第一章 緒論

現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容量規模龐大，投資大收益高，電纜線路繁多而復雜等特點。對于光照條件優良，有著大面積開闊平坦地勢的地區，大型地面光伏電站的投資收益比更佳，很多開發商都瞄準這些地區。但是，由于規模巨大，系統復雜，大型地面光伏電站在系統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，修復的操作周期也會相對長一些。因此，如何從設計上減少線路故障所帶來的損失，提高整體系統的可靠新，是非常重要的一個因素。

光伏電站的結構可以分為兩大部分：逆變器之前的直流部分以及逆變器之后的交流部分。直流部分的結構一般都是線性的，所有直流電纜都會使用類似樹形（或稱為星形）結構連接，即多個組串到匯流箱，多個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構，以提高系統的可靠性。在南非REIPPP第三輪投標以及巴基斯坦The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW投標中，標書中明確要求中壓交流電纜采用環形結構。但是，環形結構在不同的設計團隊有不同的理解，從而給出不同環形結構的設計。

因此，到底哪種中壓電纜連接結構可以給系統可靠性帶來最大的提升，本文會基于負載損失期望（LOLE）原理對常見的四種不同電纜連接結構作出分析和對比。

第二章 理論基礎

2.1 負載損失期望的基本概念

負載損失期望，Loss of Load Expectation（以下簡稱LOLE），是分析整體宏觀電力系統可靠性中的一個概念，以電力系統中，負載能獲得的不同電力供應等級為整體事件，計算負載獲得電力等級的期望。LOLE的計算公式如下所示：

LOLE=

公式1: 負載損失期望計算公式

其中：

pk: 負載開始有電力供應缺口時，不同負載功率損失等級相對應的概率

PL: 負載所需電力供應功率

PD：電力系統能提供給負載的功率

LOLE可以反映出整體電力系統的可靠性，當LOLE越低時，系統可靠性越高，反之亦然。對于線路來說，兩個設備之間的可用線路越多，系統可靠性越高，使得LOLE越低；但是在增加設備間可用線路的同時，系統的整體建設成本會上升。如何平衡系統可靠性和系統成本，更像一種藝術。

2.2 負載損失期望在光伏電站中壓線路結構中的應用

雖然LOLE是一個主要針對負載端的概念，而光伏電站在電力系統中屬于發電端，看似不相符合的概念應用，其實轉換一下思路就可以很好的套用上去，并且利用LOLE分析出來的結果也有參考意義。

我們假設在光伏電站的輸出端連接一個負載，此負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，即視為負載開始出現電力供應缺口，2.1中的公式里面的（PL-PD）開始出現正值。當出現多個或者嚴重故障時，光伏電站的輸出越來越低，相當于負載的電力供應缺口越來越大，相對應的LOLE也越來越大。因此LOLE完全可以套用在光伏電站可靠性的分析中。

對于本文中關于大型地面光伏電站的中壓線路結構的分析和討論，本文建立了一個由16臺500kW逆變器組成的小型發電單元的模型，整體電站占地規模和走線方式均參考的巴基斯坦The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW項目。模型的規模也是根據巴基斯坦The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW投標文件中所要求的中壓線路環形結構，每個環要在5-10MW之間的要求而設定的。在大型光伏電站中，像此類的小型發電環形單元都是有可能出現的。

第三章 分析方法與結果

3.1 設計模型

本文中假設的發電單元為16個500kW逆變器組成的發電單元，逆變器總輸出為8MVA。每兩個逆變器放置在一間逆變器房中，每兩個逆變器房共用一臺中壓升壓變壓器，即一共有4臺中壓升壓變壓器。如下圖所示：

圖1：假設發電單元模型

本文中研究的中壓電纜連接結構一共有4種，分別為：

1. 傳統星形結構

傳統星形結構及為每一個變壓器都有一根中壓出線連接至變電站，此種結構最為簡單直接，也是在光伏電站設計中常用的結構，并且每條電纜所承受的功率只有一臺變壓器的功率，所以電纜規格較小，使得成本降低。但是由于每個變壓器只有一條線路與變電連接，所以可靠性方面并不高。此結構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構

2. 單出線環形結構

單出線環形結構被一些EPC公司在設計時所采用，將若干個變壓器使用電纜環形連接之后，選擇距離變電站最近的一臺變壓器，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形結構，單出線環形結構所使用的中壓交流電纜會少一些，但是由于整個環只有一條線路與變電站連接，所以可靠性較低。此結構的連線在本文分析中的形式如下圖所示：

