在變電站直流系統的應用探究

金士杰 王臻

摘要：本文介紹了變電站直流系統的特性，分析了光伏太陽能應用于變電站直流系統的重要意義。在此基礎上，本文對變電站光伏直流系統的工作原理進行了闡述，并圍繞光伏控制器、光伏回路與充電機回路之間的切換、蓄電池的充電設計方案三個方面，對光伏太陽能在變電站直流系統中的具體應用進行了闡述，供參考。

關鍵詞：光伏太陽能;變電站;直流系統

引言：光伏太陽能系統又稱為“光生伏特”，是指利用光伏半導體材料的光生伏打效應，進而將太陽能轉化為直流電能的發電系統，其核心組件為太陽能電池板[1]。隨著“碳排放”逐漸成為熱門詞匯，在不久的將來，以風力發電、太陽能發電為代表的清潔能源發電形式將逐步取代火力發電，故探究光伏太陽能在變電站直流系統中的應用存在現時意義和長遠意義，必須予以重視。

1.變電站直流系統的特性分析

直流系統是發電廠變電站整體運行系統中不可或缺的重要環節，實質是一種電源設備，主要為各類變電站和其他使用直流設備的用戶，為給信號設備、保護、自動裝置、事故照明、應急電源以及斷路器的分閘、合閘操作提供直流電源[2]。直流系統不受發電廠發電機、廠用電、系統整體運行方式的影響，具有獨立性，且能夠在外部交流電因多種原因暫時中斷的情況下，保證后備電源（一般為蓄電池）能夠繼續向直流設備提供電能。因此，直流屏自身的性能在很大程度上直接決定發電廠電力系統的電能供應是否具備可靠性和安全性。通常情況下，發電廠變電站直流系統的命名方式以電池容量進行標稱，以65AH為例，常用的名稱為GZDW-65AH。在現代社會中，變電站直流系統作為常規交流供電系統的補充，且廣泛應用于通信部門、計算機房、醫院、礦井、賓館、高層建筑等，作為可靠的應急電源，直流系統的用途十分廣泛。

近年來，歐洲發達國家提出了“碳排放”的概念。盡管其本質是“醉翁之意不在酒”，更多的是希望遏制中國的發展，但我國政府本著為全人類負責的態度，正在積極探索清潔能源大規模應用的可行性。其中，太陽能是一種可再生清潔能源，若能充分利用國內某些區域充盈的光照條件，再結合風力、水力以及核能發電，未必不能全面取代傳統的火力發電。而將太陽能光伏發電技術應用于變電站直流系統時，需結合二者的特性，同時保證安全性和發電效率。

2.光伏太陽能系統在變電站直流系統的應用

2.1變電站光伏直流系統的工作原理簡析

構成變電站光伏直流系統的核心設備及重要元器件為光伏組件陣列（即太陽能電池板，用于吸收太陽能并利用光伏半導體材料的光生伏打效應，完成將太陽能轉化為直流電能的作業）、光伏控制器（用于太陽能發電系統中，控制多路太陽能電池方陣，對蓄電池進行充電，并對蓄電池向太陽能逆變器負載供電的過程進行自動控制）、繼電器（電路出現故障時，根據自動控制預先設置好的控制程序，對局部故障電路或設備進行切斷，避免故障波及范圍進一步擴大）、交流電源輸入、充電機、降壓模塊、蓄電池組、控母電源等。此外，還包含旁路開關、防反充二極管、充電開關等。

具體而言：第一，光伏組件陣列與光伏控制器直接相連;第二，在光伏控制器以下，分設兩條線路（相互之間是并聯關系）：①直接與變電站直流系統的蓄電池組相連，光伏控制器與蓄電池組之間設置充電開關;②與繼電器相連。第三，繼電器與交流電源輸入模塊、充電機之間串聯。第四，充電機之下連接降壓模塊（蓄電池組同樣與該模塊相連）。第五，降壓模塊另一端分設兩個控母電源。

按照上述設置，變電站光伏直流系統的運行原理為：若太陽能電池組件輸出電壓尚處于直流系統電壓要求范圍內時，充電機輸入端自帶的交流接觸器會在光伏控制器的作用下，處于斷開狀態。此時，變電站直流系統的電能來源由光伏電源直接負責;若太陽能電池組的輸出電壓明顯偏離直流系統對電壓的常規需求時，光伏控制器的輸出狀態的即刻中斷，并會控制充電機輸入端的交流接觸器進入閉合狀態。此時，變電站直流系統的供電由充電機負責。總體而言，光伏控制器、充電機的切換、交替工作由自動控制系統監控運行。

