第一章绪论

　　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TheQuaid-e-AzamSolarPark100MW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。

　　第二章理论基础

　　2.1负载损失期望的基本概念

　　负载损失期望，LossofLoadExpectation（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的计算公式如下所示：

　　LOLE=

　　公式1：负载损失期望计算公式

　　其中：

　　pk：负载开始有电力供应缺口时，不同负载功率损失等级相对应的概率

　　PL：负载所需电力供应功率

　　PD：电力系统能提供给负载的功率

　　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，2.1中的公式里面的（PL-PD）开始出现正值。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-AzamSolarPark100MW项目。模型的规模也是根据巴基斯坦TheQuaid-e-AzamSolarPark100MW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。

　　第三章分析方法与结果

　　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：

　　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：

　　3.双出线环形结构

　　3.4投资分析

　　在选择线缆的时候，根据不同的中压交流连接结构的极端情况，需要选择符合该情况的电缆规格，以保证在极端情况下，电缆可以安全使用。所以不同的连接结构使用的是不同的电缆，由此产生了不同的电缆成本。在设计时，除了要保持系统较高的可靠性，也要降低成本，提高收益比率。

　　每台变压器的输出功率为2MVA，中压电压等级为33kV，变压器的高压端为三角形结构，因此每台变压器输出线电流为35A。为了安全起见，在进行电缆选型时，将计算出的线电流扩大1.2倍，所以每台变压器的线电流我们考虑为42A。

　　不同中压交流连接结构电缆的选择情况如下所释：

　　1.星形结构

　　每台变压器都有一条出线连接至变电站，所以每根电缆都只用承受一台变压器的输出电流。所以电缆选用3芯10mm的YJV22中压电缆即可。从本文中3.2节可以看出，实验中的发电单元需要总共5.792km此类电缆。大概成本为人民币26.92万元。

　　2.单出线环形结构

　　每个环只有一条出线连接至变电站，在极端条件下，环内的中压交流电缆要承受3台变压器输出电流，出线中压交流电缆要承受4台变压器输出的电流。所以环内中压交流电缆选用3芯35mm的YJV22中压电缆，从本文3.2节可以看出，实验中的发电单元需要0.734km此类电缆；出线中压交流电缆选用3芯70mm中压电缆，从本文3.2节可以看出，实验中的发电单元需要1.354km此类电缆。大概成本为人民币48.66万元。

　　3.双出线环形结构

　　每个环有两条出线连接至变电站，在极端条件下，环内的中压交流电缆要承受3台变压器输出电流，出线中压交流电缆要承受4台变压器输出的电流。所以环内中压交流电缆选用3芯35mm的YJV22中压电缆，从本文3.2节可以看出，实验中的发电单元需要0.535km此类电缆；出线中压交流电缆选用3芯70mm中压电缆，从本文3.2节可以看出，实验中的发电单元需要2.914km此类电缆。大概成本为人民币87.73万元。

　　4.桥形结构

　　每两个变压器有两条出线连接至变电站，在极端条件下，环内的中压交流电缆要承受1台变压器输出电流，出线中压交流电缆要承受2台变压器输出的电流。所以环内中压交流电缆选用3芯10mm的YJV22中压电缆，从本文3.2节可以看出，实验中的发电单元需要0.408km此类电缆；出线中压交流电缆选用3芯25mm中压电缆，从本文3.2节可以看出，实验中的发电单元需要5.792km此类电缆。大概成本为人民币69.22万元。

　　以巴基斯坦TheQuaid-e-AzamSolarPark100MW项目为例，假设在日照时数内，变压器均满负荷输出，即输出为2MVA，则不同的中压交流连接结构的投资回报率使用以下公式进行计算：

　　ROI=

　　公式2：不同中压交流连接结构的投资回报率计算公式

　　其中：

　　ROI：投资回报率

　　Clk：不同中压交流连接结构所需电缆成本

　　LOLElk：不同中压交流连接结构的负载损失期望

　　hs/y：每年日照时数

　　PE/kWh：每度电的上网电价

　　需要注意的是，以上公式只计算了中压交流电缆的成本投资，其他的并未加入其中，但是可以做一个理论分析。星形结构中，每台变压器需要一个42A以上的中压断路器，总共4个；单出线环形结构需要4套由3个中压开关柜组成的环网柜组，其中，与变压器连接的断路器可以使用42A以上的中压断路器，环路中的开关由于系统极限情况，至少需要承受三到四台台变压器的电流；双出线环形结构跟单出线环形结构类似；桥型结构的环路开关至少要承受两台变压器的电流。除了额定电流的区别以外，环路承受的故障电流也会比非环形结构的高，所以环形结构所使用的断路器数量比非环形结构多，规格也比非环形结构大，整体价格较高。

　　根据公式2，在不同地点的日照条件下，不同的中压交流连接结构的投资回报率如下表所示：