一種為站內(nèi)UPS供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李洪偉，史 俊，熊曉川，徐學(xué)帥，劉 樂(lè)

（云南電網(wǎng)普洱供電局，云南 普洱 665001）

0 引 言

光伏發(fā)電(Photovoltaic，PV)已成為繼風(fēng)力發(fā)電之后的可再生能源發(fā)電的新增長(zhǎng)點(diǎn)[1]，近年來(lái)隨著自動(dòng)化及控制技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電及應(yīng)用已相當(dāng)成熟，并取得廣泛應(yīng)用，如：電動(dòng)汽車、城市軌道交通等。然而，光伏出力的隨機(jī)性和不確性制約光伏應(yīng)用。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究[2]，提出了一種光伏/電動(dòng)汽車/負(fù)荷博弈的屋頂光伏容量?jī)?yōu)化方法，及多個(gè)光伏電站出力相關(guān)性的隨機(jī)潮流方法[3]，該方法采用了Pair Copula函數(shù)對(duì)多個(gè)光伏電站的出力進(jìn)行相關(guān)性建模，綜合考慮了電站出力兩兩之間不同的相依結(jié)構(gòu)，光伏發(fā)電系統(tǒng)可通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)控注入電網(wǎng)的有功功率、無(wú)功功率來(lái)改善電力系統(tǒng)的功率平衡特性，從而抑制電網(wǎng)功率振蕩現(xiàn)象進(jìn)行分析與闡述[4]。

隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展及其成本的降低，在光伏發(fā)電中增加存儲(chǔ)設(shè)備成為可能，儲(chǔ)能設(shè)備的增加可進(jìn)一步的推動(dòng)光伏廣泛消納[5-6]。

不間斷供電系統(tǒng)(Uninterruptible Power Supply,UPS)，是一種含有儲(chǔ)能裝置的不間斷電源。主要用于給部分對(duì)電源穩(wěn)定性要求較高的設(shè)備，提供不間斷的電源，具體到變電站來(lái)說(shuō)，UPS為站內(nèi)儀器儀表、調(diào)度系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)等提供可靠電源，其穩(wěn)定性和可靠性影響站內(nèi)測(cè)量、計(jì)量、保護(hù)等功能。

為提高站內(nèi)UPS的穩(wěn)定性和可靠性，本文利用地區(qū)資源和站內(nèi)條件，搭建了一套光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)將光伏發(fā)電存儲(chǔ)至儲(chǔ)能設(shè)備中，并通過(guò)逆變器給站內(nèi)交流屏供電，可保證UPS正常、持久運(yùn)行，最后對(duì)范工程中光伏出力特性進(jìn)行分析和總結(jié)，驗(yàn)證了本文所提方案的可行性。

1 站內(nèi)UPS

1.1 站內(nèi)UPS的功能及主要設(shè)備

變站內(nèi)UPS電源是專為變電站設(shè)計(jì)的，其將變電站自備直流屏的110V、220V直流電逆變成幅值為220V、380V，頻率為50Hz的交流電，為監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)化儀表、調(diào)度通信系統(tǒng)等站內(nèi)核心設(shè)備提供高可靠性及高品質(zhì)的電能供電。

站內(nèi)UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括旁路輸入、交流輸入及直流輸入等，其主要組成器件的功能包括。

（1）整流器，將交流變?yōu)橹绷鳎?jīng)濾波后輸出給逆變器。

（2）逆變器，將直流轉(zhuǎn)化為可靠的交流電輸出給負(fù)載。

（3）逆止二極管，因二極管單相導(dǎo)通可防止直流電源回流。

（4）靜態(tài)開(kāi)關(guān)，兩個(gè)可控硅（SCR）反向并聯(lián)組成的一種交流開(kāi)關(guān)，其閉合和斷開(kāi)由邏輯控制器控制，實(shí)現(xiàn)從一路電源到另一路電源的自動(dòng)切換。

圖1 UPS系統(tǒng)系統(tǒng)

（5）隔離變壓器，使一次側(cè)與二次側(cè)實(shí)現(xiàn)電氣隔離，起到保護(hù)、防雷、濾波等作用。

2 普洱地區(qū)光照資源及光伏發(fā)電設(shè)計(jì)系統(tǒng)

2.1 云南普洱地區(qū)光照情況

云南普洱由于受亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，大部分地區(qū)常年無(wú)霜，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，享有“綠海明珠”、“天然氧吧”之美譽(yù)。普洱市年均氣溫15℃～20.3℃，年無(wú)霜期在315天以上，年降雨量1 100～2 780毫米，負(fù)氧離子含量在七級(jí)以上。

