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基于 IEC 的光伏用直流电缆选型标准的解读

日期:2021-07-21    来源:国际能源网  作者:张博静 滕晓峰 李健 叶冬挺

能源资讯中心

2021
07/21
08:43
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关键词: 碳中和 碳达峰 光伏产业 光伏电站

摘    要:在“碳中和”“碳达峰”目标的推动下,光伏产业将迎来快速发展的机遇期,但在很多光伏电站中存在光伏用直流电缆选型未考虑安全裕量、敷设系数考虑不全面等问题,这给光伏电站的长期收益和安全、稳定运行带来了挑战。基于 IEC 相关标准的解读,综合考虑安全系数、双面增益因子、电缆载流量、线损和压降等方面的因素,重点介绍了光伏电站中直流电缆的选型依据,并以某大型地面光伏电站为例进行了直流电缆选型分析,以期为光伏电站中直流电缆的选型提供指引。

0、引言

在“碳中和”“碳达峰”目标的推动下,光伏产业将迎来快速发展的机遇期,全球光伏发电 装机容量快速增长。但在光伏电站的建设过程中, 除光伏组件、逆变器、变压器等关键部件外,配套的直流电缆对光伏电站长期的安全稳定运行, 以及整体盈利能力同样起到了至关重要的作用。

目前,由于成本压力、未考虑安全裕量、敷设系数考虑不全面等原因,导致光伏电站中直流电缆的选型不能满足其全生命周期内的安全、稳定运行要求,电缆烧毁的事故时有发生。同时, 随着光伏方阵规模的不断扩大,电缆长度也随之增加,电缆的压降和线损问题也应引起更多重视。因此电缆选型应在满足电缆载流量的基础上,进一步考虑控制电缆的线损和压降。线损主要是为平衡光伏电站建设的经济性与电站发电量损失之间的关系,从光伏组件到光伏方阵逆变器之间的电缆线损一般应不超过 1.5%;而直流侧的电缆压降会导致光伏组串失配损失的增加,因此直流电缆压降通常需要控制在 1%~2%。

虽然目前国际上针对光伏用电缆选型已有较为成熟的标准体系,但现行的标准中并未明确双面光伏组件背面增益对电缆选型的影响,这会对在引用一些标准时造成困惑。基于此,最新的IEC 61215:2021中引入了双面铭牌太阳辐照度(BNPI) 和双面可靠性太阳辐照度 (BSI) 这2个术语,进一步规范了双面光伏组件应用场景下的输出电流量,为双面光伏组件的电缆选型提供了指导。

本文对当前IEC标准中与光伏用直流电缆相关的标准进行了解读,梳理了光伏电站中直流电缆选型的原则和计算方式,并以某大型地面光伏电站为例进行了直流电缆选型分析,为保障光伏电站全生命周期内的安全、稳定运行提供了指引。

1、基于 IEC 标准的分析及解读

目前与光伏用直流电缆相关的IEC 标准如表1所示。

表 1 当前与光伏用直流电缆相关的 IEC 标准

Table 1  Current IEC standards related to DC cables for PV

1.1电缆载流能力概述

电缆的材料 ( 铜或铝 ) 和电缆的横截面面积( 即金属线的直径 ) 决定了电缆载流量的大小。但受环境和敷设方式等因素的影响,电缆实际的载流量会在标准载流量的基础上出现下降。

电缆载流量的具体影响因素包括:1) 导体的温度;2) 电缆的排列形态、敷设间距、并联数量等;3) 敷设类型 ( 直埋、穿管等 );4) 土壤热阻系数。

电缆的敷设方式很多,且在IEC 60364-5-52:2009附录中已有详细描述,本文不再赘述。

电缆的标准载流量I0 可简单地表述为:

式中,I z为考虑降额后的电缆的实际载流量;f1 为不同土壤温度时电缆载流量的校正系数;f2 为土壤中直埋多根并行敷设的电缆时电缆载流量的校正系数;f3为不同土壤热阻系数时电缆载流量的校正系数;f4为不同电缆埋地深度时电缆载流量的校正系数。

I0 可查阅IEC 60364-5-52:2009 中表 B.52.3得到,或参考电缆厂家提供的数值。

1.2光伏用直流电缆的选型分析

1.2.1IEC 标准的解读

在光伏电站中,直流电缆一般是指从光伏组件到光伏方阵逆变器之间的电缆, 而其所涉及到的区域就相当于是光伏方阵的范围。根据IEC 62548:2016提供的光伏方阵示意图 ( 见图 1) 可知,光伏方阵中的直流电缆通常包括光伏组串直流电缆、光伏子方阵直流电缆和光伏方阵直流电缆这3段直流电缆。多个光伏组串并联后,在光伏组串汇流箱处进行一次汇流,在一次汇流场景中,可能不涉及到光伏子方阵直流电缆和光伏方阵直流电缆;从多个组串汇流箱输出的光伏子方阵直流电缆并联后,在光伏方阵汇流箱处进行二次汇流,在二次汇流场景中,可能不涉及到光伏方阵直流电缆。

