光伏太陽能系統在變電站直流系統中的應用分析

【摘要】利用太陽能發電，為變電站直流系統提供供電是當前較清潔的一種發電形式。首先介紹了變電站光伏直流系統的構成和原理，然后結合實際對其實際應用進行了分析。

【關鍵詞】太陽能發電；變電站直流系統；控制器

0 引言

在社會經濟高速發展的同時，也出現了一系列問題，環境污染、能源緊張最為突出，又牽制了經濟的發展。開發新能源是當前社會各國重點考慮的問題，作為其中一種較為清潔的可再生資源，太陽能因其普遍、環保、長久、巨大等優勢備受青睞。隨著人們生活生產用電需求量的驟增，電力系統供電日益緊張，環境問題愈發嚴重，為此有必要引進太陽能，實現太陽能光伏發電。近些年來，世界各國均加大了在此方面的投入和研究力度，我國也應跟緊時代，盡早實現全國范圍內的太陽能供電。

1 變電站光伏直流系統

1.1 系統構成

變電站光伏直流系統，即變電站直流系統和太陽能光伏發電系統的結合，主要是利用太陽能實現發電供電。具體來說，即以變電站原來的直流系統為基礎，增設太陽能電池組件、控制器、充電機、蓄電池組等裝置。

① 電池板

太陽能光伏發電是指對光能加以利用，并將其轉化為電能。利用多塊太陽能電池組合成太陽能板，再通過串聯或并聯的方式，將多塊太陽能板組合成光伏組件陣列，實現最終的發電。電池板是系統的核心，擔負著光能轉換為電能的重任，除了給系統供電，還負責給蓄電池充電。

② 光伏控制器

控制器十分關鍵，負責整個系統運行狀態的控制調整，如對蓄電池具有過充電的保護作用，包括電壓電流荷載過大時，對其予以一定的調整，以維護系統正常供電。另外，控制器還有遠程監控的功能。

③ 蓄電池

蓄電池即系統的儲能設備，因為太陽能發電過程中，除了滿足正常供電，還會產生多余的電能，常輸送至蓄電池加以儲存。若發電量達不到實際需求時，蓄電池可及時供電。考慮到變電站本就配置有蓄電池，且能夠滿足需求，無需重新配置蓄電池。

④ 充電裝置

多指充電機，是系統的原配裝置。充電機和控制器互為備用，負責直流系統的供電。在對充電機的啟停進行控制時，可通過加強對系統交流輸入端與接觸器的閉合與斷開的控制來實現。

1.2 系統原理

變電站光伏直流系統在運行時，先由太陽能組件方陣將太陽輻射時的光能轉換為電能，光伏控制器對電壓加以控制，保證穩壓輸出，和直流系統的合閘母線相連。若輸出電壓與直流系統的電壓要求相符，則組件方陣直接對系統進行供電，多余的電能則輸送至蓄電池儲存，此時充電機輸入端交流接觸器在控制器的控制下處于斷開狀態，不發生作用。若輸出電壓與直流系統的電壓要求不相符時，控制器則自動停止電壓輸出，同時令充電機輸入端與系統母線相連，改由充電機向系統供電。控制器和充電機互為備用，當一方停止工作時，由另一方繼續工作，以保證系統不間斷發電。此外，充電機輸出回路上通常需要加接防反沖二極管，但控制器內部已有，所以無需外加。當變電站的電壓超過220KV時，常會采用“兩電兩充”、“兩電三充”的配置方式，依靠防反沖電二極管，控制器的直流輸出可接入兩組蓄電池組。若是110KV的變電站，應對輸出電壓以及控制器參數加以調整。

1.3 系統設計

變電站光伏直流系統設計較為復雜，為實現正常供電，應考慮多項因素，包括氣象條件、日照強度、風速、溫濕度、電壓等級、功率消耗、工作時間等，還需考慮臺風等惡劣天氣。有一方數據失真或準確度不夠，極易影響到發電效果。因此，在設計時必須嚴格按照相關標準進行，遵循系統的安全級別要求。關于設計內容，包括蓄電池容量、光伏組件容量、系統安全、接地防雷的設計等，均要將質量、安全和經濟性當做重點考慮。

