光伏發(fā)電在變電站直流系統(tǒng)中的探討與應(yīng)用

莊夢曉　莊宏偉　王化梅

【摘要】利用太陽能電池陣列將太陽能轉(zhuǎn)換成為直流電，再通過直流/交流光伏并網(wǎng)逆變器將太陽能發(fā)出的直流電逆變成50赫茲、220V/380V的交流電，光伏并網(wǎng)逆變器的輸出端通過配電柜與變電站內(nèi)的站用變低壓端（220V/380V）并聯(lián)，將發(fā)出的電能通過變壓器送入電網(wǎng)，或經(jīng)過直流配電箱和光伏充電控制器向蓄電池組充電，為直流負(fù)載供電。

經(jīng)過研究建立變電站光伏直流系統(tǒng)，改變原有的直流充電機(jī)僅由電網(wǎng)供電的模式，兩種模式能夠自動切換，提高變電站自用電源的可靠性，實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能效益。

【關(guān)鍵詞】太陽能、光伏發(fā)電、直流系統(tǒng)、探討與應(yīng)用

1 引言：

太陽能是資源最豐富的可再生能源，具有獨(dú)特的優(yōu)勢和巨大的開發(fā)利用潛力。

光伏發(fā)電系統(tǒng)通過太陽電池將來自太陽的能源轉(zhuǎn)換成電能，這些電能可以送入電網(wǎng)或儲存在蓄電池，從而為人類提供用之不竭的能源。

該系統(tǒng)為無人值班變電站和智能電網(wǎng)建設(shè)提供了有益的嘗試，拓展了光伏系統(tǒng)集成的應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)建設(shè)的35kV及以上變電站均為無人值班智能變電站，根據(jù)國家電網(wǎng)公司“兩型一化”設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，均可研究嘗試采用變電站太陽能光伏直流系統(tǒng)。

2 太陽能光伏發(fā)電的節(jié)能環(huán)保意義：

國家電網(wǎng)公司是關(guān)系國家能源安全和國民經(jīng)濟(jì)命脈的國有重要骨干企業(yè)，以建設(shè)和運(yùn)營電網(wǎng)為核心業(yè)務(wù)，承擔(dān)著為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供安全、經(jīng)濟(jì)、清潔、可持續(xù)的電力供應(yīng)的基本使命，經(jīng)營區(qū)域覆蓋26個省（自治區(qū)、直轄市），覆蓋國土面積的88%。

太陽能光伏發(fā)電具有很好的環(huán)境效益，不會造成溫室氣體的排放。按照目前中國火電廠煤耗為350克標(biāo)準(zhǔn)煤/kWh計(jì)算，以山東地區(qū)常用的5kW光伏并網(wǎng)電站為例，年發(fā)電量約為5500kWh，每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤近2噸，二氧化碳年減排量約5噸，是真正無污染的高科技綠色能源，具有明顯的社會效益。

3 系統(tǒng)簡介：

系統(tǒng)采用光伏發(fā)電技術(shù)為變電站內(nèi)直流系統(tǒng)蓄電池組引入了除電網(wǎng)以外的新的充電系統(tǒng)，能有效解決長期以來困擾電網(wǎng)的變電站失電后的直流系統(tǒng)充電問題，大幅提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性。 系統(tǒng)具有直流充電與并網(wǎng)發(fā)電兩種功能，在正常情況下以并網(wǎng)發(fā)電模式工作。系統(tǒng)并網(wǎng)所發(fā)電量直接供站內(nèi)用電使用，可有效降低變電站用電損耗，增加了光伏直流系統(tǒng)利用率。 系統(tǒng)內(nèi)置控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)“直流充電”與“并網(wǎng)發(fā)電”功能的自動切換，減少人力配置，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易操作性，便于在無人值守變電站內(nèi)推廣使用。

建立變電站光伏直流系統(tǒng)，改變了變電站原有的直流充電機(jī)僅由電網(wǎng)供電的模式，使現(xiàn)有的變電站的供電可靠性和節(jié)能效益提高到一個前所未有的高度，真正地實(shí)現(xiàn)了變電站的供電可靠與節(jié)能，具體方式為：

（1）把光伏直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個獨(dú)立的直流發(fā)電裝置，以作為變電站直流系統(tǒng)的備用直流充電機(jī)，增加變電站直流系統(tǒng)的可靠性

（2）光伏直流系統(tǒng)具有并網(wǎng)發(fā)電功能，可降低變電站所用電損耗，增加了光伏直流系統(tǒng)利用率。

（3）實(shí)現(xiàn)變電站光伏直流系統(tǒng)中直流充電功能和并網(wǎng)發(fā)電功能的自動切換，實(shí)現(xiàn)光伏直流系統(tǒng)無人操作的功能，減少相應(yīng)人力的配備。

本系統(tǒng)的目的是提供一種具有直流充電和并網(wǎng)發(fā)電功能的供電變電站太陽能光伏系統(tǒng)，系統(tǒng)正常時以并網(wǎng)方式運(yùn)行，在變電站交流電失電時系統(tǒng)可作為直流充電機(jī)使用，實(shí)現(xiàn)直流充電與并網(wǎng)發(fā)電的整合，使直流發(fā)電與并網(wǎng)發(fā)電可自動切換，也可手動切換。

