光伏系统的电缆规格研究

欧洲铜协会 莱昂纳能源应用说明关于光伏系统经济电缆尺寸的案例研究LisardoRecioMaillo目录概要 错误未定义书签。简介 错误未定义书签。概述 错误未定义书签。系统描述 错误未定义书签。光伏电特点 错误未定义书签。光伏阵的特征 错误未定义书签。根据规计算缆截积 错误未定义书签。按最大许电设计 错误未定义书签。按最大许电降计算 错误未定义书签。最经济缆截积的算 错误未定义书签。布局1 错误未定义书签。布局2 错误未定义书签。优化布局 错误未定义书签。结论 错误未定义书签。参考资料 错误未定义书签。PublicationNoCu0167 PageiiIssueDate: July2017PagePAGEPublicationNoPagePAGEPublicationNoCu0167IssueDate: July2017概要在为光伏发电装置确定电缆规格尺寸时，通常的做法是，选择符合最低规则要求的电缆。这样做是为了尽量减少前期成本。然而，选择比既定要求大一些的电缆截面积，可以减少能量损失。本文的目的是为光伏设备确定最佳的电缆截面积，以减少光伏装置的生命周期成本。在一些国家，由于进口关税和绿色认证缘故，光伏装置发电和配电的成本要高于市场的价格。在这种情况下能源的损耗便加大额外成本。换句话说，如果能通过增加电缆截面积可以减少光伏发电装置的能量损失，这就与其他电气装置相比，能获得更高的经济回报。光伏发电系装置的安装和布局是确定每条电缆长度和最小截面积的决定性因素之一。仔细研究所有的布局可以大大降低光伏发电装置的生命周期成本。介绍全球每年安装的光伏发电容量正呈稳步的态势增长。环境保护问题、化石燃料的价格波动、光伏发电技术的进步和成本的降低，都使可再生能源发电的竞争力与日俱增。这篇文章通过对实际业务进行案例研究的方式，讲述了如何为光伏发电系统选择最佳的电缆规格尺寸。第一部分呈现了研究中的该光伏发电装置所有相关的具体特性。（FITs）概述虽然对于如何确定光伏电站电缆尺寸所使用的方法是通用的，但是，本文的结果仅针对本文特定的案例分析研究，不能适用于不同条件下的其他实际情况。重要且必须提及的是，光伏电站位置不同，结果也将不同。超规格电缆的好处是，可以减少功率损耗，提高最初的投资收益。如果光伏电站放置在低于本文讨论的低辐射效应地区，电能损耗降低的幅度较低，电缆最优截面积将更小。出于同样的原因，电缆最优截面积伴随辐照强度的增加而增加，例如，依据太阳能追踪器提供的数据，光伏面板可以改变其方向。（FITs）（FITs）（FITs）汰，用更多的市场导向机制(例如通过招标的手段)取而代之。在本应用指南中，较大电缆尺寸是指选取比现有严格技术规格要求更大的电缆截面积。系统描述为解释最优电缆尺寸原理而采用适用于其他光伏发电装置类型和/或尺寸的方法所进行的真实案例研究。光伏电站特点本文研究的是一座位于西班牙瓦伦西亚的100千瓦的光伏发电站。它在标准条件下（25°C和1,000W/m2）由3个39kW的光伏阵列组成。每个阵列是由11个光伏组串并联来组成，而每个光伏组串是由16个光伏模块串联成。光伏阵列的布局如图1所示，基于此参数，每个光伏阵列在上述标准条件下的最大功率输出为：Udc-array=477.44VIdc-array=81.84AParray=39.07kW光伏逆变器的额定功率为100千瓦。我们将分析两种参数：（图2）（图3）注意，光伏逆变器的额定功率为100kW，而光伏电力再标准条件下总功率为39.07x3=117.21kW。接线盒CCG接线盒CCG图1-光伏阵列参数图2-光伏电站布局：参数1图3-光伏电站布局：参数2表1在最后总结了光伏电站数据。光伏电站的一般特性位置面板安装模式最高环境温度最低环境温度额定功率西班牙巴伦西亚固定，倾斜30度，朝南500C00C100kW光伏阵列特性(25摄氏度和1000W/m²)最大功率点有功功率最大功率点电流(MPP)最大功率点电压短路电流并联组串数每组串的串联模块数39.07kW81.84A477.44V87.56A1116光伏组件特性(25摄氏度和1000W/m2)额定功率最大功率点电流最大功率点电压短路电流222W7.44A29.84V7.96A表1–一般光伏电站特性光伏阵列的特性曲线本研究是为了对光伏逆变器与接线盒相互联结的电缆导体截面积进行优化设计。为了实现这个目标，我们必须事先对光伏阵列的电流和电压进行研究。表2总结了光伏模块的特性和阵列布局。图4和图5展示了特性电压——电流和电压——功率曲线的关系。如果这些曲线不适用，那么你可从表2中计算而得，它应用了使用MATLABSimulink开发广义光伏模型的公式[1]。