光伏微網(wǎng)在變電站站用電系統(tǒng)中的應(yīng)用

張作鵬 顧 潔

（上海交通大學(xué)電力傳輸與功率交換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

0 引言

光伏發(fā)電技術(shù)的日益成熟及其成本的下降，使光伏微網(wǎng)系統(tǒng)得到推廣。目前市場(chǎng)上已有許多廠家可以提供成熟的光伏微網(wǎng)解決方案，光伏發(fā)電系統(tǒng)也已運(yùn)用于許多工程中，如上海世博主題館屋面的光伏發(fā)電系統(tǒng)［1］及大容量光伏發(fā)電并網(wǎng)項(xiàng)目［2］。上海目前的變電站多為獨(dú)立建筑的室內(nèi)變電站，變電站的屋面為平頂或坡頂。利用這些屋頂安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，將光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能接入變電站的站用電系統(tǒng)，能滿足變電站的部分負(fù)荷需求，同時(shí)提高站用電系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于供電公司來(lái)說(shuō)，這樣既能節(jié)省一定的變電站自身能耗，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看具有良好的經(jīng)濟(jì)效益；又能做到綠色環(huán)保，符合目前的發(fā)展趨勢(shì)，創(chuàng)造良好的社會(huì)效益。這一設(shè)想已經(jīng)將110 k V迪斯尼變電站作為試點(diǎn)在浦東供電公司投入使用。本文將介紹變電站光伏系統(tǒng)的組成及控制策略，估算其發(fā)電量及節(jié)能減排的效果，希望對(duì)光伏微網(wǎng)系統(tǒng)在今后變電站新建及改造工程中的推廣使用起到一定的借鑒作用。

1 系統(tǒng)組成

下面將以上海地區(qū)典型的110 k V變電站為例，介紹如何利用變電站的屋面建設(shè)光伏系統(tǒng)供站內(nèi)負(fù)荷使用。主要包括光伏系統(tǒng)容量的確定、系統(tǒng)主接線及主要設(shè)備的安裝。

1.1 系統(tǒng)容量

以目前上海典型的110 k V變電站屋面為例，其平頂能夠安裝太陽(yáng)能電池板的面積約為500 m2。目前主流使用的太陽(yáng)能多晶硅電池板長(zhǎng)約1.65 m，寬1 m。去除所需的巡視維護(hù)通道，約可以安裝100塊電池板。每塊電池板的功率為245 Wp，系統(tǒng)的總功率為24.5 k Wp。逆變器的轉(zhuǎn)換效率約為90%，故光伏系統(tǒng)實(shí)際容量約為22 k Wp。光伏系統(tǒng)的發(fā)電高峰時(shí)間在10：00—15：00之間，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，此時(shí)的變電站正常負(fù)荷約在10～15 k W（夏季空調(diào)負(fù)荷不考慮），因此光伏發(fā)電系統(tǒng)略有盈余，可以配置儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存多余電量，在系統(tǒng)發(fā)電量不足時(shí)補(bǔ)充站用電負(fù)荷。由于光伏發(fā)電出力不穩(wěn)定，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量不宜過(guò)大，故選擇30 k W·h。

1.2 電氣主接線

目前新建設(shè)的變電站站用電系統(tǒng)均采用交直流一體化電源系統(tǒng)，多采用2臺(tái)站用變壓器進(jìn)線經(jīng)過(guò)ATS切換后接入站用電交流母線的單母線接線形式。加入微網(wǎng)后，如圖1接線，Ⅰ母為交直流一體化電源系統(tǒng)交流柜380 V母線，Ⅱ母為微網(wǎng)接入柜的380 V母線，2條母線間設(shè)置分段開(kāi)關(guān)。站內(nèi)照明動(dòng)力電源接入微網(wǎng)母線。站內(nèi)的重要負(fù)荷，比如直流系統(tǒng)和UPS從2條母線各引一路進(jìn)線，通過(guò)ATS切換后進(jìn)行供電，進(jìn)一步提高其供電可靠性。光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)按照最大功率跟蹤模式進(jìn)行工作，即當(dāng)光伏發(fā)電量小于負(fù)荷用電量時(shí)，與儲(chǔ)能系統(tǒng)和站用變一同給站內(nèi)負(fù)荷供電；當(dāng)光伏發(fā)電量大于用電負(fù)荷時(shí)，給儲(chǔ)能裝置充電。系統(tǒng)接線圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)接線圖

1.3 系統(tǒng)安裝

由于采用動(dòng)態(tài)跟蹤方式造價(jià)高昂，同時(shí)屋面也不能承載大型跟蹤系統(tǒng)，在工程實(shí)踐中普遍采用固定式支架安裝多晶硅太陽(yáng)能電池板。根據(jù)上海地區(qū)氣象條件進(jìn)行分析，光伏組件在上海地區(qū)的最佳安裝角度為26°，這個(gè)角度能夠最大限度地利用太陽(yáng)能。在屋面光伏整列布置時(shí)，需避開(kāi)屋面女兒墻的陰影區(qū)域，前后兩排的平均間距約為1.5 m，以保證全年9：00—15：00（真太陽(yáng)時(shí)）時(shí)間段內(nèi)前后組件互不遮擋。光伏陣列中間區(qū)域間隔1 m，預(yù)留人員行走及電纜敷設(shè)通道。經(jīng)布置計(jì)算可以安裝100塊多晶硅電池板，組件每20塊為一串，共計(jì)5串串入一臺(tái)25 k W小型逆變器。

