光伏發電接入變電站站用電的設計方案研究與分析

云南民族大學 ■ 紀峰 何晉 梁志茂

寧波職業技術學院 ■ 梅曉妍

一 引言

光伏發電是利用太陽電池的光生伏打效應直接將太陽輻射能轉化為電能。由于光伏發電系統無機械轉動部件，具有易維護、無污染、無噪聲、無需添加燃料等優點，因此其應用規模和范圍正迅速擴大。

對于普通變電站而言，其自身的負荷為站用的動力、照明、直流等。站用負荷一般用電量小，但可靠性要求高。目前實際運行中變電站的站用電負荷基本都是由站用降壓變單獨提供。本文針對一座110kV變電站安裝屋頂光伏系統展開研究，提出利用變電站建筑物屋頂裝設太陽電池板，構建并網型光伏發電系統。此方案不僅可消耗可再生能源以降低站用電率，同時也有利于提高站用負荷的供電可靠性[1]。

二 光伏發電技術及其發展情況介紹

1 基本組成

光伏發電系統主要由太陽電池組、光伏系統控制器、蓄電池和逆變器等部分組成，其中的核心元件是太陽電池組和控制器。基本組成如圖1所示。

2 分類

目前光伏發電系統按其結構可大致分為3類：并網型光伏發電系統、離網型光伏發電系統及混合型系統，見圖2。

其中，離網型光伏發電系統擁有蓄電池，獨立給負荷供電，不與電網并聯。整套系統結構簡單，但運行易受負荷變化的影響，且維護相對復雜。并網型光伏發電系統輸出端供給負荷的同時并聯電網運行。太陽能富余時向電網供電，短缺時向電網購電。由于不配備蓄電池，維護方便且造價相對較低[2]。混合型光伏發電系統介于前兩者之間，兼具兩者的優點，有較強的可調節性，可靈活根據峰谷電價安排發電策略，但造價相對較高。

3 兩種并網方式

由于光伏發電與建筑物結合的方式不同，以及電池組件的規格和朝向不同等實際情況，大致可分為兩種并網模式：

(1) 集中式并網：在電池陣列朝向與規格基本一致的情況下，采用單臺逆變器實行集中并網發電。

(2) 分布式并網：在電池陣列朝向與規格不同的情況下，采用多臺逆變器并聯運行，實行分布式并網發電。

三 光伏發電接入變電站站用電系統的具體設計方案

1 初步設計思路

變電站站用電負荷一般由主變低壓側10kV母線通過10kV/380V變壓器單獨供電。由于站用電負荷要求具有較高的供電可靠性，所以本方案擬采用并網型光伏發電系統。當有太陽能時由光伏系統結合降壓變同時供電，無太陽能時由降壓變單獨供電，即光伏發電系統定位為站用降壓變的補充電源。

同時，由于安裝太陽電池組件的變電站主控樓屋頂平坦規整，電池組件可同型號同朝向，所以擬采用集中式并網方式供電。

2 安裝規模估計

安裝規模主要由可利用建筑物面積和站用電負荷大小兩部分決定。由于變電站內僅主控樓屋頂具有安裝太陽電池組件的空間。變電站主控樓屋頂南北走向，實際面積為40m×9m=360m2，可利用面積為270m2，全部安裝電池組件后其最大輸出功率為34.65kW。本地區類似規模的110kV變電站站用電負荷約為60kW，當需要增加檢修用電等額外負荷時，站用電總體負荷約達到100kW。因此光伏發電僅能定位為站用電系統的輔助電源，其安裝規模由主控樓屋頂最大可利用面積決定。

3 經濟性分析

系統按35kW容量估算，其直流、交流部分的效率均按90%計算，平均每天日照時間按3h峰值計算，系統的使用壽命按30a計算，得出系統理論上總發電量為：35×3×365×0.9×0.9×30=931298kWh。系統的建造成本按6萬元/kW估計，則總成本為35×6=210萬元。所以單位發電成本為：210萬/931298kWh=2.25元/kWh。

根據財政部與住建部聯合下發的文件：《關于組織實施太陽能光電建筑應用一體化示范的通知》，分別對光伏發電成本中的關鍵組件成本和工程安裝成本兩項進行補貼，即前者補貼50%，而后者補貼為6元/W。按總體補貼額為50%進行估算，則單位發電成本約為2.25/2=1.125元/kWh。由于光伏發電利用的是可再生、無污染的清潔能源，考慮環境效益與未來系統電價不可避免的上升趨勢，在部分地方財政較寬裕的地區，其變電站站用電系統引入光伏發電是可行的。