光伏模块串联电池的数量60额定功率（W）222最大功率点电压（V）29.84最大功率点电流（A）7.44开路电压（V）36.22短路电流（A）7.96短路电流温度系数（％/℃）0.03开路电流温度系数（％/摄氏度）-0.34光伏阵列每个组串的串联模块数量16每个阵列的并联组串数量11*光伏组件的特性在1,000W/M2和25°C表2-用于建模的光伏阵列特性特性曲线。.如图4（MPP）（MPP）5（MPP）图I-V和P-V(5 图5-光伏阵列在温度系数变化中的I-V和P-V属性(G=1,000W/m2)。从图45（MPP）的电533V（MPP））81.84A。3CCGx-CCGy接线盒xy23）CCGxx布局参数1电缆最大功率点电流（A）最大短路电流（A）最大功率点电压（V）长度（m）CCG1——逆变器81.8488.553390CCG2——逆变器81.8488.553345CCG3——逆变器81.8488.553390布局参数2电缆最大MPP电流（A）最大短路电流（A）最大MPP电压（V）长度（m）CCG1-CCG281.8488.553345CCG3-CCG281.8488.553345CCG2逆变器245.52265.553345表3-电缆中的最大电流和电压。根据标准计算电缆截面积由于地理位置的缘故，光伏装置的安装必须符合REBT2002（《西班牙低压电工法规》），尤其是要符合ITC-BT40（《补充技术指令“低压发电系统”》）。在为其他国家设计系统时，必须考虑当地具体规定，上述法规在这种情况下仅确定了最小电缆截面积的两项设计门槛：可允许的最大电流和最大电压降。在最大容许电流范围值内进行设计根据ITC-BT40，电缆导体电流的大小应不低于电源最大电流的125％。该电流与最大辐射时的短路电流和最大温度相对应。电缆温度将达到50°C。根据适用于室外安装的UNE20460-5-523标准的规定，必须在温度达到50°C时添加0.9的校正系数。考虑到电缆将暴露在阳光下，需要添加0.9的附加校正系数。表4显示了在应用上述校正系数后，所得到的不同电缆上容许的最小电流的大小。布局参数1电缆最大短路电流Isc-max(A)最小容许电流：Isc-max·1.25/(0.9·0.9)(A)CCG1逆变器88.5136.57CCG2逆变器88.5136.57CCG3逆变器88.5136.57Layoutconfiguration2布局参数2电缆最大短路电流Isc-max(A)最小允许电流：Isc-max·1.25/(0.9·0.9)(A)CCG1-CCG288.5136.57CCG3-CCG288.5136.57CCG2逆变器265.5409.72表4-选择电缆截面积时的可容许的最小电流。电缆敷设在格栅式机架上（表5中的F类）。Tecsun(PV)(AS)型号电缆所使用的绝缘类型为XLPE2。根据表4和表5，铜导体的最小截面如表6所示。导体编号与绝缘类型A1PVC3PVC2XLPE3XLPE2A2PVC3PVC2XLPE3XLPE2B1PVC3PVC2XLPE3XLPE2B2PVC3PVC2XLPE3XLPE2CPVC3PVC2XLPE3XLPE2EPVC3PVC2XLPE3XLPE2FPVC3PVC2XLPE3XLPE2所需的截面积Cumm²温度校正后的最大电流（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-在截面积、绝缘和安装配置功能作用下的最大允许电流。布局参数1电缆最小允许电流（A）最小截面积（mm2）CCG1逆变器136.5725CCG2逆变器136.5725CCG3逆变器136.5725布局参数2电缆最小允许电流（A）最小截面积（mm2）CCG1-CCG2136.5725CCG3-CCG2136.5725CCG2逆变器409.72150表6-研究结果显示的不同电缆的最小截面。在最大允许电压降范围内进行设计TecsunPV)AS)900/1800V。在（533V）ITC-BT401.5[2]1.5（25°C/m2[3]（）。