光伏系統(tǒng)的電纜規(guī)格研究

歐洲銅協(xié)會 萊昂納能源應(yīng)用說明關(guān)于光伏系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)電纜尺寸的案例研究LisardoRecioMaillo目錄概要 錯誤未定義書簽。簡介 錯誤未定義書簽。概述 錯誤未定義書簽。系統(tǒng)描述 錯誤未定義書簽。光伏電特點(diǎn) 錯誤未定義書簽。光伏陣的特征 錯誤未定義書簽。根據(jù)規(guī)計(jì)算纜截積 錯誤未定義書簽。按最大許電設(shè)計(jì) 錯誤未定義書簽。按最大許電降計(jì)算 錯誤未定義書簽。最經(jīng)濟(jì)纜截積的算 錯誤未定義書簽。布局1 錯誤未定義書簽。布局2 錯誤未定義書簽。優(yōu)化布局 錯誤未定義書簽。結(jié)論 錯誤未定義書簽。參考資料 錯誤未定義書簽。PublicationNoCu0167 PageiiIssueDate: July2017PagePAGEPublicationNoPagePAGEPublicationNoCu0167IssueDate: July2017概要在為光伏發(fā)電裝置確定電纜規(guī)格尺寸時(shí)，通常的做法是，選擇符合最低規(guī)則要求的電纜。這樣做是為了盡量減少前期成本。然而，選擇比既定要求大一些的電纜截面積，可以減少能量損失。本文的目的是為光伏設(shè)備確定最佳的電纜截面積，以減少光伏裝置的生命周期成本。在一些國家，由于進(jìn)口關(guān)稅和綠色認(rèn)證緣故，光伏裝置發(fā)電和配電的成本要高于市場的價(jià)格。在這種情況下能源的損耗便加大額外成本。換句話說，如果能通過增加電纜截面積可以減少光伏發(fā)電裝置的能量損失，這就與其他電氣裝置相比，能獲得更高的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。光伏發(fā)電系裝置的安裝和布局是確定每條電纜長度和最小截面積的決定性因素之一。仔細(xì)研究所有的布局可以大大降低光伏發(fā)電裝置的生命周期成本。介紹全球每年安裝的光伏發(fā)電容量正呈穩(wěn)步的態(tài)勢增長。環(huán)境保護(hù)問題、化石燃料的價(jià)格波動、光伏發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，都使可再生能源發(fā)電的競爭力與日俱增。這篇文章通過對實(shí)際業(yè)務(wù)進(jìn)行案例研究的方式，講述了如何為光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇最佳的電纜規(guī)格尺寸。第一部分呈現(xiàn)了研究中的該光伏發(fā)電裝置所有相關(guān)的具體特性。（FITs）概述雖然對于如何確定光伏電站電纜尺寸所使用的方法是通用的，但是，本文的結(jié)果僅針對本文特定的案例分析研究，不能適用于不同條件下的其他實(shí)際情況。重要且必須提及的是，光伏電站位置不同，結(jié)果也將不同。超規(guī)格電纜的好處是，可以減少功率損耗，提高最初的投資收益。如果光伏電站放置在低于本文討論的低輻射效應(yīng)地區(qū)，電能損耗降低的幅度較低，電纜最優(yōu)截面積將更小。出于同樣的原因，電纜最優(yōu)截面積伴隨輻照強(qiáng)度的增加而增加，例如，依據(jù)太陽能追蹤器提供的數(shù)據(jù)，光伏面板可以改變其方向。（FITs）（FITs）（FITs）汰，用更多的市場導(dǎo)向機(jī)制(例如通過招標(biāo)的手段)取而代之。在本應(yīng)用指南中，較大電纜尺寸是指選取比現(xiàn)有嚴(yán)格技術(shù)規(guī)格要求更大的電纜截面積。系統(tǒng)描述為解釋最優(yōu)電纜尺寸原理而采用適用于其他光伏發(fā)電裝置類型和/或尺寸的方法所進(jìn)行的真實(shí)案例研究。光伏電站特點(diǎn)本文研究的是一座位于西班牙瓦倫西亞的100千瓦的光伏發(fā)電站。它在標(biāo)準(zhǔn)條件下（25°C和1,000W/m2）由3個39kW的光伏陣列組成。每個陣列是由11個光伏組串并聯(lián)來組成，而每個光伏組串是由16個光伏模塊串聯(lián)成。