2 微網(wǎng)控制策略

正常情況下，1號(hào)站用變給交直流一體化電源系統(tǒng)交流380 VⅠ母供電，主要為站內(nèi)重要負(fù)荷；2號(hào)站用變給交流380 VⅡ母即微網(wǎng)接入柜供電，主要包括站內(nèi)照明動(dòng)力電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)等。

當(dāng)1號(hào)站用變失電、2號(hào)站用變正常時(shí)，運(yùn)行于Ⅰ母上的重要負(fù)荷靠ATS開(kāi)關(guān)切換到Ⅱ母，掛在Ⅱ母的逆變器和儲(chǔ)能裝置工作模式?jīng)]有變化，光伏逆變器和儲(chǔ)能變流器繼續(xù)工作在有功—無(wú)功（PQ）模式。如1號(hào)站用變失電是由其10 k V側(cè)母線失電引起，10 k V自切動(dòng)作，則1號(hào)站用變10 k V側(cè)恢復(fù)供電，所有原Ⅰ母所帶負(fù)荷由Ⅱ母經(jīng)ATS切換回Ⅰ母，恢復(fù)正常供電。

當(dāng)2號(hào)站用變失電時(shí)，接于Ⅱ母的一些非重要負(fù)荷、光伏逆變器和儲(chǔ)能裝置因?yàn)槟妇€失電而暫時(shí)退出。此時(shí)，如果2號(hào)站用變10 k V側(cè)通過(guò)自切切換到1號(hào)站用變所在的10 k V母線，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)站用變側(cè)“有壓和開(kāi)關(guān)位置”聯(lián)合條件，判斷出有電，儲(chǔ)能裝置和光伏逆變器投入運(yùn)行，都工作在PQ模式，恢復(fù)正常供電。若監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)站用變側(cè)“有壓和開(kāi)關(guān)位置”聯(lián)合條件，判斷出無(wú)電，微網(wǎng)進(jìn)入孤島模式，工作模式由PQ切換為電壓—頻率（V／f）模式，切換完成后主電源建立，負(fù)荷陸續(xù)投入運(yùn)行；當(dāng)2號(hào)站用變恢復(fù)供電時(shí)，通過(guò)檢測(cè)聯(lián)合條件，判斷出有電，此時(shí)將Ⅱ母上的儲(chǔ)能變流器和光伏逆變器退出，切換回PQ模式，再將儲(chǔ)能變流器和光伏逆變器重新投入，恢復(fù)正常供電。

1號(hào)和2號(hào)站用變都失電，掛在2段母線的負(fù)荷短暫失電，微網(wǎng)進(jìn)入孤島模式，切換為V／f工作模式，主電源建立。Ⅰ母負(fù)荷通過(guò)ATS自動(dòng)切換至Ⅱ母供電。當(dāng)上級(jí)電源恢復(fù)供電，站用變充電完畢后，先投入1號(hào)站用電進(jìn)線開(kāi)關(guān)，站用電Ⅰ母帶電，重要負(fù)荷經(jīng)ATS開(kāi)關(guān)切回Ⅰ母。微網(wǎng)由V／f模式轉(zhuǎn)回PQ模式，供電恢復(fù)正常。

當(dāng)微網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式時(shí)，要切掉不重要的負(fù)荷，包括檢修電源、插座電源、空調(diào)電源等，優(yōu)先保證直流系統(tǒng)和UPS電源。當(dāng)1號(hào)或2號(hào)站用變檢修時(shí)，可以手動(dòng)合上380 V母線的分段開(kāi)關(guān)，由一臺(tái)站用變和微網(wǎng)共同維持供電。

3 效益分析

本系統(tǒng)的光伏組件發(fā)電容量在22 k Wp，考慮光照強(qiáng)度、安裝方位角、線路損失等因素，系統(tǒng)的平均輸出功率在20 k Wp左右。根據(jù)氣象資料，上海地區(qū)的年平均日照時(shí)間在1 900 h左右。故系統(tǒng)的年發(fā)電量為20 k Wp×1 900 h＝3.8萬(wàn)k W·h。以1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤可以生產(chǎn)3 k W·h電能計(jì)算，系統(tǒng)每年可以節(jié)約燃煤約12.7 t。每噸標(biāo)準(zhǔn)煤約排放2.6 t二氧化碳，則全年可以減排二氧化碳約33 t。隨著光伏系統(tǒng)的造價(jià)越來(lái)越低，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將日益顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

在能源日益緊張的當(dāng)今社會(huì)，發(fā)展綠色能源已經(jīng)得到全社會(huì)的廣泛認(rèn)同，光伏這一最適合城市使用的綠色能源應(yīng)當(dāng)?shù)玫酵茝V。前面分析一座110 k V變電站的微網(wǎng)系統(tǒng)每年就可以減排二氧化碳33 t，如果全上海的變電站均配備光伏微網(wǎng)系統(tǒng)，全年可以節(jié)約的燃煤和減排的二氧化碳數(shù)量是相當(dāng)可觀的。目前使用光伏發(fā)電的變電站很少，在今后的變電站建設(shè)和改造過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)大力推廣光伏微網(wǎng)系統(tǒng)。

［1］包順強(qiáng)，陳水順，武攀，等.上海世博會(huì)主題館光伏發(fā)電系統(tǒng)［J］.建筑電氣，2010（6）：29～33

［2］陳林璞，萬(wàn)志剛，曹二營(yíng).安陽(yáng)市1 MW太陽(yáng)能并網(wǎng)光伏電站示范項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)［J］.陽(yáng)光能源，2009（5）：66～68