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【新能源电力设计】集中式光伏电站设计优化
发布时间：2023年04月06日 来源：天科电力 浏览次数：伏发电作为一种清洁可再生能源，具有不会破坏环境、绿色环保、安全可靠、资源丰富等优势，在电力供应短缺、能源结构优化等方面具有广阔的应用前景。当前，光伏发电以其较高的上网电价，以及其较低的环境影响而受到青睐，光伏发电在我国实现了快速发展。随着国家对光伏产业扶持力度的加大和产业链布局的不断完善，光伏发电从“补充电源”向“主体电源”转变。
与传统能源相比，光伏发电具有占地面积小、清洁无污染、使用寿命长等优势，从而成为全球范围内备受青睐的清洁能源。当前，我国已成为全球最大的光伏应用市场。随着国家一系列扶持政策的出台和落地，以及补贴资金落实到位，我国光伏发电装机容量呈现出迅猛增长的态势。截至2020年底，我国光伏发电累计装机量已突破11亿千瓦。
但是，在“碳中和”和“碳达峰”目标下，传统高耗能行业发展受限，作为重要能源之一的光伏发电也将面临着更加严峻的考验。因此，文章结合现有设计规范和标准、最新政策和技术进展等方面，对集中式光伏电站设计进行优化总结，以期为光伏电站建设提供参考。
一、优化支架基础
当前，集中式光伏电站支架基础形式主要有梁板式、斜柱式、柱下桩基础等，不同基础形式所需的地基承载力不同。从目前情况看，随着建筑高度的增加，基础形式的选择也逐渐增多。
根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50037-2010）规定：“单桩基础：桩径≥900 mm，桩长≥18m，桩数≤5根；群桩基础：桩径≥900 mm，桩长≥22m，桩数≤8根”。根据《光伏发电站设计规范》（GB 50976-2012）规定：“光伏发电站内设置的支架基础，应进行荷载组合分析。当单桩、群桩基础、锚杆和锚索基础的荷载均小于其容许值时，可以采用单桩或群桩基础。当有条件时，应考虑采用群桩基础。”
二、优化汇流设计
集中式光伏电站汇流设计过程中，需考虑以下三个方面的优化：
（1）根据不同场景，合理选择汇流方式和汇流箱规格。可根据需要，适当采用集中汇流、集中监控、并网发电的方式，或与集控站结合采用集中监控和并网发电的方式。
（2）根据不同场景，合理确定汇流方式，例如，可采用就地平衡、集中平衡或两级平衡。
（3）结合现场实际情况，合理确定汇流方式的额定功率、最大功率点跟踪和光伏组件安装倾角等参数。
在具体汇流设计过程中，需要注意以下几个方面：
（1）采用三相四线制方式进行汇流接线。
（2）根据直流侧接入的光伏组件类型和数量，确定光伏组件的最大功率点跟踪方案。
（3）确定逆变器直流侧连接电缆的数量和规格。
三、优化电气设备选型
优化光伏电站电气设备选型是保证光伏电站安全、可靠、经济运行的重要措施。在保证安全和可靠运行的前提下，要尽可能降低建设成本。
由于光伏发电系统中的设备均是按照 GB/T 50378—2019 《低压成套开关设备和控制设备》中规定的设备参数选型，因此，在具体工程设计中，应首先了解并掌握现有相关技术规范和标准，并结合实际情况，对电站电气设备进行优化选型。
电气设备主要包括主回路系统、开关、断路器等。此外，还应掌握主变压器参数、容量配置、绝缘配合等技术参数。通过优化选型，能有效降低工程造价，提高投资效益，并且还可以增强企业竞争能力和抗风险能力，使企业在市场竞争中立于不败之地。
四、优化电缆敷设方式
电缆敷设方式主要有直埋、桥架、隧道、排管等方式，在设计中应结合当地地形地貌，考虑周边环境、规划红线等因素，选择经济合理的电缆敷设方式。
电缆敷设方式一般按照功能划分，包括路由选择和敷设方式两大方面。路由选择是指电缆的路径选择问题，即根据项目现场条件、建设规划要求以及项目建设投资情况，选择适合的路径进行敷设方式是指电缆的敷设问题，包括根据电缆承载能力、电缆长度、施工条件等情况合理确定线缆选型、确定电缆路径。目前主要的路由选择方法有最短路径法）和最短路径算法（优先搜索算法）等。路由选择需综合考虑安全可靠、技术先进、施工方便等因素，而敷设方式则需要从工程造价和施工便捷两方面考虑。需要指出的是，由于我国区域电网发展不平衡，部分地区电网建设滞后于新能源发展步伐，导致新能源配套送出工程规模偏小。
五、优化电缆桥架连接方式
电缆桥架是直流配电系统的重要组成部分，其结构形式与支架、接线盒、电缆接头、配电箱共同组成了电缆桥架的功能体系。在实际设计过程中，电缆桥架的连接方式会直接影响其使用性能，对工程质量和运行安全造成影响。
目前，国内光伏电站设计中大多采用钢制托盘+卡箍+钢制螺栓连接方式，且国内对于这种连接方式的研究较少，而美国在这方面有较为成熟的经验和技术。因此，优化国内电缆桥架连接方式势在必行。据了解，我国光伏电站电缆桥架常用的连接方式有螺栓连接+托盘、托盘连接+卡箍（图5）等。目前，我国对螺栓连接已有较为成熟的经验和技术，且国内已经开展了大量研究工作并取得了一定进展，但关于托盘连接和卡箍（图6）在国内尚无相关研究和应用。因此，有必要进一步开展托盘（图7）等新型电缆桥架在光伏电站中的应用研究。
六、优化支架基础和基础型式选择
光伏支架基础类型包括直立式、倾斜式和半地基式三种，其中，倾斜式基础应用最广泛。对于集中式光伏电站，根据场地条件、地形特点等因素综合考虑，推荐选用倾斜式基础。倾斜式基础与半地基式相比，地基承载力提高近一倍，受力情况更加合理。
支架基础可采用刚性桩或柔性桩。对于柔性桩基础，当桩长较长时，应对桩身进行加固，否则会导致桩间摩擦力的降低。对于刚性桩基础，可采用人工挖孔桩或机械钻孔桩。对于部分地区的地质情况来说，人工挖孔桩较难实施。
根据当地地质情况选择适宜的基础形式并进行相应的处理设计可以有效降低工程造价、减少施工时间和难度、降低维护管理成本等。同时，采用柔性桩基础后还可以有效解决场地受限问题。
七、结语
太阳能是一种可再生清洁能源，其具有清洁无污染、可再生、储量大、分布广等优势。因此，如何把太阳能高效利用起来成为当前新的研究重点。
通过对集中式光伏电站设计中关键技术问题的分析，提出了优化设计方案，包括光伏方阵布局方案、支架选型设计、电缆选型设计及电气设计等。以此为基础，提出了分布式光伏发电系统建设与运营中需关注的重点问题和方向，以期为新时期光伏电站建设提供参考。