光伏陣列的布局如圖1所示，基于此參數(shù)，每個光伏陣列在上述標(biāo)準(zhǔn)條件下的最大功率輸出為：Udc-array=477.44VIdc-array=81.84AParray=39.07kW光伏逆變器的額定功率為100千瓦。我們將分析兩種參數(shù)：（圖2）（圖3）注意，光伏逆變器的額定功率為100kW，而光伏電力再標(biāo)準(zhǔn)條件下總功率為39.07x3=117.21kW。接線盒CCG接線盒CCG圖1-光伏陣列參數(shù)圖2-光伏電站布局：參數(shù)1圖3-光伏電站布局：參數(shù)2表1在最后總結(jié)了光伏電站數(shù)據(jù)。光伏電站的一般特性位置面板安裝模式最高環(huán)境溫度最低環(huán)境溫度額定功率西班牙巴倫西亞固定，傾斜30度，朝南500C00C100kW光伏陣列特性(25攝氏度和1000W/m2)最大功率點(diǎn)有功功率最大功率點(diǎn)電流(MPP)最大功率點(diǎn)電壓短路電流并聯(lián)組串?dāng)?shù)每組串的串聯(lián)模塊數(shù)39.07kW81.84A477.44V87.56A1116光伏組件特性(25攝氏度和1000W/m2)額定功率最大功率點(diǎn)電流最大功率點(diǎn)電壓短路電流222W7.44A29.84V7.96A表1–一般光伏電站特性光伏陣列的特性曲線本研究是為了對光伏逆變器與接線盒相互聯(lián)結(jié)的電纜導(dǎo)體截面積進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，我們必須事先對光伏陣列的電流和電壓進(jìn)行研究。表2總結(jié)了光伏模塊的特性和陣列布局。圖4和圖5展示了特性電壓——電流和電壓——功率曲線的關(guān)系。如果這些曲線不適用，那么你可從表2中計(jì)算而得，它應(yīng)用了使用MATLABSimulink開發(fā)廣義光伏模型的公式[1]。光伏模塊串聯(lián)電池的數(shù)量60額定功率（W）222最大功率點(diǎn)電壓（V）29.84最大功率點(diǎn)電流（A）7.44開路電壓（V）36.22短路電流（A）7.96短路電流溫度系數(shù)（％/℃）0.03開路電流溫度系數(shù)（％/攝氏度）-0.34光伏陣列每個組串的串聯(lián)模塊數(shù)量16每個陣列的并聯(lián)組串?dāng)?shù)量11*光伏組件的特性在1,000W/M2和25°C表2-用于建模的光伏陣列特性特性曲線。.如圖4（MPP）（MPP）5（MPP）圖I-V和P-V(5 圖5-光伏陣列在溫度系數(shù)變化中的I-V和P-V屬性(G=1,000W/m2)。從圖45（MPP）的電533V（MPP））81.84A。3CCGx-CCGy接線盒xy23）CCGxx布局參數(shù)1電纜最大功率點(diǎn)電流（A）最大短路電流（A）最大功率點(diǎn)電壓（V）長度（m）CCG1——逆變器81.8488.553390CCG2——逆變器81.8488.553345CCG3——逆變器81.8488.553390布局參數(shù)2電纜最大MPP電流（A）最大短路電流（A）最大MPP電壓（V）長度（m）CCG1-CCG281.8488.553345CCG3-CCG281.8488.553345CCG2逆變器245.52265.553345表3-電纜中的最大電流和電壓。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算電纜截面積由于地理位置的緣故，光伏裝置的安裝必須符合REBT2002（《西班牙低壓電工法規(guī)》），尤其是要符合ITC-BT40（《補(bǔ)充技術(shù)指令“低壓發(fā)電系統(tǒng)”》）。在為其他國家設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，必須考慮當(dāng)?shù)鼐唧w規(guī)定，上述法規(guī)在這種情況下僅確定了最小電纜截面積的兩項(xiàng)設(shè)計(jì)門檻：可允許的最大電流和最大電壓降。在最大容許電流范圍值內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)根據(jù)ITC-BT40，電纜導(dǎo)體電流的大小應(yīng)不低于電源最大電流的125％。該電流與最大輻射時(shí)的短路電流和最大溫度相對應(yīng)。電纜溫度將達(dá)到50°C。