大型光伏电站中 四种中压交流电缆连接方式的比较

第一章 绪论

现有的光伏电站主要分为大型地面光伏电站以及分布式屋顶光伏电站。大型地面光伏电站有装机容量规模庞大，投资大收益高，电缆线路繁多而复杂等特点。对于光照条件优良，有着大面积开阔平坦地势的地区，大型地面光伏电站的投资收益比更佳，很多开发商都瞄准这些地区。但是，由于规模巨大，系统复杂，大型地面光伏电站在系统可靠性方面有着更高的要求，特别是线路的可靠性。与组件以及逆变器不同，线路故障更加不容易被排查，修复的操作周期也会相对长一些。因此，如何从设计上减少线路故障所带来的损失，提高整体系统的可靠新，是非常重要的一个因素。

光伏电站的结构可以分为两大部分：逆变器之前的直流部分以及逆变器之后的交流部分。直流部分的结构一般都是线性的，所有直流电缆都会使用类似树形（或称为星形）结构连接，即多个组串到汇流箱，多个汇流箱到直流配电柜，若干直流配电柜到逆变器。而交流部分，特别是中压部分，可以采用不同的电缆连接结构，以提高系统的可靠性。在南非REIPPP第三轮投标以及巴基斯坦The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW投标中，标书中明确要求中压交流电缆采用环形结构。但是，环形结构在不同的设计团队有不同的理解，从而给出不同环形结构的设计。

因此，到底哪种中压电缆连接结构可以给系统可靠性带来最大的提升，本文会基于负载损失期望（LOLE）原理对常见的四种不同电缆连接结构作出分析和对比。

第二章 理论基础

2.1 负载损失期望的基本概念

负载损失期望，Loss of Load Expectation（以下简称LOLE），是分析整体宏观电力系统可靠性中的一个概念，以电力系统中，负载能获得的不同电力供应等级为整体事件，计算负载获得电力等级的期望。LOLE的计算公式如下所示：

LOLE=

公式1: 负载损失期望计算公式

其中：

pk: 负载开始有电力供应缺口时，不同负载功率损失等级相对应的概率

PL: 负载所需电力供应功率

PD：电力系统能提供给负载的功率

LOLE可以反映出整体电力系统的可靠性，当LOLE越低时，系统可靠性越高，反之亦然。对于线路来说，两个设备之间的可用线路越多，系统可靠性越高，使得LOLE越低；但是在增加设备间可用线路的同时，系统的整体建设成本会上升。如何平衡系统可靠性和系统成本，更像一种艺术。

2.2 负载损失期望在光伏电站中压线路结构中的应用

虽然LOLE是一个主要针对负载端的概念，而光伏电站在电力系统中属于发电端，看似不相符合的概念应用，其实转换一下思路就可以很好的套用上去，并且利用LOLE分析出来的结果也有参考意义。

我们假设在光伏电站的输出端连接一个负载，此负载所需的功率即为光伏电站的最大输出功率。那么，由于故障，损坏等原因使得光伏电站输出下降时，即视为负载开始出现电力供应缺口，2.1中的公式里面的（PL-PD）开始出现正值。当出现多个或者严重故障时，光伏电站的输出越来越低，相当于负载的电力供应缺口越来越大，相对应的LOLE也越来越大。因此LOLE完全可以套用在光伏电站可靠性的分析中。

对于本文中关于大型地面光伏电站的中压线路结构的分析和讨论，本文建立了一个由16台500kW逆变器组成的小型发电单元的模型，整体电站占地规模和走线方式均参考的巴基斯坦The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW项目。模型的规模也是根据巴基斯坦The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW投标文件中所要求的中压线路环形结构，每个环要在5-10MW之间的要求而设定的。在大型光伏电站中，像此类的小型发电环形单元都是有可能出现的。

第三章 分析方法与结果

3.1 设计模型

本文中假设的发电单元为16个500kW逆变器组成的发电单元，逆变器总输出为8MVA。每两个逆变器放置在一间逆变器房中，每两个逆变器房共用一台中压升压变压器，即一共有4台中压升压变压器。如下图所示：

图1：假设发电单元模型

本文中研究的中压电缆连接结构一共有4种，分别为：

1. 传统星形结构

传统星形结构及为每一个变压器都有一根中压出线连接至变电站，此种结构最为简单直接，也是在光伏电站设计中常用的结构，并且每条电缆所承受的功率只有一台变压器的功率，所以电缆规格较小，使得成本降低。但是由于每个变压器只有一条线路与变电连接，所以可靠性方面并不高。此结构的连线在本文分析中的形式如下图所示：

