帶有光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能環(huán)網(wǎng)柜的設計和應用

鄭國興

七星電氣股份有限公司，福建 泉州 362000

0 引言

智能環(huán)網(wǎng)柜作為保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的一種終端供電設備，其運行的穩(wěn)定性、連續(xù)性對電力行業(yè)的發(fā)展起到促進作用，為電網(wǎng)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定運行奠定基出。然而在實際運行中，智能環(huán)網(wǎng)柜由于存在設計缺陷，設備斷電后會對電網(wǎng)系統(tǒng)的整體運行帶來不利影響。在此背景下，帶有太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保智能環(huán)網(wǎng)柜的設計方案應運而生，主要用于保障供電和電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 技術實施背景

照射時長約40 min的太陽能便足以供全人類消費一年，可以說，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。太陽能發(fā)電具有污染小、無公害的優(yōu)點，被譽為理想能源，目前被應用于我國各個技術領域。

環(huán)網(wǎng)柜是電力系統(tǒng)工作運行的重要組成部分，根據(jù)使用方式可分為戶內型和戶外型，其中，戶外型的環(huán)網(wǎng)柜需長期置于戶外工作[1]。PT柜（電壓互感器柜）是環(huán)網(wǎng)柜中必須配置的柜子，其主要用途是將高壓電轉換成低壓電，以供給環(huán)網(wǎng)柜低壓部分的負載使用。以往的環(huán)網(wǎng)柜都只通過PT柜為低壓部分的負載供電，導致在實際使用中PT柜一旦被損壞，低壓部分的負載就無法正常使用，這為環(huán)網(wǎng)柜的實際使用帶來了極大不便。同時，如果環(huán)網(wǎng)柜通過外部電源供電，則會極大地增加電網(wǎng)系統(tǒng)的壓力，無法達到環(huán)保節(jié)能的目的。文章對該問題進行研究，并提出相關設計課題。

2 智能環(huán)網(wǎng)柜的應用意義

環(huán)網(wǎng)柜是高壓開關設備裝在鋼板金屬柜體內或做成拼裝間隔式環(huán)網(wǎng)供電單元的電氣設備，其核心部分采用負荷開關和熔斷器，具有結構簡單、體積小、價格低，可提高供電性能及供電安全等優(yōu)點，目前被廣泛用于我國的10 kV電網(wǎng)系統(tǒng)建設中，如用于城市的小區(qū)住宅、大型公共建筑、工廠的建設中[2]。傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜是不具備智能化和自動化技術、不能實現(xiàn)遠程操作的環(huán)網(wǎng)柜。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，社會用電需求量日益提升，使電力系統(tǒng)的運行負荷不斷增加，傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜出現(xiàn)運行故障的概率增加，無法滿足當前我國10 kV電網(wǎng)建設中對于環(huán)網(wǎng)柜靈活性及安全性的要求，對后期的維護、管理及更換等工作也造成了很大的不便。智能環(huán)網(wǎng)柜的使用極大地提升了10 kV電網(wǎng)系統(tǒng)的運行效率，可以為用戶終端提供更加安全、可靠的電力能源輸送服務[3]。

3 太陽能光伏系統(tǒng)概述

3.1 太陽能光伏系統(tǒng)的特點

太陽能光伏系統(tǒng)在實際應用中具有以下特點：沒有轉動部件，不會產生噪聲；不會造成空氣污染，不需要排放廢水；在應用過程中沒有燃燒過程，不需要燃料；維修保養(yǎng)較簡單，維護成本低，且具有較好的可靠性和穩(wěn)定性[4]。

3.2 太陽能光伏系統(tǒng)的組成

太陽能光伏系統(tǒng)主要由光伏組件、放電控制器、逆變器、測試儀表、計算機監(jiān)控等電力電子設備和蓄電池等蓄能和輔助發(fā)電設備構成[5]。其中，重要部件的作用如下。

（1）光伏組件。光伏組件主要由太陽電池組件根據(jù)光伏系統(tǒng)的需求串并聯(lián)而成，其經(jīng)過太陽光的照射后，可以將太陽能轉換成電能輸出，是太陽能光伏系統(tǒng)的核心部件。

（2）蓄電池。蓄電池可以儲存太陽電池組件產生的電能，在夜晚或者光照不足及負載需求大于太陽電池組件發(fā)電量時，可以釋放儲存的電能，以滿足線路對負載的需求，是太陽能光伏系統(tǒng)的重要儲能部件[6]。

（3）放電控制器。控制器主要控制蓄電池的充放電條件，并根據(jù)負載的電源需求輸出太陽電池組件和蓄電池的電能，控制器是整個太陽能光伏系統(tǒng)的核心控制部分。太陽能光伏系統(tǒng)的基本工作原理是在太陽光的照射下，將太陽電池組件產生的電能通過控制器為蓄電池充電，或者在滿足負載需求的情況下，太陽電池組件可以給負載直接供電；當日照不足或者在夜間時，由蓄電池在控制器的控制下給直流負載供電。光伏系統(tǒng)的應用形式多樣，但基本原理大同小異。

（4）逆變器。太陽能光伏系統(tǒng)中如果含有交流負載，需要通過逆變器將太陽電池組件產生的直流電（或蓄電池釋放的直流電）轉化為負載需要的交流電，這是逆變器在太陽能光伏系統(tǒng)中起到的重要作用[7]。

