光伏发电用0.1MW单元逆变器-箱变一体化装置设计新方案

1.方案名称：

光伏发电用“0.1MW单元逆变器-箱变一体化装置”升压配电设计新方案。

2.背景技术及现有技术的缺陷和不足：

一、背景技术：光伏发电的原理是将光能转化为电能，经直流配电，汇流箱再送到逆变器，变为交流后，再升压输送到配电网。目前有三种配电设计方式，集中式，组串式、集散式。

集中式是以1MW为一个设计单元，从光伏发电板将光能转化为电能，经直流汇流箱，再到2*500KW集中式逆变器，变为0.315KV交流，送到升压变。

集散式是以1MW为一个设计单元，同集中式相同，只是在汇流箱里增加了MPPT模块，起到平衡稳压效果，汇流箱直流变为800V，送到逆变器，再变为520V交流，经升压到电网。

组串式是以28-50KW为一个设计单元，先逆变为交流480V，再经交流汇流箱输送到1MW箱变升压。

二、现有技术的缺陷和不足：

1.优点：目前的集中式升压配电，正常容量在1000KW，逆变器2*500KW，发电系统效率在78%-80%左右。集散式和组串式比集中式升压配电，就近配置MPPT，能解决光伏板远近不同电压拉低现象，比集中式提高大约3%左右。组串式逆变器方案在山地光伏项目中提高发电效率5-8%，安装方便，故障影响面小。

2.缺点：集中和集散式是1、占地面积大2、发电效率提高有限3、体积大山地运输安装难4、土建费用高。5、交直流传输系统损耗大。6、故障影响面大

组串式特点是目前虽然已经有了一定市场应用，但仍需要时间检验运行可靠性。价格贵。

3.具体的技术方案描述：

本方案所要解决的技术问题是提供一种比较明显的提高发电效率的解决方案。它的原理如下图1：

1、采用集中式逆变器3或组串式逆变器，100KW一套，8组MPPT，直流电压在660V~720V左右，16个组串(每组组串6.24KW，22~24块光伏板为一个组串)，每两组共用一个MPPT，16组直流开关柜，可降低因遮挡或蒙灰、和远近光伏板汇流箱造成的电压拉低现象。660V~720V直流电压逆变为交流三相电。组串式逆变器可以省掉直流柜。

2、交流电经100KVA变压器1，直接升压至35KV，变压器、高压隔离开关熔断器、逆变器、避雷器等装在一套箱变内。

3、200台分5个回路，40台一个回路形成树状结构配电系统，4MW为一条高压线路，送到光伏电厂35KV配电室，进行并网。减少了集中式逆变器-箱变之间的线缆和汇流箱到逆变器之间的直流线缆。减少了中间汇流箱环节。

图1

4.本方案的优点：

1、对于组串式逆变器来说节省了交流低压电缆，对于集中式逆变器减少了低压直流交流电缆用量。

2、节省了逆变器房土建。

3、节省了大型箱变土建。

4、山地电站节省了电缆沟敷设、汇流箱接地装置、挖掘土建、和运输成本。

5、可大大缩短了安装施工周期。

6、可大大减小了箱变事故导致的故障范围，检修难度、停电时间降低到最低。

7、一体化装置可实现多台备用，随时更换，缩短故障更换时间可降低运输成本、厂家到货时间。

8、鉴于6.7条，一体化装置可以使太阳能板利用率(降低箱变和逆变器故障的检修概率和停电时间，减少故障导致的光伏停电面积)提高到98%。发电效率更高。

9、整体发电效率提高到87%。比普通集中式逆变器-箱变系统高7%。以20MW安装容量1500年运行小时考虑，25年可多发电5400多万度。见下图3

9、与普通组串式逆变器1MW箱变相比，比组串式可提高发电效率3-4%。

10、特别适合于山地光伏电站，解决了山地电站发电效率低，电缆沟敷设、大型设备无法进入等、组串式设备费太高，运营费高的难题。

图2

图3

以上公式计算可参考中国质量认证中心技术规范《并网光伏电站性能监测与质量评估技术规范》(申请备案稿)和国标规范《GB50797-2012光伏发电站设计规范》

5.具体实施方式及附图：

具体实施方式：

(1)系统原理图见上图。包括以下器件

1、集中式逆变器100KW一套，由于集中式逆变器技术比较成熟。可直接与合作厂方采购，因放置在箱变低压室内，故其散热性能可统一考虑，降低综合造价。直流柜(20A直流开关16个)