4 組成方案分析

如圖3所示，變電站有兩臺主變及兩段10kV母線，每段母線配置一臺站用變壓器。因此，系統組成方案考慮以下兩種：(1)方案一：將所有太陽電池陣列合并為一組，單獨對一側380V站用負荷供電；(2)方案二：將太陽電池陣列分為兩組，分別對兩側的380V站用負荷供電。方案一結構簡單，投資低，有光伏供電的單側站用負荷可考慮多承擔站用負荷。方案二由于是雙套系統，所以可靠性高，單套光伏發電系統檢修或故障時不影響整體運行，但投資較高。本次設計擬采用方案一。

5 主要設備選擇及布置

光伏發電系統主要由電池陣列、逆變器、匯流箱、配電柜等幾大部分組成。本文重點分析太陽電池陣列與逆變器兩大核心器件。

(1) 太陽電池陣列的方案選擇與參數分析

根據現場地理條件及電壓電流等情況，電池陣列由多個單體電池組件按一定方式串并聯組成。本方案擬采用SUNTECH公司的STP165S-24/AC電池組件，具體參數如表1所示。

表1 電池組件技術參數

變電站實際可利用屋頂建筑面積為360m2，考慮電池陣列間需預留相應的空隙，因此實際可安裝電池陣列的面積為270m2，最大輸出功率約為34.65kW。具體組合方式如表2所示。

表2 蓄電池組陣列形式

(2) 逆變器選擇

目前光伏系統的逆變器主要有三種類型：工頻變壓器型、高頻變壓器型和無變壓器型。其中工頻變壓器型防雷效果好，輸出波形優良，但體積龐大且造價高；高頻變壓器型內部結構復雜，體積和重量相對較小；無變壓器型造價低、體型小巧、結構簡單、可靠性高，但輸出電壓值固定不可調節[3]。因本次設計站用負荷固定為380V，如圖3所示，即光伏系統輸出電壓值固定，所以擬選定無變壓器式逆變器，逆變器參數見表3。

表3 逆變器參數

(3) 保護與監控

安裝數字化綜合保護測控裝置以實現對光伏發電系統的監控。裝置可采集多路電壓電流等模擬量以及開關量，用于實現測量和保護功能。裝置能實現逆功率保護、過電流保護、過電壓保護、低電壓報警、裝置異常報警等功能。同時該裝置能利用氣候信息，預測光照強度，并根據內部的數學模型計算功率出力，實現相應的控制。

(4) 太陽電池陣列的傾角及朝向

為了最大限度接收太陽光輻射，太陽電池板宜有一定的傾斜角度。假定面向正南方(即方位角=0?)，傾斜角從0?時刻(即水平方向)逐漸增大，日照強度也逐漸增強，當角度達到最佳傾斜角時，日照強度最強。此后，隨著傾斜角的不斷增加，日照強度逐漸降低。最佳傾斜角與當地的緯度有關，簡單的估算方法為：最佳傾斜角=緯度+5?。假定當地緯度為25?，則太陽電池板按30?傾斜角整定，方向正南。

(5) 防雷措施

把所有電池陣列的鋼結構與建筑物的防雷網可靠連接，以達到防止直擊雷的效果。在配電柜和匯流箱內安裝避雷器件，以達到防止感應雷的效果。

四 結論

本文對110kV變電站開展光伏系統接入站用電的設計與研究，得出如下結論：

(1) 提出利用110kV變電站的屋頂裝設光伏發電板，構建并網型光伏發電系統，并向站用電負荷供電的方案。該項目是結合變電站建設開發太陽能資源的一種有益嘗試，打破傳統變電站站用電由降壓變單一供電的格局。

(2) 根據現場實際情況確定了總體設計方案，并分析計算出系統中各主要裝置的參數和具體配置情況。

[1]Ken Zweibel, James Mason, Vasilis Fthenakis.A solar grand plan[J].US: Scientific American, 2007.

[2]吳海濤.光伏并網逆變器及其仿真研究[D].青島: 青島大學, 2007.

[3]趙春江, 劉永生, 楊金煥.3kW家用型太陽能光伏發電(PV)系統并網后的運行和監測[J]華東電力， 2009, 37(8): 1374－1377.