4 設計方案

設計人員想要設計一種帶有太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保智能環(huán)網(wǎng)柜，通過此項設計解決現(xiàn)有的PT柜損壞導致低壓部分的負載無法正常使用的問題，確保在PT柜損壞后可以對低壓部分的負載進行正常供電，且具有良好的環(huán)保節(jié)能效果[8]。

4.1 環(huán)網(wǎng)柜的主要結構

環(huán)網(wǎng)柜的主要結構如圖1所示。

圖1 新型節(jié)能環(huán)保智能環(huán)網(wǎng)柜的結構示意圖

4.2 環(huán)網(wǎng)柜的電路構成

新型節(jié)能環(huán)保智能環(huán)網(wǎng)柜的組成結構主要包括環(huán)網(wǎng)柜本體、太陽能電池板組件、蓄電池組、充放電控制器、逆變器和第一繼電器。環(huán)網(wǎng)柜本體內預留有獨立安裝柜，蓄電池組、充放電控制器、逆變器均固設于獨立安裝柜上，蓄電池組和逆變器均與充放電控制器電連接，逆變器通過第一繼電器與交流負載電連接；太陽能電池板組件固設于環(huán)網(wǎng)柜本體的頂部，太陽能電池板組件與充放電控制器電連接。智能環(huán)網(wǎng)柜的電路原理如圖2所示。

圖2 新型節(jié)能環(huán)保智能環(huán)網(wǎng)柜的電路原理框圖

環(huán)網(wǎng)柜本體需設置柜門，且在柜門上設有滾動式LED顯示屏，并將顯示屏與充放電控制器電連接。電源通過第二繼電器與交流負載連接，而太陽能電池板的組件、蓄電池組、逆變器、顯示屏和視頻顯示裝置均通過接線箱與充放電控制器連接。在安裝線箱、逆變器、視頻顯示裝置、充放電控制器時，需遵從由下至上的順序依次固定安裝在支架上。

4.3 部件的安裝位置

各部件的安裝位置如圖3所示。

圖3 新型節(jié)能環(huán)保智能環(huán)網(wǎng)柜的部件安裝位置示意圖

環(huán)網(wǎng)柜本體的頂部應加固設置頂棚，頂棚的長度和寬度應大于環(huán)網(wǎng)柜本體頂部的長度和寬度，并在頂棚的側壁設置密閉式防水型線槽。太陽能電池板組件安裝于環(huán)網(wǎng)柜的頂棚，頂棚上端需設置第一斜面和第二斜面，并從兩個斜面的中間沿著側端向下傾斜鋪設太陽能電池板，構成太陽能電池板組件。

4.4 太陽能光伏系統(tǒng)的設置

太陽能光伏系統(tǒng)根據(jù)其應用形式和應用規(guī)模一般分為獨立系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)三種。綜合考慮光伏系統(tǒng)的應用形式、應用規(guī)模及負載類型，文章設計的智能環(huán)網(wǎng)柜采用小型太陽能供電系統(tǒng)（Small DC），考慮到系統(tǒng)中只有直流負載且負載功率比較小，使用小型太陽能供電系統(tǒng)可以使整個系統(tǒng)的結構簡單，便于操作，可用于一般的戶用系統(tǒng)，可以為各種民用的直流產品或者相關電氣設備提供負載，具有一定的經(jīng)濟價值。

5 帶有光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能環(huán)網(wǎng)柜的應用優(yōu)勢

（1）充放電控制器的作用。在環(huán)網(wǎng)柜本體的頂部設置太陽能電池板組件，并通過充放電控制器將太陽能電池板組件采集的太陽能轉換成電能存儲到蓄電池組中，再由充放電控制器控制蓄電池組，可以為智能環(huán)網(wǎng)柜的負載供電。當PT柜損壞后，無法為低壓部分的交流負載供電時，可以由充放電控制器控制蓄電池組放電，并經(jīng)由逆變器轉換后，提供給低壓部分的交流負載使用，保證低壓部分的交流負載能夠正常工作，并方便檢修人員對PT柜損進行檢修。

充放電控制器還可以控制蓄電池組放電，為直流負載直接供電。在節(jié)能環(huán)保智能環(huán)網(wǎng)柜上安裝直流負載，可以實現(xiàn)更多功能，使節(jié)能環(huán)保智能環(huán)網(wǎng)柜更加智能。

（2）太陽能發(fā)電的作用。由于太陽能是取之不盡、用之不竭的能源，利用太陽能發(fā)電來輔助供電，能夠起到節(jié)能、環(huán)保的作用。

（3）LED顯示屏的作用。在節(jié)能環(huán)保智能環(huán)網(wǎng)柜的柜門上設置了滾動式LED顯示屏，可在滾動式LED顯示屏上進行廣告宣傳，具有一定的經(jīng)濟價值。

（4）頂棚和斜面的作用。在頂棚的上端構造第一斜面和第二斜面，可以保證雨水、樹葉等不會滯留在頂棚上，防止影響太陽能電池板組件采集太陽能，不僅可以提高對太陽能的采集效果，且便于對設備的維護。

6 結束語

綜上所述，太陽能是目前分布較廣泛的可再生資源，隨著近年來我國對新能源的開發(fā)，新能源產業(yè)得到快速發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電是目前廣泛使用的一種新型發(fā)電技術。

在10 kV電網(wǎng)系統(tǒng)中使用帶有太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能環(huán)網(wǎng)柜，在安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟性方面都具有明顯優(yōu)勢，對電力企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展也起到了良好的促進作用。