假设直流系统的主线路承担总直流电压降的1％，其余0.5％对应于其余线缆，那么，可以获得电压降（随机指数STC子参数指的是标准环境条件）：MPPVmpp@STC＝477.44VΔVmax＝0.01·Vmpp@STC＝4.77V电压降计算的最大电流（单个阵列）：Impp@STC＝81.84A）：Impp@STC＝245.52A电缆电阻：其中：L（）Sr＝46.82m/Ωmm270°C布局配置1电缆Impp@布局配置1电缆Impp@STC(A)截面积(mm2)电缆正+负总长度（M）R(Ω)ΔV＝R·Impp@STC(V)CCG181.84251800.153812.5854CCG281.8425900.07696.2927CCG381.84251800.153812.5854Layoutconfiguration22电缆Impp@STC(A)截面积(mm2)电缆正+负总长度（M）R(Ω)ΔV＝R·Impp@STC(V)CCG1-CCG281.8425900.07696.2927CCG3-CCG281.8425900.07696.2927CCG2245.52150900.01283.1463表7-每根电缆的电压降计算。7（26.29+3.15V）。因（注L）：表8显示了参数1的最小截面积和电缆选择：布局配置1电缆Impp@STC(A)电缆正+负总长度（m）最小截面积(mm2)根据表5选择电缆(mm2)CCG1逆变器81.8418065.9670CCG2逆变器81.849032.9835CCG3逆变器81.8418065.9670表8-参数1电缆的最小截面和相应的电缆选择。相反，参数2有互相串联的电缆。在这种情况下，必须研究CCG1-CCG2-逆变器或CCG3-CCG2-逆变器路径。电压降将是：考虑路径CCG1-CCG2-逆变器。所以，电压降可以写成：两根电缆的长度L相等，CCG2-逆变器的电流是CCG1-CCG2电流的三倍。所以，电压降可以重写为：已经发现该状况符合电压降条件：可以观察到，在截面积中有很多选择。为了最小化电缆的总体积，寻找最小数量的电缆势在必行。由于电缆CCG3-CCG2等于电缆CCG1-CCG2：由于所有电缆的电缆长度相同，在我们这样的情况下：可以得出一个简单的经优化后的公式：客观功能热常数（最大电流限制）优化问题现在，可以使用表5选择的合适的电缆截面积。案例ACCG2逆变器缆截固定在 ，因为是表5面积中一个的合格。由于值于该截积的小要因此可减小其他相关的缆尺，同时将压降保持阈值以。现在次决了优的问，但加了一限制：因此，找到满足发热和电压降约束条件的电缆CCG1-CCG2的最小截面：因此，根据表5，将选择的截面面积是：案例BCCG1-CCG2电缆截积固定，因这是表5截面积下一可能因此，找到满足发热和电压降约束条件的电缆CCG2-逆变器的最小截面：因此，根据表5，将选择的截面面积是：配置结果2在这种情况下，如表9所示，B方案以最小电缆量形成的解决方案，其总体积为0.0338m3（与A方案0.0342m3相比1）。请注意，由于电缆串联配置，当考虑总电压降的约束时，电缆CCG1-CCG2和CCG3-CCG2的最小截面积取决于电缆CCG2-逆变器的截面积，反之亦然（见表9中的第4列）。布局配置2-b方案电缆Impp@STC(A)L电缆正+负总长度（m）最小截面积(mm2)根据表5选择电缆(mm2)CCG1-CCG281.8490取决于其他电缆95CCG3-CCG281.8490取决于其他电缆95CCG2逆变器245.5290取决于其他电缆185表9–配置2的电缆选择。下一章将展示总电缆导体材料最小化不会导致系统生命周期成本的最小化。当涉及到生命周期成本时，增加的能量损失比导体材料的成本损失重要得多。计算最经济的电缆截面积在前一章中，我们计算了所需的最小电缆截面。在本章中，我们将进行一项经济研究，以从生命周期成本的角度获得最佳的电缆截面积和电缆布局。电缆的瞬时功率损耗可以计算如下：其中：R(t)ΩI(t)用AR(t)可以被认为是常数而没有显着的误差。我们在70°C取R的值，所以损失的能量为：当简化方程时，我们可以将时间段Δt内的电流视为常数（以小时表示），能量损失可近似为：如果所有时间间隔都是一小时，则总能量损失为：从图4和图5可以看出，最大功率点电流与辐射近似成正比。使用参考最大功率点电流在25°mppC和1,000W/m2（每个光伏阵列I =81.84A），因此流可为：mpp其中：G是辐射强度，单位是W/m2。每kWh能量的损失可以表示为：然后，损失的成本（损失的能量和未采用强制光伏上网电价（FITs）出售）可以表示为：whereFITisthefeed-intariffexpressedinIncasenofeed-intariffsapply,thistermshouldbereplacedbyanestimationoftheaveragepriceatwhichthePVelectricityissoldtothegrid,ortheaveragecostofavoidedgridelectricityconsumptionthroughPVenergyself-consumption其中，FIT是以欧€/kWh.