图2：星形中压电缆连接结构

2. 单出线环形结构

单出线环形结构被一些EPC公司在设计时所采用，将若干个变压器使用电缆环形连接之后，选择距离变电站最近的一台变压器，使用中压电缆出线连接至变电站。相比下面将要介绍的双出线环形结构，单出线环形结构所使用的中压交流电缆会少一些，但是由于整个环只有一条线路与变电站连接，所以可靠性较低。此结构的连线在本文分析中的形式如下图所示：

图3：单出线环形中压电缆连接结构

3. 双出线环形结构

双出线环形结构相比单出线环形结构，环会多出一条线路与变电站连接，在一条出线故障时，另一条线路可以保持环中的逆变器继续输出电力到电网。同单出线环形结构相同，考虑到故障时的潮流走向，所有电缆必须选用能够承受所有变压器功率的大小规格，因此成本会相对高一些。此结构的连线在本文分析中的形式如下图所示：

图4：双出线环形中压电缆连接结构

4. 桥式结构

环形结构提出之前，桥式结构经常被应用，即在星形结构的基础上，每两台相邻的变压器使用中压电缆连接，使得每台变压器都有两条线路连接到变电站，大大提高了系统可靠性，但是由于每两台变压器间增加了电缆，使得成本偏高。

图5：桥型中压电缆连接结构

3.2 前提条件

在假设的发电单元模型中，有光伏组件（图中未画出），汇流箱（图中未画出），逆变器，变压器，以及连接个设备之间相对应的电缆所组成。由于光伏组件到逆变器直流进线端口的系统结构，走线方式，线缆规格等都相同，所以不影响不同中压电缆连接结构之间的比较结果，在分析时不当做变量加入。由于逆变器到变压器的距离很近，所以设其损坏的概率为0。综上所述，在分析中，变量只用考虑每条中压电缆的损坏概率即可。

所以在本文的分析中，假设所有类型的电缆的损坏概率为2%/km，即FORl=0.02/km。每条电缆的实际长度以及其损坏概率和正常概率如下表所示：

1. 星形结构

2. 单出线环形结构

3. 双出线环形结构

4. 桥形结构

如本文中2.2节所介绍的，为了将负载损失期望理论应用到光伏电站发电中，我们设假设的发电单元模型所接负载为8MVA。由于每一台变压器的输出功率为2MVA，所以每当有一台变压器由于交流线路原因不能输出电力时，负载损失2MVA电力供应，即产生2MVA电力供应缺口，这些将会计算到LOLE中。

该系统中，中压等级为33kV，每台变压器的输出功率为8MVA。 

3.3 LOLE计算

发电单元所能供应的电力功率有5个等级：8MVA，6MVA，4MVA，2MVA，0MVA。相对应的，负载的电力供应缺口也有5个等级：0MVA，2MVA，4MVA，6MVA，8MVA。每当有一条，或多条中压交流电缆故障时，就可能会有中压变压器与变电站断开连接，根据每种中压电缆连接结构的不同，负载的电力供应缺口等级出现的概率也会不同。

首先根据不同中压电缆连接结构的特点，以及每条电缆损坏的概率，计算出在此种连接结构下，每种负载电力供应缺口的概率。然后根据本文2.1节中的公式1计算每种中压电缆连接结构的LOLE。计算结果如下所示:

1. 星形结构

LOLE=0.2317MVA

2. 单出线环形结构

LOLE=0.2169MVA

3. 双出线环形结构

LOLE=0.0092MVA

4. 桥形结构

LOLE=0.0074MVA

3.4 投资分析

在选择线缆的时候，根据不同的中压交流连接结构的极端情况，需要选择符合该情况的电缆规格，以保证在极端情况下，电缆可以安全使用。所以不同的连接结构使用的是不同的电缆，由此产生了不同的电缆成本。在设计时，除了要保持系统较高的可靠性，也要降低成本，提高收益比率。

每台变压器的输出功率为2MVA，中压电压等级为33kV，变压器的高压端为三角形结构，因此每台变压器输出线电流为35A。为了安全起见，在进行电缆选型时，将计算出的线电流扩大1.2倍，所以每台变压器的线电流我们考虑为42A。

不同中压交流连接结构电缆的选择情况如下所释：

1. 星形结构

每台变压器都有一条出线连接至变电站，所以每根电缆都只用承受一台变压器的输出电流。所以电缆选用3芯10mm的YJV 22中压电缆即可。从本文中3.2节可以看出，实验中的发电单元需要总共5.792km此类电缆。大概成本为人民币26.92万元。