根據(jù)適用于室外安裝的UNE20460-5-523標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，必須在溫度達(dá)到50°C時(shí)添加0.9的校正系數(shù)?？紤]到電纜將暴露在陽光下，需要添加0.9的附加校正系數(shù)。表4顯示了在應(yīng)用上述校正系數(shù)后，所得到的不同電纜上容許的最小電流的大小。布局參數(shù)1電纜最大短路電流Isc-max(A)最小容許電流：Isc-max·1.25/(0.9·0.9)(A)CCG1逆變器88.5136.57CCG2逆變器88.5136.57CCG3逆變器88.5136.57Layoutconfiguration2布局參數(shù)2電纜最大短路電流Isc-max(A)最小允許電流：Isc-max·1.25/(0.9·0.9)(A)CCG1-CCG288.5136.57CCG3-CCG288.5136.57CCG2逆變器265.5409.72表4-選擇電纜截面積時(shí)的可容許的最小電流。電纜敷設(shè)在格柵式機(jī)架上（表5中的F類）。Tecsun(PV)(AS)型號電纜所使用的絕緣類型為XLPE2。根據(jù)表4和表5，銅導(dǎo)體的最小截面如表6所示。導(dǎo)體編號與絕緣類型A1PVC3PVC2XLPE3XLPE2A2PVC3PVC2XLPE3XLPE2B1PVC3PVC2XLPE3XLPE2B2PVC3PVC2XLPE3XLPE2CPVC3PVC2XLPE3XLPE2EPVC3PVC2XLPE3XLPE2FPVC3PVC2XLPE3XLPE2所需的截面積Cumm2溫度校正后的最大電流（A）1,51111,51313,5151616,519202124252,5151617,518,52122232626,529333442021232427303134363845466252730323637404446485759103437404450525460656876821645495459667073818791105110255964707784889510311011612314035727786961041101191271371441541745086941031171251331451551671751882107010911813014916017118519921422424426995130143156180194207224241259271296327120150164188208225240260280301314348380150171188205236260278299322343363404438185194213233268297317341368391415464500240227249272315350374401435468490552590300259285311360396423481525565630674713Al2.511.51213.51416171820202225-4151618.51922242426.527.52935-62021242528303133363845-102728323438424246505361-1636384246515657636670838225465,05054616471727884889410535-6,16167757888899710410911713050-738090961061081181271331451607011612213613915116217018720695140148167169183197207230251120162171193196.5213228239269293150187197223227246264277312338185212225236259281301316359388240248265300306332355372429461300285313343383400429462494558表5-在截面積、絕緣和安裝配置功能作用下的最大允許電流。布局參數(shù)1電纜最小允許電流（A）最小截面積（mm2）CCG1逆變器136.5725CCG2逆變器136.5725CCG3逆變器136.5725布局參數(shù)2電纜最小允許電流（A）最小截面積（mm2）CCG1-CCG2136.5725CCG3-CCG2136.5725CCG2逆變器409.72150表6-研究結(jié)果顯示的不同電纜的最小截面。