，以上結(jié)論也不盡相同。在10MW的電站中，國(guó)內(nèi)有些設(shè)計(jì)會(huì)在環(huán)形結(jié)構(gòu)的環(huán)路中使用高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)和高壓熔斷器的組合來(lái)代替斷路器。由于環(huán)路中的開(kāi)關(guān)并不是經(jīng)常斷合的，所以對(duì)于較小功率的環(huán)使用負(fù)荷開(kāi)關(guān)可以有效的降低環(huán)形結(jié)構(gòu)的成本。

因此，對(duì)于不同大小的光伏電站，在不同客戶(hù)的要求下，索要具體做出的分析也不同。在選擇中壓交流連接方式的時(shí)候，要針對(duì)硬性要求，成本和收益等方面做出綜合考慮，從而得出對(duì)自己最有利的方案和決定。