2. 单出线环形结构

每个环只有一条出线连接至变电站，在极端条件下，环内的中压交流电缆要承受3台变压器输出电流，出线中压交流电缆要承受4台变压器输出的电流。所以环内中压交流电缆选用3芯35mm的YJV22中压电缆，从本文3.2节可以看出，实验中的发电单元需要0.734km此类电缆；出线中压交流电缆选用3芯70mm中压电缆，从本文3.2节可以看出，实验中的发电单元需要1.354km此类电缆。大概成本为人民币48.66万元。

3. 双出线环形结构

每个环有两条出线连接至变电站，在极端条件下，环内的中压交流电缆要承受3台变压器输出电流，出线中压交流电缆要承受4台变压器输出的电流。所以环内中压交流电缆选用3芯35mm的YJV22中压电缆，从本文3.2节可以看出，实验中的发电单元需要0.535km此类电缆；出线中压交流电缆选用3芯70mm中压电缆，从本文3.2节可以看出，实验中的发电单元需要2.914km此类电缆。大概成本为人民币87.73万元。

4. 桥形结构

每两个变压器有两条出线连接至变电站，在极端条件下，环内的中压交流电缆要承受1台变压器输出电流，出线中压交流电缆要承受2台变压器输出的电流。所以环内中压交流电缆选用3芯10mm的YJV22中压电缆，从本文3.2节可以看出，实验中的发电单元需要0.408km此类电缆；出线中压交流电缆选用3芯25mm中压电缆，从本文3.2节可以看出，实验中的发电单元需要5.792km此类电缆。大概成本为人民币69.22万元。

以巴基斯坦The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW项目为例，假设在日照时数内，变压器均满负荷输出，即输出为2MVA，则不同的中压交流连接结构的投资回报率使用以下公式进行计算：

ROI=

公式2: 不同中压交流连接结构的投资回报率计算公式

其中：

ROI：投资回报率

Clk：不同中压交流连接结构所需电缆成本

LOLElk：不同中压交流连接结构的负载损失期望

hs/y: 每年日照时数

PE/kWh：每度电的上网电价

需要注意的是，以上公式只计算了中压交流电缆的成本投资，其他的并未加入其中，但是可以做一个理论分析。星形结构中，每台变压器需要一个42A以上的中压断路器，总共4个；单出线环形结构需要4套由3个中压开关柜组成的环网柜组，其中，与变压器连接的断路器可以使用42A以上的中压断路器，环路中的开关由于系统极限情况，至少需要承受三到四台台变压器的电流；双出线环形结构跟单出线环形结构类似；桥型结构的环路开关至少要承受两台变压器的电流。除了额定电流的区别以外，环路承受的故障电流也会比非环形结构的高，所以环形结构所使用的断路器数量比非环形结构多，规格也比非环形结构大，整体价格较高。

根据公式2，在不同地点的日照条件下，不同的中压交流连接结构的投资回报率如下表所示：

从上表可以看到，虽然星形结构的可靠性最低，但是由于电缆成本很低，导致投资回报率为四种结构中最高的，单出线环形其次，双出线环形的投资回报最差。

第四章 结论

根据本文3.3节中计算出来的结果可以看出，桥形结构的LOLE是四种中压交流连接结构方式中最低的，所以可以保证较少的电量损失；而星形结的LOLE最高，所以电量损失较高。然而将投资成本和由电量损失所带来的收入损失结合起来看，3.4节中得出了星型结构为最佳的结论。

以上结论只是从光伏电站的角度来看，如果从电网的角度来看则并不相同。电网公司最关心的事情之一就是如何保证电网的安全性和稳定性，而光伏电站本身就是一个不稳定的电源，受环境和时间影响较大，如果再由于线路故障造成了大量功率损失，对电网会有较大的冲击。这也是南非以及巴基斯坦等国家在国家级的大型光伏电站投标中要求投标人使用环形中压电缆连接结构的原因。所以从电网的角度来看，他们更可能推荐桥型结构而非星形结构。

另外在不同大小的地面光伏电站中，以上结论也不尽相同。在10MW的电站中，国内有些设计会在环形结构的环路中使用高压负荷开关和高压熔断器的组合来代替断路器。由于环路中的开关并不是经常断合的，所以对于较小功率的环使用负荷开关可以有效的降低环形结构的成本。

因此，对于不同大小的光伏电站，在不同客户的要求下，索要具体做出的分析也不同。在选择中压交流连接方式的时候，要针对硬性要求，成本和收益等方面做出综合考虑，从而得出对自己最有利的方案和决定。