摘要：现有大型光伏电站逆变部分通常是按照1MW为一个单元，光伏配电柜，户外多台汇流箱，逆变室的2台直流柜和2台逆变器，一个土建房和户外电网侧的双分裂变压器的升压箱变组成。这种方式在施工方面，占地面积较大，建设成本高，施工周期长；在设备应用方面，重复使用部分电气器件，造成器件应用浪费且损耗较高。本文主要通过对光伏逆变一体化集成解决方案关键技术问题进行研究，以及实际工程应用介绍提出整体解决的思路和方法。
关键词：一体化集成；光伏逆变升压、解决方案
1.引言
高度集成式光伏发电系统是未来发展的趋势，高功率密度和低成本方案越来越受客户青睐，随着同质化话产品竞争的白热化，寻求差异化产品竞争成为众多厂家追寻的方向。为客户提供一整套解决方案实实在在的解决客户问题同时提高产品的价值，必然是今后发展的新方向。本文通过研究光伏逆变升压一体化解决方案主要技术点以及工程应用阐述设计的科学性、合理性以及经济性。
2.光伏逆变升压一体化集成解决方案设计
客户需求：需要将太阳能电池组件直流电转化成能并网的交流电，并将其升压到10kV或35kV的电力电子设备。功能分析：实现此需要需要交直流配电柜，逆变器，升压箱变等设备共同发挥各自作用。解决方案：集成了直流配电柜、逆变器、交流配电柜及升压箱变，标准集装箱房一体化设计。本司设计的1MW光伏逆变器和箱变一体化设备由两台光伏500kW逆变器、一台箱式变压器（包括低压柜，UPS，辅助变压器，主变压器及高压室）、户外集装箱式房及消防系统组成。在一个集装箱内将能实现此需求的所有相关的设备/器件（直流柜，逆变器，低压柜，美式箱变，UPS电源，辅助变压器，通信箱，一次电缆/铜排）高度集成为一体，组成一个光伏逆变器升压系统，从而实现将太阳能电池组件直流电转化成能并网的交流电，并将其升压到10kV或35kV并网的需求如下图1（1MW光伏逆变升压一体化系统原理图）所示：
2.1.结构布局设计
光伏逆变升压一体化装置采用箱式整体结构合理布局：将变压器放在集装箱内，整个一体化集装箱由中间隔墙分成两部分，左边为逆变器房，逆变器房内还包括两台逆变器，两台低压柜，UPS电源，辅助变压器等设备，右边为美式变压器房，中间隔墙具有防火保护设计，防止变压器发生严重故障时影响到逆变器房内的设备。逆变箱和低压柜分别呈纵向并行方式布局，很好地解决了“一”字型长度过大问题。纵向并行设计能直接让逆变器交流侧与低压柜铜排连接，节省一字排开式的大量交流电缆，降低成本。纵向并行设计使集装箱内设备更加对称，左逆变箱与左低压柜连接，右逆变箱与右低压柜连接，之后再统一汇流到变压器侧。如下图2（1MW光伏逆变升压一体化装置布局图）
2.2.散热设计
一体化装置主要发热器件为逆变器及变压器，其中变压器采用油冷自然冷却的方式，而逆变器则基于成本考虑采用的是强迫空冷的散热方式。另外还有ups，二次供电变压器等发热器件且装置为直接户外安装，长期的太阳辐射会在装置内堆积大量的热量必须针对工况环境及内部其余发热量进行通风设计。
2.3.导电体设计
为节省成本，减少输电损耗，光伏逆变升压一体化装置参照如下表3采用铜排代替电缆设计。
根据内部器件直接通过不同的电流情况选择合适的铜排连接，直流断路器输入排选取3×20规格铜排(200A)；直流断路器输出汇总排选取6×50规格铜排(550A)；直流EMI输入排选取8×60规格铜排(1100A)；直流EMI至功率模块连接排选取8×60规格铜排(1100A)；功率模块至滤波电抗连接排选取8×60规格铜排(925A)；滤波电抗至接触器连接排选取8×60规格铜排(925A)；接触器至交流EMI连接排选取6×80规格铜排(925A)；交流EMI至交流断路器连接排选取10×50规格铜排(925A)。
2.4.消防设计
作为一体化解决方案，箱体外壳充当了常规设备建筑房的作用必须考虑防火设计。建筑防火主要包括被动防火体系和主动防火体系，被动防火是根据燃烧的基本原理，采用措施防止燃烧条件发生或减弱燃烧条件的发展，阻止火热蔓延。主动防火体系是采用措施及早探测火灾破坏已形成的燃烧条件，阻止燃烧的联锁反应减少火灾损失。
1MW光伏逆变升压一体化装置内部绝缘非金属阻燃等级V0材质，变压器与逆变器之间设置一道50mm防火隔热岩棉，防止室外变压器或逆变器室之间发生着火燃烧2小时内而相互影响扩散火灾损失。