在最大允許電壓降范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)TecsunPV)AS)900/1800V。在（533V）ITC-BT401.5[2]1.5（25°C/m2[3]（）。假設(shè)直流系統(tǒng)的主線路承擔(dān)總直流電壓降的1％，其余0.5％對應(yīng)于其余線纜，那么，可以獲得電壓降（隨機(jī)指數(shù)STC子參數(shù)指的是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件）：MPPVmpp@STC＝477.44VΔVmax＝0.01·Vmpp@STC＝4.77V電壓降計(jì)算的最大電流（單個陣列）：Impp@STC＝81.84A）：Impp@STC＝245.52A電纜電阻：其中：L（）Sr＝46.82m/Ωmm270°C布局配置1電纜Impp@布局配置1電纜Impp@STC(A)截面積(mm2)電纜正+負(fù)總長度（M）R(?)ΔV＝R·Impp@STC(V)CCG181.84251800.153812.5854CCG281.8425900.07696.2927CCG381.84251800.153812.5854Layoutconfiguration22電纜Impp@STC(A)截面積(mm2)電纜正+負(fù)總長度（M）R(?)ΔV＝R·Impp@STC(V)CCG1-CCG281.8425900.07696.2927CCG3-CCG281.8425900.07696.2927CCG2245.52150900.01283.1463表7-每根電纜的電壓降計(jì)算。7（26.29+3.15V）。因（注L）：表8顯示了參數(shù)1的最小截面積和電纜選擇：布局配置1電纜Impp@STC(A)電纜正+負(fù)總長度（m）最小截面積(mm2)根據(jù)表5選擇電纜(mm2)CCG1逆變器81.8418065.9670CCG2逆變器81.849032.9835CCG3逆變器81.8418065.9670表8-參數(shù)1電纜的最小截面和相應(yīng)的電纜選擇。相反，參數(shù)2有互相串聯(lián)的電纜。在這種情況下，必須研究CCG1-CCG2-逆變器或CCG3-CCG2-逆變器路徑。電壓降將是：考慮路徑CCG1-CCG2-逆變器。所以，電壓降可以寫成：兩根電纜的長度L相等，CCG2-逆變器的電流是CCG1-CCG2電流的三倍。所以，電壓降可以重寫為：已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該狀況符合電壓降條件：可以觀察到，在截面積中有很多選擇。為了最小化電纜的總體積，尋找最小數(shù)量的電纜勢在必行。由于電纜CCG3-CCG2等于電纜CCG1-CCG2：由于所有電纜的電纜長度相同，在我們這樣的情況下：可以得出一個簡單的經(jīng)優(yōu)化后的公式：客觀功能熱常數(shù)（最大電流限制）優(yōu)化問題現(xiàn)在，可以使用表5選擇的合適的電纜截面積。案例ACCG2逆變器纜截固定在 ，因?yàn)槭潜?面積中一個的合格。由于值于該截積的小要因此可減小其他相關(guān)的纜尺，同時(shí)將壓降保持閾值以。現(xiàn)在次決了優(yōu)的問，但加了一限制：因此，找到滿足發(fā)熱和電壓降約束條件的電纜CCG1-CCG2的最小截面：因此，根據(jù)表5，將選擇的截面面積是：案例BCCG1-CCG2電纜截積固定，因這是表5截面積下一可能因此，找到滿足發(fā)熱和電壓降約束條件的電纜CCG2-逆變器的最小截面：因此，根據(jù)表5，將選擇的截面面積是：配置結(jié)果2在這種情況下，如表9所示，B方案以最小電纜量形成的解決方案，其總體積為0.0338m3（與A方案0.0342m3相比1）。請注意，由于電纜串聯(lián)配置，當(dāng)考慮總電壓降的約束時(shí)，電纜CCG1-CCG2和CCG3-CCG2的最小截面積取決于電纜CCG2-逆變器的截面積，反之亦然（見表9中的第4列）。布局配置2-b方案電纜Impp@STC(A)L電纜正+負(fù)總長度（m）最小截面積(mm2)根據(jù)表5選擇電纜(mm2)CCG1-CCG281.8490取決于其他電纜95CCG3-CCG281.8490取決于其他電纜95CCG2逆變器245.5290取決于其他電纜185表9–配置2的電纜選擇。下一章將展示總電纜導(dǎo)體材料最小化不會導(dǎo)致系統(tǒng)生命周期成本的最小化。