图 1  光伏方阵示意图

Fig. 1  Diagram of PV array

若要确定直流电缆的最小载流量,需从正、反2个方向考虑,即从光伏组件侧电流流向电网侧,以及从电网侧电流流向光伏组件侧2个方向考虑可能流过直流电缆的最大电流。

根据IEC 62548:2016中提供的电路中最大电流等级的计算标准,表2列出了光伏方阵中各段直流电缆在有/无过流保护装置时所应具备的最小载流量。

表 2 各段直流电缆在有 / 无过流保护装置时所应具备的最小载流量

Table 2 Minimum current carrying capacity that each section of DC cable can possess with/without overcurrent protection device

注:a. 光伏组件及相关直流电缆的工作温度可能会明显高于环境温度,因此和光伏组件相连或相近的直流电缆的最低工作温度等于“最高预期环境温度 +40  ℃”;b. 确定直流电缆截流量时也需要考虑直流电缆所在的位置及安装方式 ( 封装、固定、埋地等 );根据安装方式确定直流电缆载流量时应考虑电缆制造商的建议

对于电缆载流量的计算方式和过流保护装置的选型方式,在IEC 62548:2016的7.3.7.1章节和IEC 60364-7-712:2019的712.524.1.101.1章节中都有相同的描述;而IEC 62548修订稿在计算电缆载流量和过流保护装置额定电流时考虑了双面光伏组件的背面电流增益,新增了双面增益因子KI的定义。

下文针对考虑了KI后有、无过流保护装置时直流电缆的载流量和过流保护装置的选型问题进行分析。

1)电路中有过流保护装置时,由于过流保护装置的选型是按照流经其的最大正向电流来决定的;而当反向电流超过保护电流值时,过流保护装置也会切断电路,因此流过直流电缆的正向和反向电流始终不会高于过流保护装置的额定电流。此时直流电缆应具备的载流量等于过流保护装置的额定电流。

对于过流保护装置的选型,IEC 62548修订稿给出了针对光伏组串直流电缆的光伏组串过流保护装置额定电流In_1 的确定方法,即:

    

式中,IMOD_MAX_OCPR 为光伏组件上标明的熔丝可承受的最大电流。

而针对光伏子方阵直流电缆和光伏方阵直流电缆的光伏子方阵过流保护装置和光伏方阵过流保护装置进行选型时,二者的额定电流In_2 和In_3的确定方式分别为:

1)电路中无过流保护装置时,需要分别考虑可能流经直流电缆的最大正向电流和最大反向电流,然后取二者中的较大值。

①流经直流电缆的最大正向电流Ip_max的计算式为:

式中,ISC为短路电流,其可根据情况替换为 ISC_MOD、ISCS_ARRAY或ISC_ARRAY。


式中,N1为光伏组串汇流箱接入的光伏组串数。

式中,Nc1为光伏子方阵汇流箱中的直流电缆并联数。

②流经光伏组串直流电缆和光伏子方阵直流电缆的最大反向电流Ir1_max和Ir2_max的计算式分别为:

式中,ISC_else为同一级的其他光伏组串的短路电流之和。

1.2.2安全系数 SF

光伏组件的电流受环境因素的影响,在某些环境因素下其实际短路电流可能会比在 STC 时的更高。这些环境因素包括但不限于:1) 高的直接太阳辐照度;2) 地面反射率高;3) 云量减少;4) 光伏组件工作温度高;5) 低大气质量 (air  mass)。

因此,综合考虑上述环境影响因素后,IEC 62548:2016等标准中以1.25作为直流电缆部分过流保护装置选型时安全系数的取值,而光伏组串过流保护装置的安全系数的取值增加到了1.5。IEC 62548修订稿中特别强调,在任何情况下都不建议安全系数的取值低于1.25。

1.2.3双面增益因子 KI

双面光伏组件具有双面发电的特性,因此在相同场景下,双面光伏组件比单面光伏组件有更大的短路电流。由于双面光伏组件背面接收的太阳辐照度受地面反射率、光伏组件离地高度及光伏支架前后排间距等因素的共同影响,因此不能一概而论;再加上针对双面光伏组件的标准的发布 滞后于双面光伏组件的大规模应用,导致部分业主、设计单位未能合理考虑双面光伏组件的背面电流增益对直流电缆和过流保护装置选型的影响。

IEC 61215:2021 对双面光伏组件进行了规范化的定义和要求,引入了双面铭牌太阳辐照度(BNPI,是指光伏组件正面接收1000 W/m2 太阳辐照度且背面同时接收135 W/m2 太阳辐照度 ) 和双面可靠性太阳辐照度 (BSI,是指光伏组件正面接收 1000 W/m2 太阳辐照度且背面同时接收 300W/m2 太阳辐照度 ) 的概念。

其中,BNPI 中定义的光伏组件背面接收 135  W/m2 太阳辐照度是对应于 IEC 60904-3:2019中定义的环境条件下双面光伏组件离地高度 1 m 时其背面所接收的平均太阳辐照度。BNPI下光伏组件的性能测试结果不仅与传统 ST下的结果具有良好的兼容性,而且使在相同条件下对双面和单面光伏组件的电性能进行直接对比成为可能,也为光伏组件选型和光伏发电系统设计提供了具有价值的参考信息。BNPI也被 IEC62548 修订稿认定为无仿真数据时计算双面光伏组件的双面增益因子KI时的重要考虑因素。