《GB 50140-2005 建筑灭火器配置设计规范》规定：集装箱内部可引起的火灾大多是由于电子设备内部器件或电缆的绝缘、老化、爆炸导致的带电体火灾，属于E类火灾场所。带电设备内部可燃物较多、用电较多、起火后蔓延较迅速、扑救较难，属于中危险级。中危险级E类火灾场所使用手提式灭火器时的最大保护距离为20m，即每20m至少配一具灭火器。一个计算单元内配置的灭火器数量不得少于2具，不宜多于5具。E类火灾场所在中危险级时的最低配置基准为：单具灭火器的最小配置灭火级别为2A，单位灭火级别最大保护面积为75m2/A。如表4所示，E类火灾场所2A级别的标准配置为3kg或4kg磷酸铵盐干粉灭火器（二氧化碳驱动的使用范围为-10℃至+55℃，氮气驱动的使用范围为-20℃至+55℃）。
另箱体装置内需配有单独的逃生通道，消防应急灯等以应急突发状况，如调试检修过程中遇险情可安全逃生。
2.5.接地及防雷设计
一体化装置为户外安装结构，有来自外部的雷电过电压和由于系统参数发生变化时电磁能产生振荡，积聚而引起的内部过电压这些都会直接影响装置的安全稳定运行。防雷，是指通过组成拦截、疏导最后泄放入地的一体化系统方式以防止由直击雷或雷电的电磁脉冲对建筑物本身或其内部设备造成损害的防护技术。[1]为了避免遭受直接雷击装置需安装在避雷器或避雷线的保护范围内。无论是直击雷防护、雷电的静电感应、雷电波入侵和电磁感应都是要把雷电电流导入地下，所以装置必须可靠接地，保证装置正常工作和人身安全。装置为一个整体金属箱体能起到很好的电磁屏蔽作用，内部各器件需保证与箱体可靠连接，箱体在就位安装时与现场地网可靠连接。
2.6.箱体的防护等级设计
一体化装置为户外安装结构且需与外界通风散热，作为常规的配电设备建筑以及电气设备本体IP防护要求必不可少，需结合两者的要求综合考虑进行IP防护等级设计。配电建筑物的“五防”为防火、防水、防雷、防雪、防小动物。开关设备的“五防”防止误分、合断路器、、防止带负荷分、合隔离开关、、防止带电挂（合）接地线（接地开关）、防止带地线送电、防止误入带电间隔。一体装置箱体内安装的逆变器等电气件本身也具备一定的防护性，结合成本及加工性要求防护等级不低于IP54。
2.7.箱体设计
一体化装置集成为20尺集装箱（20ft*8ft*8ft）标准集装箱体结构，使用集装箱可直接进行吊装及运输。箱体尺寸根据《道路大型物件运输管理办法》规定了公路运输的超限尺寸：（1）总高度从地面算起4.2m以上；（2）总长度18m以上；（3）总宽度2.5m以上。因此，由于公路运输限高是4.2m，减去车板高度1.2m，运输货物高度需保证在3m以内；运输货物的长度需尽量控制在12m以内，如果一定超长，尽量控制在17m之内，但会增加很大的费用；运输货物的宽度需控制在3m以内考虑设计。
按《GB 50034-2013 建筑照明设计标准》规定，装配及维护区域的照度标准值为300lx，照明功率密度不低于11W/m2。因此，将集装箱内部的照明配置规定为：当使用荧光灯时，每平方米的照明功率不低于11W。例如标准20尺集装箱内部照明需求为5.89 X 2.34（m2） X 11 W/m2 =150W，可选用4只36W单管荧光灯；当集装箱内部被分隔成多个区域时，同样按11W/m2配置荧光灯。
集装箱标准材质2mmcorten A钢具有较好的防腐性能，腐蚀环境等级（ISO 12944）按表5所示的环境分类进行选择以及根据不同的环境防腐等级对箱体表面喷漆及漆膜厚度提出要求可参考表6。
3.结语
集成一体化方案具有高度集成性、高稳定性、快速预装、高收益性、强适用性、高兼容性等特点。本文通过设计案例总结分析光伏逆变升压一体化集成解决方案设计方法，从技术、投资和施工便利性考虑，大幅降低了交直流线缆成本、变压器成本、土建成本，缩短了施工周期，在电价下调与竞价上网的浪潮中成为业主应对补贴下降的首要办法，是平价上网的中坚力量。
参考文献
[1]本社. GB50057-2010建筑物防雷设计规范[M]. 中国计划出版社, 2013.
[2]李国宏.1MW户外箱式变电站在光伏并网发电系统中的应用［J］.电源世界，2009(3)：54-57.
[3]陈建国,张国民,马辉,韩冰,卓钢,冯晖. 光伏电站箱式变压器遮阳棚一体化设计及运行经济性分析［J］. 华电技术，2019(41):21-26.
[4]蔡长虹,江启芬.箱式光伏并网一体化电站的开发［J］.电工电气，2017(12):46-50
论文作者:吕作河,王建军
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第04期
论文发表时间:2019/7/9
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