系統(tǒng)主要包括太陽電池陣列、直流配電箱、控制切換裝置、光伏并網(wǎng)逆變器、光伏充電控制器。

光伏并網(wǎng)逆變器：采用電流控制型PWM有源逆變技術(shù)和優(yōu)質(zhì)環(huán)行變壓器，克服了晶閘管有源逆變的一切弊病，可靠性高，保護(hù)功能全。具有完善的保護(hù)功能：極性反接保護(hù)、短路保護(hù)、過熱保護(hù)、過載 保護(hù)、接地保護(hù)等 ；具有可靠地進(jìn)行反孤島效應(yīng)功能，確保在電網(wǎng)斷電時，立即與電網(wǎng)斷開，停止發(fā)電。

光伏充電控制器：是專門為光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，它控制太陽電池給蓄電池充電，同時控制器對蓄電池的過充、過放進(jìn)行保護(hù)。

系統(tǒng)根據(jù)變電站直流系統(tǒng)中蓄電池的充電要求，兼顧并網(wǎng)逆變器工作條件，結(jié)合安裝地點(diǎn)的氣象信息，確定了光伏組件的具體配置為5kW。系統(tǒng)采用的是180W的單晶硅太陽電池組件，光伏系統(tǒng)方陣采用的是9串3并，共需組件27塊。在原有充電機(jī)的基礎(chǔ)上，太陽能光伏系統(tǒng)也能通過光伏控制器對站用直流母線充電，可以增強(qiáng)站用直流系統(tǒng)供電可靠性。

該系統(tǒng)在變電站原有直流系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了太陽能電池組件和光伏控制器。在白天有光照的情況下由太陽能光伏系統(tǒng)產(chǎn)生電能向變電站內(nèi)直流系統(tǒng)供電，經(jīng)光伏控制器穩(wěn)壓輸出給直流母線充電并供給變電站直流負(fù)載。

當(dāng)光照不足，太陽能電池組件輸出功率達(dá)不到負(fù)載要求時，直流母線將自動啟用蓄電池充電并啟動原有直流充電機(jī)進(jìn)行充電。太陽能光伏系統(tǒng)和充電機(jī)交替工作并互為備用，提高了變電站直流系統(tǒng)的供電可性。

4 變電站光伏直流系統(tǒng)的特點(diǎn)：

在變電站原有直流系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了太陽能電池組件和光伏控制器，太陽能電池組件方陣在太陽光的照射下產(chǎn)生并輸出電能，經(jīng)光伏控制器穩(wěn)壓后輸出至直流系統(tǒng)的合閘母線上。這樣，當(dāng)太陽能電池組件輸出電壓在直流系統(tǒng)的要求范圍內(nèi)時，由光伏系統(tǒng)給直流系統(tǒng)供電，此時充電機(jī)輸入端交流接觸器受光伏控制器控制而斷開。當(dāng)太陽能電池組件輸出電壓不符合直流系統(tǒng)的要求范圍時，光伏控制器自動停止輸出且控制充電機(jī)輸入端交流接觸器吸合，此時由充電機(jī)給變電站直流系統(tǒng)供電。光伏控制器和充電機(jī)交替工作，互為備用，以提高變電站直流系統(tǒng)的供電可靠性。

變電站光伏直流系統(tǒng)為獨(dú)立的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，在白天有日照的情況下，由太陽能光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能向變電站內(nèi)的直流系統(tǒng)供電，同時再和變電站原有的交直流系統(tǒng)連接。通過光伏控制器來實(shí)現(xiàn)當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量不足時，直流母線將自動啟用蓄電池充電并啟動原有直流充電機(jī)進(jìn)行充電，增強(qiáng)直流系統(tǒng)供電的可靠性。

5 效益分析：

光伏發(fā)電是一種清潔的能源，既不消耗資源，同時又不釋放污染物、廢料，也不產(chǎn)生溫室氣體破壞大氣環(huán)境，也不會有廢渣的堆放、廢水排放等問題，有利于保護(hù)周圍環(huán)境，是一種綠色可再生能源。

變電站光伏直流系統(tǒng)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，減少了變電站的站用電損耗，根據(jù)簡單測算，使用太陽能光伏系統(tǒng)后，類似國網(wǎng)典型設(shè)計(jì)的規(guī)模110kV變電站每年可節(jié)約電量約1200kWh。太陽能是綠色、環(huán)保無污染的清潔能源，面對傳統(tǒng)能源日益緊張的形勢和嚴(yán)重的污染，利用太陽能無疑是未來社會發(fā)展的必然趨勢。

系統(tǒng)將光伏發(fā)電技術(shù)與變電站內(nèi)直流系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，采用光伏發(fā)電作為變電站直流系統(tǒng)蓄電池組充電浮充電裝置的備份，在遇到災(zāi)難性事故之后可以為搶修和救援提供必要的電力供應(yīng)。在緊急時刻所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)和社會價值難以估量。

參考文獻(xiàn)

[1]《新能源基本建設(shè)項(xiàng)目管理的暫行規(guī)定》 國家計(jì)委 計(jì)交能〔1997〕955號

[2]《太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與應(yīng)用》 人民郵電出版社 馮垛生 編著

[3]《地面用光伏（PV）發(fā)電系統(tǒng)概述和導(dǎo)則》GB/T18479-2001

作者簡介：莊夢曉，本科，助理工程師，電氣工程及其自動化，國網(wǎng)濱州供電公司濱城區(qū)供電公司，電力工程管理；

莊宏偉，本科，高級工程師，電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，國網(wǎng)濱州供電公司，電力工程規(guī)劃設(shè)計(jì)；