表示的上网电价。如果不适用上网电价，则应将此值替换为光伏电网出售电量的平均价格，或通过光伏能源自用电量避免电网电量消耗的平均成本(€/kWh).。一旦找到特定电缆部分和长度Cs1-L1的损耗成本，任何电缆截面积的成本都可以很容易地获得：布局1首先我们计算所有电缆损耗的成本和最小截面积。为此目的，需要首先取得年度辐照曲线。表10显示了CCG2-逆变器电缆的辐照曲线，能量损耗计算和相关成本。电缆CCG2-逆变器（正极+负极）：L=2.45m，S=50mm2，总R=0.0549ΩG(W/m)1h·∑di·Gi2di=每月的天数iEloss(0,08184/1000)·R·∑G成本1FIT=0,3€/kWh成本2FIT=0,44€/kWhhourJFMAMJJASOND对应一年中每一天的∑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总计（年值）1127033863414,6124,4182,4表10：布局1——CCG2-逆变器电缆的能耗计算成本。任何电缆截面和长度的年度能量损失成本都可以计算为：考虑到i的年利率,30年电缆寿命的净现值(NPV)为:其中 代表初始资(表1里PS以/m表的面S电缆的成)。F现金计算在究的分减去ss的最小面值。电缆截面积(mm2)Ps(€/m)354.43506.02708.119511.6612014.4515018.4518523.4324029.90表11-电缆价格。对于CCG2-逆变器电缆,结果如图6和图7所示,并在表12中进行了总结。CCG1-逆变器和CCG3-逆变器电缆如图8、图9和表13所示。Figure6–NPVfordifferentcablesectionsanddifferentinterestrate.FIT=0.3€/kWh.CCG2-inverterCable;layout1.图6-不同电缆段和不同利率条件下的NPV。上网电价FIT=0.3€/kwh。CCG2-逆变器电缆;布局1。图7-不同电缆段和不同利率的NPV。适合=0.44€/kwh。CCG2-逆变器电缆，布局1FIT=0.3€/kWhFIT=0.44€/kWh利率(p.u)最佳截面(mm2)NPV(€)偿还(年)最佳截面(mm2)NPV(€)偿还(年)0.00120174211120297470.0195137711120243280.0295110912120199280.039588913120163080.04707441195134170.05706251195112070.0670525129593580.0770441137080150.0870369157069650.0970308167060650.107025519705295表12-选择CCG2-逆变器电缆的经济性能;布局1。图8-不同电缆部分和不同利率的NPV。FIT=0.3欧元/kwh。CCG1-逆变器和电缆CCG3-逆变器电缆;布局1。图9-不同电缆部分和不同利率的NPV。FIT=0.44€/kWh。CCG1-逆变器和CCG3-逆变器电缆;布局1。FIT=0.3€/kWhFIT=0.44€/kWh利率(p.u)最佳截面(mm2)NPV(€)偿还（年）最佳截面(mm2)NPV(€)偿还（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–选择CCG1-逆变器电缆和CCG3-逆变器电缆的经济性能;布局1这些结果表明，根据最低标准的要求确定电缆的规格尺寸并不会使成本最小化。换句话说，从经济角度来看，加大电源电缆截面可能是有利的。利率越低，最优截面积越大，因为较低的利率会降低能源损失。因此，超大型电缆的投资成本可通过减少损耗而进一步得到补偿。此外，电能损耗减少带来的好处随着上网电价的增加而增加，由此需要更大的电缆截面。在案例研究中，超大尺寸对于CCG2-逆变器电缆是有益的。而对于较长的CCG1-逆变器和CCG3-逆变器电缆而言，只有在低利率的情况下，超大尺寸才能盈利。在目前的研究中，根据上网电价和利率的不同，应用整个光伏电站的最经济部分所节省的总费用在529~5252欧元之间。布局2对于这种布局，CCG1-CCG2和CCG3-CCG1电缆每年的能源损耗成本可以使用6.1节中所示的相同公式进行评估，因为电流相同。这些公式如下：与此相反，CCG2-逆变器电缆的电流是以前电缆的三倍。由于能量损失与电流的平方成正比，此