2、100KVA油变一台。采用S11型或立体卷铁芯变压器。立体卷铁芯变压器，则空载损耗更低，可比S11型变压器低30%。更可增加发电量。

3、高压真空负荷开关一台(含熔断器、避雷器)

4、二次元件有：箱变测控装置、可测量电流电压功率等信号，也可监测变压器的温度瓦斯等情况。通讯柜一台。

5、其他装置：柜内35KV母线、除湿加热通风装置、二次端子排、柜内照明、五防锁、箱变外壳等。

(2)该装置内部结构如下：进线为直流线缆，先经过逆变器3，转为交流后，接变压器1低压侧，经升压后，接高压真空负荷开关和熔断器2、避雷器6，再接出线高压电缆5;见图4的剖面图。

箱变装置附图图4：

图4以上尺寸仅供参考

图5

6、实际案例

1、20MW某电站投资效益比较

本方案采用4MW一个高压回路，共需5路光伏汇集柜，10面高压开关柜，如果按8MW一个回路，则需3个回路。

共需0.1MW单元逆变器-升压箱变200台。共需5路光伏汇集柜，每回路共有单元40台。

35KV电缆线路6000米(考虑到山地项目路径复杂，电缆多比集中式多1000米)，采用YJV-35kv-3*50。

最长的回路平均1500米电缆，电压降在0.15%。

逆变器直接接光伏板组串。不经过汇流箱。光伏电缆1*4电缆长度与集中式一样的。省去了交直流电缆及其电缆沟、省去了汇流箱接地线、汇流箱通讯线。

箱变测控装置、通讯柜增加到200台。集中式为20台。仍采用光缆传输，未计入全站光缆。

电缆测算图见下：

以上一个方阵200m*114m，共20个，每行为96.9kw，共计12行，不考虑超发配置是10行，考虑超发是12行。22块组件为一串组成上下两排。行间距6米。横排一行为97KW，正好配一个0.1MW单元逆变器-升压箱变，放在阵列中央，起到平衡电压的作用。

山地 含通信

表1

由以上表1可见，按本方案设计0.1MW单元逆变器-箱变组合配电系统，不需增加投资。特别是山地光伏电站，具有很高的效率(比集中式多7%)和度电成本更低，按每年1500发电小时数计算。20MW即可每年可多发电213万度，按1元钱电价计算。25年可多收入5300多万元。经济效益明显。

本方案经济技术指标，是每瓦1.01元(含35KV配电、高压电缆、逆变-升压100KW箱变，及安装费等)。推荐采用2*50组串式逆变器或1*100的集中式逆变器(8路MPPT)。

7、设计原理分析

目前流行做光伏发电设计原理主要类似住宅供配电模式，单兆瓦方阵比喻是单元楼，每个升压变逆变器室单元楼总配电箱，每个汇流箱是楼层间配电箱。这样设计对于大面积集中负荷降压是适用的。但光伏发电类似公路照明配电，是长距离线负荷小容量负荷，所以用住宅设计模式去设计这样的负荷就不适用了。必然导致低压侧交直流线损很大。

对于长距离线负荷小容量，配电设计主要是要求6-35KV高压配电，沿线配置降压变，负荷容量不要很大，低压设计半径200米以内，做到线损最低。尤其是住宅供配电设计模式，本身适用于降压负荷。光伏发电站是升压发电，能尽快提升到并网电压，才能达到效率最高。

所以根据光伏发电负荷的特性，采取高压35KV深入方阵内部，采用小容量100KVA变压器升压，完全可以做到线损率最低，提高发电效率的目的。

事故故障分析：

1、串接电缆故障，导致4MW单元受影响。这个和集中式、组串式1MW单元故障类似。

2、100KVA箱变或逆变器交流侧故障，导致100KW单元受影响。箱变内部有熔断器，可快速切断短路故障。切除故障点。

3、直流侧故障，可由直流柜切除故障。

8、结论

0.1MW单元逆变器-升压箱变技术方案，性价比高，和集中式、集散式投资差不多，比组串式逆变器投资额低。山地地区能提高约7%的效率。年均发电量提高10%。是应该值得推广的光伏发电配电技术方案。

而且0.1MW单元逆变器-升压箱变可作为单独的一体化装置作为新产品开发推广。