2.2變電站光伏直流系統工作原理的實現方式

2.2.1核心組件——光伏控制器的設計與研發

根據上文所述的變電站光伏直流系統工作原理可知，除了必不可少的太陽能光伏組件陣列之外，光伏控制器是核心設備。該設備的運行原理為：采用高速中央處理器以及精度極高的A/D模數轉換器，對系統中主要設備的運行參數、運行狀態進行監控，既能夠實時采集光伏系統當前的工況，又能夠立刻獲得PV站的工作信息，進而詳細積累PV站的歷史數據，最終目的在于，為不斷提高PV系統設計的合理性提供依據。不僅如此，光伏控制器還應具備串行通信功能，用于數據的實時傳輸，并對多個光伏系統子站進行集中管理及遠距離控制。光伏控制器的構成并不復雜，一般由單片機電路、開關電源電路、液晶驅動顯示電路、時鐘電路、重點開關電路、鍵盤結構驅動電路等組成。其中，單片機自帶I/O口（兼容性較高），與其他功能組件、電路相連后即可實現數據信息傳遞。而A/D轉換輸入口能夠實現對蓄電池、光伏電路的采樣測量。總體而言，光伏控制器的實質是基于單片機設計而成的小型控制單元，整體負責對變電站光伏直流系統運行工況的監督、控制。

2.2.2光伏回路與充電機回路之間的切換

上文提到，在變電站光伏直流系統中同時設有兩類回路，分別對應不同的情況，目的在于：無論發生何種情況，變電站光伏直流系統的供電均不會受到影響。比如某變電站光伏直流系統內，蓄電池組的額定電壓為200V，預設的充電機關斷電壓為210V，充電機啟動電壓為195V（注：上述數據均為了更加清晰地說明而隨意設置，并不具備實際應用價值）。系統運行期間，光伏控制器通過對各設備回傳的參數進行分析后發現，蓄電池組端的電壓已經達到或超過210V，則其內的備用電源控制點會迅速“動作”——向繼電器發送一個“關斷”的信號（命令）。繼電器收到之后會迅速“跳閘”，造成的結果是，控制充電器輸入端的交流接觸器會進入斷開狀態，而充電機在缺少電能支撐的狀態下，會迅速關機。而在此時，系統會自動切換成由光伏回路向直流系統供電。而若控制器檢測到蓄電池組端的電壓達到或低于195V時，說明蓄電池內的剩余電量不足，故需使充電機開機，由其負責為直流系統供電。

2.2.3蓄電池充電控制的設計方案

針對變電站光伏直流系統蓄電池進行控制設計時，常規采用6路設計模式，即3條正常運轉，另外3條處于備用狀態，且還可以用于系統擴容。仍然借用上文列舉的數據進行說明。其中，蓄電池第1路的過充電壓必須超過光伏控制器檢測最高臨界值，即必須超過210V，可設置為220V，第2路、第三路的過充電壓則應低于檢測臨界值，但不能低于蓄電池檢測最低臨界值，即應控制在200V以下、195V以上，且第2路應略高于第三路，可分別設置為198V和196V。如此一來，當蓄電池組電壓低于196V時，3條線路同時充電，若處于196～198V之間時，則第3路停止充電，第1、第2兩條路充電;若電壓超過198V但低于220V，則第2條線路停止充電，只剩余第1條線路充電。此種蓄電池充電方法被稱為“階梯式逐級限流充電法”，合理性十足。

結語：綜合而言，光伏太陽能發電技術擁有廣泛的應用前景，應用于變電站直流系統時，需要結合光伏太陽能發電模式的特性，并重點針對光伏控制器、充電機切換、蓄電池充電模式等進行良好設計，可保證系統穩定運行。

參考文獻：

[1]吳沖紅.論變電站直流系統運行維護核心探尋[J].城鎮建設，2021（1）：321. DOI：10.12254/j.issn.2096-6539.2021.01.260.

[2]劉方明.變電站直流系統接地故障分析及處理措施[J].科學咨詢，2021（29）：101.