圖3：單出線環形中壓電纜連接結構

3. 雙出線環形結構

雙出線環形結構相比單出線環形結構，環會多出一條線路與變電站連接，在一條出線故障時，另一條線路可以保持環中的逆變器繼續輸出電力到電網。同單出線環形結構相同，考慮到故障時的潮流走向，所有電纜必須選用能夠承受所有變壓器功率的大小規格，因此成本會相對高一些。此結構的連線在本文分析中的形式如下圖所示：

圖4：雙出線環形中壓電纜連接結構

4. 橋式結構

環形結構提出之前，橋式結構經常被應用，即在星形結構的基礎上，每兩臺相鄰的變壓器使用中壓電纜連接，使得每臺變壓器都有兩條線路連接到變電站，大大提高了系統可靠性，但是由于每兩臺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構

3.2 前提條件

在假設的發電單元模型中，有光伏組件（圖中未畫出），匯流箱（圖中未畫出），逆變器，變壓器，以及連接個設備之間相對應的電纜所組成。由于光伏組件到逆變器直流進線端口的系統結構，走線方式，線纜規格等都相同，所以不影響不同中壓電纜連接結構之間的比較結果，在分析時不當做變量加入。由于逆變器到變壓器的距離很近，所以設其損壞的概率為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，假設所有類型的電纜的損壞概率為2%/km，即FORl=0.02/km。每條電纜的實際長度以及其損壞概率和正常概率如下表所示：

1. 星形結構

2. 單出線環形結構

3. 雙出線環形結構

4. 橋形結構

如本文中2.2節所介紹的，為了將負載損失期望理論應用到光伏電站發電中，我們設假設的發電單元模型所接負載為8MVA。由于每一臺變壓器的輸出功率為2MVA，所以每當有一臺變壓器由于交流線路原因不能輸出電力時，負載損失2MVA電力供應，即產生2MVA電力供應缺口，這些將會計算到LOLE中。

該系統中，中壓等級為33kV，每臺變壓器的輸出功率為8MVA。 

3.3 LOLE計算

發電單元所能供應的電力功率有5個等級：8MVA，6MVA，4MVA，2MVA，0MVA。相對應的，負載的電力供應缺口也有5個等級：0MVA，2MVA，4MVA，6MVA，8MVA。每當有一條，或多條中壓交流電纜故障時，就可能會有中壓變壓器與變電站斷開連接，根據每種中壓電纜連接結構的不同，負載的電力供應缺口等級出現的概率也會不同。

首先根據不同中壓電纜連接結構的特點，以及每條電纜損壞的概率，計算出在此種連接結構下，每種負載電力供應缺口的概率。然后根據本文2.1節中的公式1計算每種中壓電纜連接結構的LOLE。計算結果如下所示:

1. 星形結構

LOLE=0.2317MVA

2. 單出線環形結構

LOLE=0.2169MVA

3. 雙出線環形結構

LOLE=0.0092MVA

4. 橋形結構

LOLE=0.0074MVA

3.4 投資分析

在選擇線纜的時候，根據不同的中壓交流連接結構的極端情況，需要選擇符合該情況的電纜規格，以保證在極端情況下，電纜可以安全使用。所以不同的連接結構使用的是不同的電纜，由此產生了不同的電纜成本。在設計時，除了要保持系統較高的可靠性，也要降低成本，提高收益比率。

每臺變壓器的輸出功率為2MVA，中壓電壓等級為33kV，變壓器的高壓端為三角形結構，因此每臺變壓器輸出線電流為35A。為了安全起見，在進行電纜選型時，將計算出的線電流擴大1.2倍，所以每臺變壓器的線電流我們考慮為42A。

不同中壓交流連接結構電纜的選擇情況如下所釋：

1. 星形結構

每臺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節可以看出，實驗中的發電單元需要總共5.792km此類電纜。大概成本為人民幣26.92萬元。