IEC 62548修订稿中对KI的定义为:考虑了光伏组件类型和安装方式 ( 光伏组件朝向、阴影遮挡,光伏组件背面接收的太阳辐照度 ) 后的额定直流电流校正系数。由于在大型地面光伏电站,光伏组件通常按接收的太阳辐照度最大进行布置,双面光伏组件背面电流增益来自于其背面接收的太阳辐照度,因此KI可以理解为双面光伏组件的双面增益因子。

IEC 62548修订稿附录 .4给出了正常朝向( 北半球朝南、南半球朝北 ) 双面光伏组件在不同场景下的双面增益因子KI的取值:

1)进行光伏发电系统性能仿真时,考虑了地面反射率、太阳辐照度、光伏组件朝向、阴影遮挡、光伏阵列间距、光伏组件双面率、光伏组件失配等因素后,KI的公式为:

式中,ISC_MOD_B 为 STC下双面光伏组件的短路电流;ISC_MOD_F 为 STC下光伏组件正面的短路电流。

1)当无仿真数据时,KI  的公式为:

式中,ISC_BNPI 为 BNPI 下双面光伏组件的短路电流。

1)当双面光伏组件安装在背面接收的太阳辐照度十分有限的场景 ( 比如贴着倾斜屋面安装 ) 时,KI 的取值为 1。

在对应用双面光伏组件场景进行直流电缆选型时,需考虑双面增益因子对于光伏组件短路电流的影响。

2、案例分享

以中东地区某大型地面光伏电站为例进行直流电缆选型分析。其光伏方阵的配置为:1) 光伏组件采用双面光伏组件,功率为540W、最大功率电压为41.3V、最大功率点电流为13.13A 、短路电流为13.89A,光伏组件双面率取 70%;

2) 28块光伏组件为1串光伏组串;3) 光伏支架采用平单轴跟踪支架,离地高度为1.5m;4) 采用16进1出的直流汇流箱;5) 整个光伏方阵中30台直流汇流箱并入集中式逆变器;6)KI 取1.1, 该值由 PVsyst 软件模拟得出。

利用式 (1)  可计算出直流电缆的标准载流量I0,并由此确定电缆的型号。根据电缆厂家提供的数据对式 (1) 中的降额系数选取如下:1) 土壤温度为 30 ℃时,f1 取0.93;2) 电缆敷设为3根同沟且电缆间距为 0.125m时,f2取0.75;3) 土壤热阻系数为2.0 K·m/W 时,f3取 0.8;4)电缆埋地深度为0.5m 时,f4取1.0。

从光伏组串汇流箱到逆变器的直流电缆即图 1 中的光伏子方阵直流电缆。根据表 2中有过流保护装置时光伏子方阵直流电缆应具备的最小载流量可知,直流电缆的实际载流量I Z应根据光伏子方阵过流保护装置的额定电流I n _2进行确定。光伏子方阵过流保护装置的I n _2可根据式 (3) 进行计算,即I Z=I n _2>305.58A。

将相关参数代入式(1),可以得到I0=547.6A。因此,在本案例工况下所使用的直流电缆标准载流量应大于547.6A。根据确定的直流电缆的标准载流量可从厂家提供的电缆样本中进行选取;或按照IEC 60364-5-52相关电缆选型标准进行直流电缆的选取,但相应的降额系数也需要按照标准进行选取。目前出于成本考虑,光伏方阵中从光伏组串汇流箱到逆变器的直流电缆通常采用铝芯电缆。

本案例厂家提供的电缆样本中,符合直流电缆标准载流量 ( 厂家得到其电缆标准载流量的工况为:环境温度为 40 ℃、土壤温度为 25 ℃、土壤热阻率为1.2 K·m/W、电缆埋深为0.5 m) 要求的电缆为2×400mm2 铝缆。

线损和压降应基于具体的电缆长度进行计算。直流电缆的压降是光伏组串到光伏组串汇流箱直流电缆的压降与光伏组串汇流箱到逆变器直流电缆的压降之和,本案例考虑将直流侧总压降控制在1.5% 以内。此外,直流电缆选取需进行热稳定校验,但此处不作详细讨论。

综上,本案例推荐的光伏组串汇流箱到逆变器的直流电缆的选型为2×400 mm2 铝缆,为保证直流电缆的总压降达标,需结合电缆长度进行复核,必要时可提升电缆的规格。

3、结 论

本文结合与光伏用直流电缆相关的标准,分析并解读了标准中对于电缆最小载流量、安全系数、双面增益因子等的选取要求及计算方式,提出了需要综合考虑直流电缆的实际载流量,以及线损、压降等的控制要求,从提升光伏电站的长期收益出发,选择合适的直流电缆规格,从而保障投资收益。

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[9]王梁栋 , 李宁达 , 周罡 . IEC 61215 光伏组件型式认可国际标准草案动态解析 [J]. 信息技术与标准化 , 2020(9): 41-48.

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