大中型光伏电站箱式变压器容量选择

刘朋朋

（三峡新能源山东分公司山东潍坊261300）

摘要：目前，在国家大力支持下，光伏发电得以迅猛发展。以最近投产的三峡新能源山东某19MW中型光伏发电站为例，对大中型光伏电站原理、系统构成及主要设备作用作简要介绍。针对部分设计单位和建设方对大中型光伏电站中箱式变压器容量选择偏于保守，导致箱变容量选择存在偏大的趋势，系统分析光伏组件效率和光伏电站系统效率，提出光伏发电单元中箱变额定容量与光伏组件安装容量的合理配比。对箱变有功损耗、无功损耗等方面进行定量分析，指出箱变容量偏大带来运行费用高的弊端。通过优化箱变设计选型，从而降低光伏电站初始建设成本及投产后运行费用。

关键词：光伏电站；箱式变压器容量；优化设计；降低费用

1大中型光伏电站简介

1.1光伏发电基本原理

光伏发电是利用太阳能电池的光生伏特效应直接把太阳辐射能转换为电能的一种发电方式。太阳能电池也称作光伏组件，是光伏发电的能量转换装置，一种类似于晶体二极管的半导体器件。

1.2三峡新能源山东某19MW中型光伏发电站概况

本项目场址位于山东潍坊滨海产业园区内。利用该园区的四个厂房屋顶建设而成，沿屋面平铺，厂房屋顶为南北向坡屋面造型，两面坡度均为3º，故本项目光伏组件安装倾角为±3º。

本项目共装机19MW，属中型光伏电站。光伏电站采用中节能多晶硅265W光伏组件，共安装71698块。每22块为一个组串，共3259串；每16/12个组串接入一台汇流箱，其中12进1出的汇流箱有64台，16进1出的有173台，共计237台汇流箱；每8台汇流箱接入一台逆变器，共34台汇流逆变器；每2台逆变器接入1台箱变，共18台箱变，再由箱变升压后接至对应的预制舱，通过四条线路T接至邻近的10kV配电线路。该项目于2017年6月29日15:40:00并网发电，是目前山东省内已投产的最大的屋顶分布式光伏电站。

2光伏组件功率及主要影响因素

光伏组件峰值功率指的是在标准条件下（辐照度为1000W/m²，光谱特性AM为1.5，光伏组件温度为25℃）测得的光伏组件最大输出功率，单位是Wp。

在安装地点，光伏组件接收的是太阳辐射能量。影响太阳辐照度的因素主要有：太阳高度角，高度角越大，辐照度越大，比如中午的辐照度比早晚的强，夏秋季比春秋季强；海拔高度，海拔越高，空气越稀薄，大气对太阳辐射的削弱作用越弱；天气状况，晴天云少，对太阳辐射的削弱作用小；大气透明度，透明度高时对太阳削弱作用小；大气污染程度等。

当其余因素相同时，太阳高度角是影响辐照度的决定因素。从物理意义上来说，太阳辐照度是光伏组件产生光生伏特效应的直接影响因素。当辐照度在400W/m²以上时，辐照度与光伏组件的输出功率基本成正比例关系。

影响光伏组件功率的因素非常多，各因素是不断变化的，有些因素会相互作用。其中，光伏组件安装处辐照度及环境温度起着至关重要的作用。不同时刻、不同工况下，光伏组件的实际输出功率不是恒定的，具体数值需要计算或测量得出。

3光伏电站系统效率

光伏电站系统效率是指一定条件下并网点输出功率与该条件下并网阵列包含的所有光伏组件产生的理论功率之比。

光伏电站系统效率一般为78-82%，地面平原光伏电站效率应不低于81%。光伏电站系统效率一般指的是年平均效率，是表征光伏电站运行性能的重要指标。在电站容量和辐照度一致的情况下，系统效率越高代表发电量越大。

影响光伏电站系统效率的因素非常多，譬如天气、环境、设备选型、负载情况、控制策略等，且各因素是不断变化。因此，光伏电站效率无法固定在某一个值上，具体效率应当结合工程实际来计算或测量。

4大中型光伏电站箱式变压器容量选择

4.1箱式变压器额定容量等级

光伏电站常用变压器额定容量等级有630、800、1000、1250、1600、2000、2500KVA等。

4.2通常情况下光伏组件最大功率

要合理选择箱式变压器容量，必然要首先分析通常情况下光伏组件实际最大直流输出功率。

光伏组件均按一定倾角进行安装。设计的优先出发点不同，倾角的大小会有不同的选择。对大中型光伏电站而言，为了尽可能多发电，按全年接收到最多太阳辐照量所对应的倾角作为最佳倾角。在我国，经过计算，除了直接辐照量占总辐照量比例较大的青藏高原地区外，全年最佳倾角总小于当地纬度。随直接辐照量占总辐照量的比例大小不一，最佳倾角小于当地纬度，其差值从几度到二十几度不等。调整光伏组件倾角，可以使其处在最大辐照度下工作。在不同纬度地区，平铺时辐照度与最大辐照度的差值各不相同。例如，在北纬37.6°时平铺的辐照度与最大辐照度相差13%，在北纬32°时平铺的辐照度与最大辐照度相差5.9%，在北纬21.2°时平铺的辐照度与最大辐照度相差2.6%。在绝大部分纬度地区，在辐照度最大值附近±5°，倾斜面上的辐照度与最大值的差值在3‰以内。就固定式而言，即使在太阳能资源最好的地区，光伏组件真正接收到1000W/m²以上辐照度的时间，仅限于一年中几天或十几天的正午前后1-2个小时内。