2. 單出線環形結構

每個環只有一條出線連接至變電站，在極端條件下，環內的中壓交流電纜要承受3臺變壓器輸出電流，出線中壓交流電纜要承受4臺變壓器輸出的電流。所以環內中壓交流電纜選用3芯35mm的YJV22中壓電纜，從本文3.2節可以看出，實驗中的發電單元需要0.734km此類電纜；出線中壓交流電纜選用3芯70mm中壓電纜，從本文3.2節可以看出，實驗中的發電單元需要1.354km此類電纜。大概成本為人民幣48.66萬元。

3. 雙出線環形結構

每個環有兩條出線連接至變電站，在極端條件下，環內的中壓交流電纜要承受3臺變壓器輸出電流，出線中壓交流電纜要承受4臺變壓器輸出的電流。所以環內中壓交流電纜選用3芯35mm的YJV22中壓電纜，從本文3.2節可以看出，實驗中的發電單元需要0.535km此類電纜；出線中壓交流電纜選用3芯70mm中壓電纜，從本文3.2節可以看出，實驗中的發電單元需要2.914km此類電纜。大概成本為人民幣87.73萬元。

4. 橋形結構

每兩個變壓器有兩條出線連接至變電站，在極端條件下，環內的中壓交流電纜要承受1臺變壓器輸出電流，出線中壓交流電纜要承受2臺變壓器輸出的電流。所以環內中壓交流電纜選用3芯10mm的YJV22中壓電纜，從本文3.2節可以看出，實驗中的發電單元需要0.408km此類電纜；出線中壓交流電纜選用3芯25mm中壓電纜，從本文3.2節可以看出，實驗中的發電單元需要5.792km此類電纜。大概成本為人民幣69.22萬元。

以巴基斯坦The Quaid-e-Azam Solar Park 100MW項目為例，假設在日照時數內，變壓器均滿負荷輸出，即輸出為2MVA，則不同的中壓交流連接結構的投資回報率使用以下公式進行計算：

ROI=

公式2: 不同中壓交流連接結構的投資回報率計算公式

其中：

ROI：投資回報率

Clk：不同中壓交流連接結構所需電纜成本

LOLElk：不同中壓交流連接結構的負載損失期望

hs/y: 每年日照時數

PE/kWh：每度電的上網電價

需要注意的是，以上公式只計算了中壓交流電纜的成本投資，其他的并未加入其中，但是可以做一個理論分析。星形結構中，每臺變壓器需要一個42A以上的中壓斷路器，總共4個；單出線環形結構需要4套由3個中壓開關柜組成的環網柜組，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，環路中的開關由于系統極限情況，至少需要承受三到四臺臺變壓器的電流；雙出線環形結構跟單出線環形結構類似；橋型結構的環路開關至少要承受兩臺變壓器的電流。除了額定電流的區別以外，環路承受的故障電流也會比非環形結構的高，所以環形結構所使用的斷路器數量比非環形結構多，規格也比非環形結構大，整體價格較高。

根據公式2，在不同地點的日照條件下，不同的中壓交流連接結構的投資回報率如下表所示：

從上表可以看到，雖然星形結構的可靠性最低，但是由于電纜成本很低，導致投資回報率為四種結構中最高的，單出線環形其次，雙出線環形的投資回報最差。

第四章 結論

根據本文3.3節中計算出來的結果可以看出，橋形結構的LOLE是四種中壓交流連接結構方式中最低的，所以可以保證較少的電量損失；而星形結的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的收入損失結合起來看，3.4節中得出了星型結構為最佳的結論。

以上結論只是從光伏電站的角度來看，如果從電網的角度來看則并不相同。電網公司最關心的事情之一就是如何保證電網的安全性和穩定性，而光伏電站本身就是一個不穩定的電源，受環境和時間影響較大，如果再由于線路故障造成了大量功率損失，對電網會有較大的沖擊。這也是南非以及巴基斯坦等國家在國家級的大型光伏電站投標中要求投標人使用環形中壓電纜連接結構的原因。所以從電網的角度來看，他們更可能推薦橋型結構而非星形結構。

另外在不同大小的地面光伏電站中，以上結論也不盡相同。在10MW的電站中，國內有些設計會在環形結構的環路中使用高壓負荷開關和高壓熔斷器的組合來代替斷路器。由于環路中的開關并不是經常斷合的，所以對于較小功率的環使用負荷開關可以有效的降低環形結構的成本。

因此，對于不同大小的光伏電站，在不同客戶的要求下，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候，要針對硬性要求，成本和收益等方面做出綜合考慮，從而得出對自己最有利的方案和決定。