當(dāng)涉及到生命周期成本時(shí)，增加的能量損失比導(dǎo)體材料的成本損失重要得多。計(jì)算最經(jīng)濟(jì)的電纜截面積在前一章中，我們計(jì)算了所需的最小電纜截面。在本章中，我們將進(jìn)行一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)研究，以從生命周期成本的角度獲得最佳的電纜截面積和電纜布局。電纜的瞬時(shí)功率損耗可以計(jì)算如下：其中：R(t)ΩI(t)用AR(t)可以被認(rèn)為是常數(shù)而沒有顯著的誤差。我們在70°C取R的值，所以損失的能量為：當(dāng)簡化方程時(shí)，我們可以將時(shí)間段Δt內(nèi)的電流視為常數(shù)（以小時(shí)表示），能量損失可近似為：如果所有時(shí)間間隔都是一小時(shí)，則總能量損失為：從圖4和圖5可以看出，最大功率點(diǎn)電流與輻射近似成正比。使用參考最大功率點(diǎn)電流在25°mppC和1,000W/m2（每個光伏陣列I =81.84A），因此流可為：mpp其中：G是輻射強(qiáng)度，單位是W/m2。每kWh能量的損失可以表示為：然后，損失的成本（損失的能量和未采用強(qiáng)制光伏上網(wǎng)電價(jià)（FITs）出售）可以表示為：whereFITisthefeed-intariffexpressedinIncasenofeed-intariffsapply,thistermshouldbereplacedbyanestimationoftheaveragepriceatwhichthePVelectricityissoldtothegrid,ortheaveragecostofavoidedgridelectricityconsumptionthroughPVenergyself-consumption其中，F(xiàn)IT是以歐€/kWh.表示的上網(wǎng)電價(jià)。如果不適用上網(wǎng)電價(jià)，則應(yīng)將此值替換為光伏電網(wǎng)出售電量的平均價(jià)格，或通過光伏能源自用電量避免電網(wǎng)電量消耗的平均成本(€/kWh).。一旦找到特定電纜部分和長度Cs1-L1的損耗成本，任何電纜截面積的成本都可以很容易地獲得：布局1首先我們計(jì)算所有電纜損耗的成本和最小截面積。為此目的，需要首先取得年度輻照曲線。表10顯示了CCG2-逆變器電纜的輻照曲線，能量損耗計(jì)算和相關(guān)成本。電纜CCG2-逆變器（正極+負(fù)極）：L=2.45m，S=50mm2，總R=0.0549ΩG(W/m)1h·∑di·Gi2di=每月的天數(shù)iEloss(0,08184/1000)·R·∑G成本1FIT=0,3€/kWh成本2FIT=0,44€/kWhhourJFMAMJJASOND對應(yīng)一年中每一天的∑GkWh€€6-70000242000007280,00,00,07-80230113645351632501796230,10,00,08-932931669813915013610979551134243506691,60,50,79-101782863522632983083042782372222992012719546510,03,04,410-113304745304534684794824594194154593497263919326,78,011,811-1245061766862661164164963357158157946812899658247,514,220,912-1352270474174873775078577470469662953017798095965,519,628,813-1454572974982181281585784978572961152920201567074,322,332,714-1550368471980779782287787479071453446019363261871,221,431,315-1640057161874473076382281571962839634415416465156,717,025,016-172534084566116086556956825814792221859779286636,010,815,817-188119627144746249753750540229649354809644917,75,37,818-191299126928432234731421611600166679476,11,82,719-20001010412715716813364100031163321,10,30,520-21001133249482630002015250,10,00,021-2200000760000025860,00,00,0總計(jì)（年值）1127033863414,6124,4182,4表10：布局1——CCG2-逆變器電纜的能耗計(jì)算成本。