分布式光伏發(fā)電與充換電站在變電站內(nèi)建設(shè)的探索與實(shí)踐

黃素麗，謝運(yùn)華，張 楠

（1.廣州電力設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510610；2.廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510610）

出于對(duì)能源緊缺和環(huán)境保護(hù)的重視，能耗低、無(wú)污染、噪聲低的電動(dòng)汽車(chē)受到愈來(lái)愈多的鼓勵(lì)和支持，但是續(xù)航里程和充電便捷性構(gòu)成了純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的兩大瓶頸。充換電站、充電樁等充換電設(shè)施是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展中必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，其重要性日漸突出。城市大型充換電站高昂的前期建設(shè)成本也是阻礙電動(dòng)汽車(chē)普及和發(fā)展的一個(gè)因素。與變電站相結(jié)合的建設(shè)，可以合理降低建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本，為推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。光伏發(fā)電作為一種重要的綠色清潔分布式能源也逐漸由獨(dú)立系統(tǒng)朝大規(guī)模并網(wǎng)系統(tǒng)方向發(fā)展。同時(shí)，分布式發(fā)電具有占地小、投資少、建設(shè)周期短等特點(diǎn)，近些年得到了大規(guī)模的發(fā)展。本文利用變電站舊站改造的機(jī)會(huì)，在變電站中加入分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、充換電站，踐行了綠色、環(huán)保、節(jié)能的發(fā)展理念，取得了可復(fù)制推廣的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，前景十分廣闊。

1 主要建設(shè)原則

分布式光伏發(fā)電建設(shè)思路：可以根據(jù)太陽(yáng)光照條件因地制宜地充分利用太陽(yáng)能，當(dāng)?shù)厥褂谩?dāng)?shù)夭⒕W(wǎng)，有效解決了光伏發(fā)電的并網(wǎng)問(wèn)題，以及長(zhǎng)距離輸電的損耗問(wèn)題。

主要電氣設(shè)備一般包括光伏電池組件、逆變器、匯流箱、交流配電柜等。通過(guò)合理布置光伏板，使光伏電池組件更好地接收太陽(yáng)光照射，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能。根據(jù)逆變器輸入回路MPPT及電壓、電流限制，合理對(duì)光伏電池組件組串，接入逆變器。由逆變器將直流輸入電源逆變成交流電源。逆變器輸出電源通過(guò)匯流箱、交流配電柜、變壓器等，根據(jù)分布式光伏發(fā)電量的大小，合理選擇并網(wǎng)電壓等級(jí)，按照就近使用的原則接入電網(wǎng)。

充換電站建設(shè)：需要根據(jù)充電站規(guī)模合理布置充電樁車(chē)位，并設(shè)置換電池車(chē)位，更好地滿足快速充電的需求。充換電站在建設(shè)時(shí)可綜合考慮屋面光伏的布置，在建設(shè)時(shí)增設(shè)光伏組件固定所需的基礎(chǔ)埋件，并滿足安裝組件設(shè)備等荷載要求，為后期組件的安裝提供便利的條件。充換電站一般選用非車(chē)載快充，需要配套建設(shè)1臺(tái)箱式配電站，10 kV外接電源接至箱式配電站內(nèi)10 kV母線。箱式配電站內(nèi)設(shè)備包括10 kV進(jìn)線柜、出線柜、變壓器，0.4 kV進(jìn)線計(jì)量柜、低壓出線柜。低壓出線柜出線至戶(hù)外落地式配電柜，由配電柜分配充電樁及其他負(fù)荷用電。因充電樁采用高頻開(kāi)關(guān)整流模式，可實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正功能，因此，可不單獨(dú)設(shè)置濾波裝置及無(wú)功補(bǔ)償。充電站內(nèi)設(shè)置系統(tǒng)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警等，充電機(jī)內(nèi)配置交、直流電能表等計(jì)量計(jì)費(fèi)裝置。

2 工程概況

本文以廣州某110 kV變電站改造工程為依托，在該變電站改造之際，征得相關(guān)單位同意后，合理增設(shè)充換電站并配套建設(shè)分布式光伏發(fā)電。