① 在設計光伏組件的容量時，日照強度、環境溫度、光譜等都有影響，日照強度影響最大。在獲取日照強度數據時，氣象部門多是在水平面測量。而實際上，太陽能板與地面存在一定的夾角，以最大地吸收光熱。這就要求在分析數據時需進行換算；② 光伏組件傾角的設計極為重要，直接影響著到太陽光的吸收程度。實際設計之前，通常會試驗多種情況，記錄好每一次結果，經過對比后，確定最佳傾角，保證系統每月接收的日照強度相似，進而實現系統常年的正常工作。在當前你信息化時代，科技越來越發達，在獲取最佳傾角時，已無需一一對比試驗，借助專業計算軟件，根據相關數據可直接求出最佳傾角。

2 實例分析光伏太陽能系統在變電站直流系統中的應用分析

2.1 實例分析

某110KV變電站負責所在市市區的供電，占地面積8500m2，為無人值班變電站，采用“一電一充”的模式。正常情況下，其直流負載為0.8KW，配置有蓄電池和充電機，前者的容量為180AH，后者的額定電壓為220V，額定電流為40A。該變電站直流系統設計為獨立的太陽能發電系統，白天接收日照，太陽能光伏系統將光能轉換為電能，直接向直流系統供電，同時再和變電站原有的交直流系統連接。通過光伏控制器來實現當光伏發電系統發電量不足時的電源自動切換，增強直流系統供電的可靠性。

2.2 系統配置

① 太陽能電池組件

該變電站的蓄電池容量為180AH，正常充電限流按18A計算，要求變電站光伏直流系統太陽能電池組件方陣的最大輸出功率為5KW。采用高品質單晶硅太陽能電池組件進行鋪設，單片太陽能電池組件面積為1.3m2 ，能夠在可利用面積內鋪設30塊。此發電系統的最大發電功率能夠保證達到5.5kW，既滿足了蓄電池均充的需要，又保證了對負荷的供電。此處采用GYS—165單片太陽能電池，重15Kg，功率為165W，最佳工作電壓為35.5±0.5V，最佳工作電流為4.5±0.5A。

② 光伏控制器

太陽能控制器采用階梯式逐級限流充電方法，依據蓄電池組端電壓的變化趨勢，自動控制多路太陽能電池方陣的依次接通或斷開，既可充分利用寶貴的太陽能電池資源，又可保證蓄電池組的安全和可靠的工作。

③ 控制器的性能特點

電池組件輸入設計為3路，配置有3+1路防雷器。直流輸出負載和蓄電池輸入均為1路。采用微電腦芯片加以控制，中文LCD液晶顯示，能夠隨意設定修改充放電的各個參數點，在各種場合都比較適用，還能有效避免各路充電開關同時開啟、閉合引起的振蕩。各路充電壓檢測具有“回差”控制功能，可防止開關進入振蕩狀態。

2.3 效益

該變電站自建立投入使用后，一直以來，運行都比較穩定，且維護十分方便。據內部人士透露，采用光伏直流系統，變電站每年可節省電量近5萬kWh，經濟效益3萬元，且周圍環境的污染程度大幅降低。

3 結束語

如今，人們的用電量不斷上漲，且對電能質量提出了更高的要求，給供電企業造成了巨大壓力。為緩解用電緊張，利用可再生能源發電的研究越來越多，太陽能發電則是當前最為清潔的一種能源，在節約資源、環境保護方面做出了巨大貢獻，值得推廣應用。

參考文獻

[1] 張冬旺.光伏太陽能系統在變電站直流系統中的應用[J].硅谷，2013，22（4）：167-168

[2] 林航，陳曉明.變電站光伏直流系統的研究與應用[J].安徽力學，2008，20（4）：140-141

[3] 劉利成.光伏太陽能在變電站直流系統的應用[J].電網與水力發電進展，2008，21（4）：130-132

[4] 陳曉明，張俊生，葛暉等.變電站光伏直流系統的研究與應用[J].水電自動化與大壩監測，2009，28（1）：109-110

[5] 康曉月.變電站的光伏系統研究[J].中國科技信息，201