任何電纜截面和長度的年度能量損失成本都可以計(jì)算為：考慮到i的年利率,30年電纜壽命的凈現(xiàn)值(NPV)為:其中 代表初始資(表1里PS以/m表的面S電纜的成)。F現(xiàn)金計(jì)算在究的分減去ss的最小面值。電纜截面積(mm2)Ps(€/m)354.43506.02708.119511.6612014.4515018.4518523.4324029.90表11-電纜價(jià)格。對于CCG2-逆變器電纜,結(jié)果如圖6和圖7所示,并在表12中進(jìn)行了總結(jié)。CCG1-逆變器和CCG3-逆變器電纜如圖8、圖9和表13所示。Figure6–NPVfordifferentcablesectionsanddifferentinterestrate.FIT=0.3€/kWh.CCG2-inverterCable;layout1.圖6-不同電纜段和不同利率條件下的NPV。上網(wǎng)電價(jià)FIT=0.3€/kwh。CCG2-逆變器電纜;布局1。圖7-不同電纜段和不同利率的NPV。適合=0.44€/kwh。CCG2-逆變器電纜，布局1FIT=0.3€/kWhFIT=0.44€/kWh利率(p.u)最佳截面(mm2)NPV(€)償還(年)最佳截面(mm2)NPV(€)償還(年)0.00120174211120297470.0195137711120243280.0295110912120199280.039588913120163080.04707441195134170.05706251195112070.0670525129593580.0770441137080150.0870369157069650.0970308167060650.107025519705295表12-選擇CCG2-逆變器電纜的經(jīng)濟(jì)性能;布局1。圖8-不同電纜部分和不同利率的NPV。FIT=0.3歐元/kwh。CCG1-逆變器和電纜CCG3-逆變器電纜;布局1。圖9-不同電纜部分和不同利率的NPV。FIT=0.44€/kWh。CCG1-逆變器和CCG3-逆變器電纜;布局1。FIT=0.3€/kWhFIT=0.44€/kWh利率(p.u)最佳截面(mm2)NPV(€)償還（年）最佳截面(mm2)NPV(€)償還（年）0.00120414231201139160.019520522120820170.02959425120561190.0395330120348210.04700-95191200.05700-9599230.06700-9522280.07700-700-0.08700-700-0.09700-700-0.10700-700-表13–選擇CCG1-逆變器電纜和CCG3-逆變器電纜的經(jīng)濟(jì)性能;布局1這些結(jié)果表明，根據(jù)最低標(biāo)準(zhǔn)的要求確定電纜的規(guī)格尺寸并不會使成本最小化。換句話說，從經(jīng)濟(jì)角度來看，加大電源電纜截面可能是有利的。利率越低，最優(yōu)截面積越大，因?yàn)檩^低的利率會降低能源損失。因此，超大型電纜的投資成本可通過減少損耗而進(jìn)一步得到補(bǔ)償。此外，電能損耗減少帶來的好處隨著上網(wǎng)電價(jià)的增加而增加，由此需要更大的電纜截面。在案例研究中，超大尺寸對于CCG2-逆變器電纜是有益的。而對于較長的CCG1-逆變器和CCG3-逆變器電纜而言，只有在低利率的情況下，超大尺寸才能盈利。在目前的研究中，根據(jù)上網(wǎng)電價(jià)和利率的不同，應(yīng)用整個光伏電站的最經(jīng)濟(jì)部分所節(jié)省的總費(fèi)用在529~5252歐元之間。布局2對于這種布局，CCG1-CCG2和CCG3-CCG1電纜每年的能源損耗成本可以使用6.1節(jié)中所示的相同公式進(jìn)行評估，因?yàn)殡娏飨嗤＿@些公式如下：與此相反，CCG2-逆變器電纜的電流是以前電纜的三倍。由于能量損失與電流的平方成正比，此