三峡新能源山东某19MW中型光伏发电站投产以来，在发电量最多的5月份，通常情况下的峰值功率为16.5MW，出现并且能够达到16MW及以上功率的天数为10天，每天累计不到2小时。该电站在5月23日12点10分，出现峰值功率17.8MW。当时，因云层遮挡导致整套光伏发电系统温度较低，当云层遮挡作用突然消失后，在较低温度和较大辐照度共同作用下产生最大瞬时功率。随着整套系统温度回升，输出功率呈慢慢回落态势。

4.3大中型光伏电站箱式变压器容量选择原则

选择箱式变压器容量时，主要考虑其在传输功率大、环境温度高时铁芯、线圈等部件温升不超出限值。

光伏组件在一定安装方式和风速下，最大辐照度和光伏组件温度基本呈线性关系。环境温度和光伏组件温度有密切联系，通常情况下，光伏组件温度比环境温度高25℃左右。可以看出，选择箱式变压器的容量，只需考虑辐照度大、环境温度高的5、6、7月份正午前后1-2个小时内是否满足使用要求即可。此时，光伏电站系统处于大功率、高温工况下。

《光伏发电站设计规范》明确指出，箱式变压器容量应根据光伏阵列的最大连续输出容量进行选择。通过分析当地太阳能资源情况，可以考虑利用变压器短时过负荷能力。

光伏电站系统效率一般以年为单位，是不同辐照度下效率的加权平均值，未考虑温度的影响。光伏组件功率有负的温度系数，直流电缆、逆变器、交流电缆、箱式变压器等损耗有正的温度系数。因此，光伏电站系统效率在冬春季节较高，在夏秋季节较低。部分设计单位在选择箱式变压器容量时，以光伏电站效率为依据是不严谨的，往往会导致容量选择偏大一个等级。

选择箱变容量，只需考虑箱变在输入功率大、环境温度高时段能够满足使用要求即可。当光伏阵列安装容量确定时，在每年5、6、7月份正午前后1-2个小时内光伏电站箱变以前部分系统的效率决定了箱变容量。

4.4大中型光伏电站箱变容量与光伏组件安装容量合理配比及综合分析

4.4.1每年5、6、7月份正午前后1-2个小时内箱变以前部分系统的效率分析

光伏组件因灰尘、雨水遮挡引起的效率降低，取衰减数值3%；光伏组件因高温引起的效率降低取值7%；由于生产工艺问题，因组件不匹配导致效率降低值取3%；根据设计经验，采用交流汇流方案时，安装容量为20MWp的光伏电站需用光伏专用电缆约250km，经计算得直流部分线缆损能耗约2%；随着输出功率的变化，逆变器效率会随之变化，以上能EP-630-A逆变器为例，取逆变器输出额定功率、高温时段的效率为98%。采用交流汇流方案时，安装容量为20MWp的光伏电站需用交流低压电缆约45km，经计算得交流部分线缆损耗约3%。

根据以上数据得出，每年5、6、7月份正午前后1-2个小时内箱变以前部分系统的效率η=(1-2%)*(1-8%)*(1-2%)*(1-2%)*(1-2%)*(1-2%)=82%，即箱变输入功率占到光伏组件安装容量的82%。

4.4.2根据前文有关介绍可以得出结论，大中型光伏电站箱变容量与光伏组件安装容量合理配比为1:1.22左右。可以根据这个配比对大中型光伏电站箱式变压器容量进行合理选择。

以三峡新能源山东某19MW中型光伏发电站为例，安装容量为1492KVA的一个光伏阵列配套一台1250KVA的箱变，箱变容量与光伏组件安装容量为1:1.19。在5、6、7月份正午前后1-2个小时内进行多次观察，箱变线圈、铁芯温度为80℃左右，远低于120℃允许限值，说明该箱变仍有相当部分富余容量。

5大中型光伏电站箱变容量选择偏大带来的问题

5.1电站初始建设成本增加

以该电站为例，该电站共安装YB-1250/10型箱变18台，单台容量为1250KVA，购买费用共430万元，若使用同类型1600KVA欧式箱变，购置费用为522万元，增加建设成本92万元。

5.2箱变有功损耗大导致运行成本增加

变压器有功损耗包括空载损耗和负载损耗，这里重点考虑空载损耗对运行成本的影响。以该电站为例，1250KVA箱变空载损耗为2.83KW，若改为1600KVA箱变则空载损耗为3.43KW。箱变全年运行时间按8000小时计算，光伏电站上网电价按1元计算，容量增大后每年运行费用增加0.48万元。

6结语：大中型光伏电站有着相同的发电原理和近似的系统构成。影响光伏组件实际输出功率的因素较多，光照度和环境温度起着决定性作用。光伏系统效率是衡量一个光伏电站运行性能的重要指标。Mwp阵列采用一阵一变单元接线是主流设计，应用箱变就地升压并入集电线路以减少投资、降低损耗。分析光伏组件在5、6、7月份正午前后的实际输出功率和该时段的效率用来合理选择箱变容量。不同安装方式、太阳能资源和气象条件的差异经过折算后，光伏组件实际输出功率会有明晰的数据作为选择箱变容量的依据。应用在大中型光伏电站与其他场所的变压器在容量选择方法上有较大差异，应本着可用、够用的原则进行选择，过于谨慎会使容量增大一级，导致初始建设成本和后期运行费用大幅度增加。