大型光伏电站中四种中压交流电缆连接方式的比较

第1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 Park100MW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2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 ofLoad 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。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TheQuaid-e-Azam Solar Park 100MW项目。模型的规模也是根据巴基斯坦TheQuaid-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3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

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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。

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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。

下周本文将继续介绍LOLE的计算和投资分析，敬请期待。

文章作者：吴曦