普洱地區(qū)日照充足，十分適合使用太陽(yáng)能等新能源，以普洱墨江為例，其數(shù)據(jù)如表1所示。

表1中光照和溫度統(tǒng)計(jì)信息表明云南墨江縣地區(qū)光照豐富，其中日太陽(yáng)輻射中3～5月較為高，而空氣溫度于6～8月則超過(guò)28℃，因此非常適合光伏發(fā)電。

表1 墨江地區(qū)光照信息

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

為了利用普洱地區(qū)豐富的光照資源給站內(nèi)UPS供電，需要搭建一套光伏發(fā)電系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏板、控制器、蓄電池組、逆變器等組成。

根據(jù)站內(nèi)用電工況及站內(nèi)空間情況，下面對(duì)系統(tǒng)中各組件參數(shù)及特性進(jìn)行描述。

2.2.1 光伏組件

光伏組件的型號(hào)SL350TU-36P，單片功率350 W，共12片，預(yù)出力為15 kW。其特點(diǎn)如下：

（1）采用多晶硅電池片，發(fā)電更穩(wěn)定、低衰減；

（2）轉(zhuǎn)化率19.10%以上，使用壽命長(zhǎng)達(dá)10年以上；

（3）表面采用透光率93%的超白鋼化玻璃；

（4）背面采用優(yōu)質(zhì)背板；

（5）鋁合金邊框采用陽(yáng)極氧化表面確保產(chǎn)品25年不會(huì)氧化；

（6）10年后，不低于最初功率的90%；

（7）通過(guò)TUV、CE、ROHS、CQC認(rèn)證。

2.2.2 智能控制器

智能控制器額定充電電流60 A，電壓等級(jí)DC48 V。

其采用多種電源管理互補(bǔ)控制模式組合，通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)智能化電源管理控制。使太陽(yáng)能功率最大效率利用，最低節(jié)能輸出，最合理控制充電、蓄電、輸出。

2.2.3 儲(chǔ)能電池

采用膠體蓄電池及蓄電池防護(hù)箱組成，電池型號(hào)為L(zhǎng)CPC200-12，共計(jì)8支，深循環(huán)免維護(hù)膠體蓄電池?zé)o游離電解液，自放電低，壽命長(zhǎng)；適應(yīng)環(huán)境溫度廣；獨(dú)特配方，深放電恢復(fù)性能好。

2.2.4 逆變器

逆變器CIP5000-48/220，其作用為將輸出的直流48 V電壓逆變?yōu)?20 V的交流電壓。

其主要參數(shù)為：輸入電壓48 V，輸出電壓220 V，波形為工頻正弦，容量則是5 kW，且通過(guò)CE認(rèn)證。

3 驗(yàn)證

3.1 實(shí)施地點(diǎn)

基于2.2的方案開(kāi)展示范工程，最終落地于墨江縣境內(nèi)的35kV雙龍變。

3.2 光伏系統(tǒng)典型月出力

通過(guò)典型月光伏各日發(fā)電量統(tǒng)計(jì)，某月各日間發(fā)電量波動(dòng)性較大，最大日發(fā)電量接近16 kWh，最小出力則只有10 kWh左右。

3.3 光伏系統(tǒng)連續(xù)3個(gè)月出力特性

系統(tǒng)投運(yùn)后連續(xù)3個(gè)月的處理情況：其中8月累計(jì)發(fā)電量最大為399.6 kWh，而9月的日平均值出力為11.931 17 kWh低于7月和8月的日發(fā)電量，從波動(dòng)性來(lái)看，7月的標(biāo)準(zhǔn)差為1.114，8月則為1.214 1，9月為1.371 3，主要原因在于隨著氣候變化9月光照也發(fā)生較大波動(dòng)，進(jìn)一步推測(cè)進(jìn)入冬天系統(tǒng)的出力波動(dòng)性更大，出力也可能更小。

3.4 總結(jié)

以上工程數(shù)據(jù)可得以下結(jié)論。

（1）因季節(jié)影響，單月內(nèi)光伏系統(tǒng)出力波動(dòng)性差距較大，但7～9月因持續(xù)晴天，系統(tǒng)出力較為穩(wěn)定。

（2）系統(tǒng)7～9月這3個(gè)月累計(jì)發(fā)電超過(guò)1 200kWh，證明了系統(tǒng)具有一定效益的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也說(shuō)明了系統(tǒng)為站內(nèi)UPS供電是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

站內(nèi)UPS的供電穩(wěn)定性和可靠性尤為重要，因此本文設(shè)計(jì)了一套站內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助存儲(chǔ)設(shè)備和逆變?cè)O(shè)備為站內(nèi)UPS供電，可保證站內(nèi)電源故障時(shí)UPS依然可穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行。并通過(guò)示范工程數(shù)據(jù)，證明了所提方案可靠性和經(jīng)濟(jì)性。