分布式光伏發(fā)電具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下：①經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)及查看首期結(jié)構(gòu)資料，確定屋面荷載是否滿足本期加裝光伏板結(jié)構(gòu)要求，得知充換電站及部分配電裝置樓屋面可利用面積約900 m2。②光伏組件選擇方面。通過(guò)對(duì)比幾種常用的太陽(yáng)能電池，定于選用轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、故障率低且性?xún)r(jià)比高的容量為295 Wp的單晶硅組件。③光伏組件布置方面。光伏組件在混凝土屋面沿南北向布置，并考慮屋面建筑物光照遮擋的因素，按當(dāng)?shù)毓庹諚l件最佳傾角15°安裝，以最大限度地利用太陽(yáng)能。屋面可安裝360塊光伏組件，實(shí)現(xiàn)裝機(jī)容量為106.2 kW。④逆變器的選擇方面。選用的逆變器需具有一定的環(huán)境適應(yīng)能力、抗干擾能力、過(guò)載能力、功率因素調(diào)整及各種保護(hù)功能。同時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)畸變小、頻率波動(dòng)小、交流輸出電壓穩(wěn)定、輸出效率高；低電壓穿越能力、孤島保護(hù)、低電壓穿越、短路保護(hù)等功能，內(nèi)部輸入側(cè)直流以及輸出側(cè)交流均需加裝防雷保護(hù)。外殼防護(hù)等級(jí)IP56、同時(shí)需要具備良好的環(huán)境溫度特性，即耐熱、耐雨、防老化以及高溫下較高的輸出效率。本工程選用2臺(tái)50 kW逆變器，輸出380 V交流電壓。⑤配電箱的選擇方面。配電箱內(nèi)部斷路器根據(jù)額定電壓、電流進(jìn)行選擇，并經(jīng)過(guò)短路校驗(yàn)。為了保護(hù)設(shè)備在遭受雷電或其他瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)免于損害，內(nèi)部需設(shè)置SPD防浪涌保護(hù)。同時(shí)由于避免瞬時(shí)故障導(dǎo)致斷路器跳閘，需設(shè)置自動(dòng)重合閘電源保護(hù)器，可減少線路停電時(shí)間、次數(shù)、糾正誤跳閘，提高供電的可靠性。同時(shí)為計(jì)量光伏上網(wǎng)電量，需在配電箱內(nèi)配置三相計(jì)量表。由于本項(xiàng)目裝機(jī)容量小于1 MW，選擇0.4 kV電壓就近接入電網(wǎng)系統(tǒng)。配電箱接至充換電站箱式配電站內(nèi)0.4 kV側(cè)，可實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電并網(wǎng)。⑥電纜的選擇及敷設(shè)。根據(jù)線路載流量大小合理選擇電纜截面，逆變器至配電箱之間電纜選用ZR-YJV22-0.6/1 kV-4×35+1×16。配電箱至光伏并網(wǎng)柜之間電纜選用ZR-YJV22-0.6/1 kV-4×70+1×35；光伏直流電纜選用光伏專(zhuān)用線纜PV1-F-1×4mm2。組件下方的線纜，直接用扎絲綁扎在支架上，無(wú)組件的地方槽盒內(nèi)敷設(shè)。在電纜槽盒內(nèi)敷設(shè)的線纜在進(jìn)入和引出槽盒時(shí)，需金屬管保護(hù)。槽盒內(nèi)電纜有高差處，應(yīng)防止電纜的拉斷，每隔1.5～2 m用1～2 mm厚的銅帶或鋁帶電纜卡固定1次，同時(shí)槽盒轉(zhuǎn)彎處需滿足電纜轉(zhuǎn)彎半徑的要求，并注意避免刮傷電纜防護(hù)外套，以保證電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行。⑦防火封堵設(shè)置。直流線纜與交流電纜分別設(shè)置獨(dú)立槽盒，同一槽盒里放置多層電纜，需用防火隔板隔開(kāi)。電纜進(jìn)出防火槽盒需刷防火涂料，槽盒接頭處及中間段做防火封堵。電纜進(jìn)出配電柜設(shè)備底部及電纜溝、穿墻開(kāi)孔處均需做好防火封堵。⑧接地設(shè)置。屋面光伏組件支架及屋面電纜槽盒、屋面逆變器、配電箱等金屬外殼需采用50×5鍍鋅扁鋼可靠焊接，形成等電位接地網(wǎng)。并沿建筑物墻面向下每隔20 m明敷接地引下線，引下線敷設(shè)至地面以下與建筑物水平接地網(wǎng)連接，并在連接處設(shè)置L=2.5 m垂直接地極；使接地電阻值滿足小于4 Ω。如果不能滿足，則需要增加降阻劑或?qū)⒔拥鼐W(wǎng)引至電阻率較低的地方。

圖1 充換電站、分布式光伏發(fā)電接入系統(tǒng)配電接線圖

充換電站具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下：①根據(jù)充換電站建筑規(guī)模，共設(shè)置5個(gè)充電車(chē)位，1個(gè)換電車(chē)位；電池充電可在電荷低谷期進(jìn)行，避開(kāi)負(fù)荷高峰期合理降低電力成本。②充電樁的選擇方面。為了滿足更多電動(dòng)車(chē)用戶(hù)的需求，本項(xiàng)目選擇可以快充的落地式直流充電樁。充電樁外殼防護(hù)等級(jí)為IP54、耐熱、防潮、耐低溫、耐老化、耐撞擊，良好的絕緣特性，外殼及電纜都要具有阻燃性能。本項(xiàng)目選用配置5臺(tái)60 kW非車(chē)載一體式充電機(jī)，充電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)為額定功率60 kW、輸出電壓350～700 V、輸出電流2～120A、功率因素≥0.98、效率≥0.93.同時(shí)，充電機(jī)內(nèi)配備直流電能表，電度計(jì)量表準(zhǔn)確等級(jí)不低于1.0級(jí)同時(shí)應(yīng)具備分時(shí)計(jì)費(fèi)功能。③箱式配電站的選型及布置。依據(jù)充換電站用電負(fù)荷以及光伏發(fā)電量，本工程選用1臺(tái)400 kVA的干式變壓器，10 kV側(cè)選用負(fù)荷開(kāi)關(guān)柜配置1臺(tái)10 kV進(jìn)線柜、1臺(tái)出線柜，形成單母線接線。0.4 kV側(cè)配置1臺(tái)進(jìn)線計(jì)量柜、2臺(tái)低壓出線柜，采用固定式低壓柜單母線接線。1臺(tái)出線柜接至充電站內(nèi)充電機(jī)配電柜、1臺(tái)低壓出線柜作為光伏并網(wǎng)柜。箱式配電站內(nèi)配套設(shè)置直流屏以及DTU等二次保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備。箱式配電站設(shè)置在充換電站旁，周?chē)O(shè)置護(hù)欄，外殼防護(hù)等級(jí)為IP54。④戶(hù)外落地式配電柜的選擇。額定輸入電壓Un=AC380 V，額定輸入電流In=630A，防護(hù)等級(jí)為IP54。柜內(nèi)開(kāi)關(guān)設(shè)置為1進(jìn)9出，根據(jù)配電設(shè)備選型原則選定各路開(kāi)關(guān)大小。配電柜設(shè)置在箱式配電站旁，聯(lián)絡(luò)低壓出線柜與充電樁，為充電樁提供電源。⑤電纜的選擇。低壓出線柜至配電柜采用2根ZR-YJV22-4×120+1×70截面電纜埋管敷設(shè)；配電柜至各充電樁電纜選用ZR-YJV22-4×35+1×16截面電纜沿電纜溝敷設(shè)；其他站用電回路電纜截面根據(jù)電流大小配置。⑥其他配套建設(shè)內(nèi)容。照明、通風(fēng)、空調(diào)、充電監(jiān)控、視頻監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警、通信等功能需同時(shí)配套建設(shè)。充換電站、分布式光伏發(fā)電接入系統(tǒng)配電接線圖如圖1所示。

3 結(jié)論與展望

本次在廣州某110 kV變電站改造工程中配套建設(shè)充換電站及分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，響應(yīng)了國(guó)家發(fā)展清潔能源政策的號(hào)召，積極發(fā)展新能源，充分利用現(xiàn)有變電站屋頂、充換電站車(chē)棚屋頂建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。分布式光伏發(fā)電可就近補(bǔ)償充換電站內(nèi)用電，降低了光伏發(fā)電在變壓器升壓及長(zhǎng)距離輸送中的損耗；同時(shí)，減少火力發(fā)電煤炭消耗量和二氧化碳排放量，實(shí)現(xiàn)能源“綠色發(fā)展”。充換電站的建設(shè)，由于充電樁選用先進(jìn)的直流快充技術(shù)，可以為電動(dòng)汽車(chē)提供方便快捷的充電服務(wù)，合理緩解充電難、充電慢的問(wèn)題。“變電站+分布式光伏發(fā)電+充換電站”的建設(shè)模式探索，為未來(lái)深入地研究新能源綜合建設(shè)模式提供了一個(gè)思路，建設(shè)經(jīng)驗(yàn)值得推廣。但在建設(shè)時(shí)，需合理評(píng)估其對(duì)電網(wǎng)及變電站帶來(lái)的影響，在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定的前提下，合理展開(kāi)綠色建設(shè)模式的探索與實(shí)踐。