光伏發(fā)電在變電站直流系統(tǒng)中的探討與應用

莊夢曉　莊宏偉　王化梅

【摘要】利用太陽能電池陣列將太陽能轉換成為直流電，再通過直流/交流光伏并網逆變器將太陽能發(fā)出的直流電逆變成50赫茲、220V/380V的交流電，光伏并網逆變器的輸出端通過配電柜與變電站內的站用變低壓端（220V/380V）并聯(lián)，將發(fā)出的電能通過變壓器送入電網，或經過直流配電箱和光伏充電控制器向蓄電池組充電，為直流負載供電。

經過研究建立變電站光伏直流系統(tǒng)，改變原有的直流充電機僅由電網供電的模式，兩種模式能夠自動切換，提高變電站自用電源的可靠性，實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能效益。

【關鍵詞】太陽能、光伏發(fā)電、直流系統(tǒng)、探討與應用

1 引言：

太陽能是資源最豐富的可再生能源，具有獨特的優(yōu)勢和巨大的開發(fā)利用潛力。

光伏發(fā)電系統(tǒng)通過太陽電池將來自太陽的能源轉換成電能，這些電能可以送入電網或儲存在蓄電池，從而為人類提供用之不竭的能源。

該系統(tǒng)為無人值班變電站和智能電網建設提供了有益的嘗試，拓展了光伏系統(tǒng)集成的應用領域，現(xiàn)階段設計建設的35kV及以上變電站均為無人值班智能變電站，根據(jù)國家電網公司“兩型一化”設計理念進行設計，均可研究嘗試采用變電站太陽能光伏直流系統(tǒng)。

2 太陽能光伏發(fā)電的節(jié)能環(huán)保意義：

國家電網公司是關系國家能源安全和國民經濟命脈的國有重要骨干企業(yè)，以建設和運營電網為核心業(yè)務，承擔著為經濟社會發(fā)展提供安全、經濟、清潔、可持續(xù)的電力供應的基本使命，經營區(qū)域覆蓋26個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市），覆蓋國土面積的88%。

太陽能光伏發(fā)電具有很好的環(huán)境效益，不會造成溫室氣體的排放。按照目前中國火電廠煤耗為350克標準煤/kWh計算，以山東地區(qū)常用的5kW光伏并網電站為例，年發(fā)電量約為5500kWh，每年可節(jié)省標準煤近2噸，二氧化碳年減排量約5噸，是真正無污染的高科技綠色能源，具有明顯的社會效益。

3 系統(tǒng)簡介：

系統(tǒng)采用光伏發(fā)電技術為變電站內直流系統(tǒng)蓄電池組引入了除電網以外的新的充電系統(tǒng)，能有效解決長期以來困擾電網的變電站失電后的直流系統(tǒng)充電問題，大幅提高了運行的穩(wěn)定性。 系統(tǒng)具有直流充電與并網發(fā)電兩種功能，在正常情況下以并網發(fā)電模式工作。系統(tǒng)并網所發(fā)電量直接供站內用電使用，可有效降低變電站用電損耗，增加了光伏直流系統(tǒng)利用率。 系統(tǒng)內置控制系統(tǒng)可實現(xiàn)“直流充電”與“并網發(fā)電”功能的自動切換，減少人力配置，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易操作性，便于在無人值守變電站內推廣使用。

建立變電站光伏直流系統(tǒng)，改變了變電站原有的直流充電機僅由電網供電的模式，使現(xiàn)有的變電站的供電可靠性和節(jié)能效益提高到一個前所未有的高度，真正地實現(xiàn)了變電站的供電可靠與節(jié)能，具體方式為：

（1）把光伏直流系統(tǒng)設計成一個獨立的直流發(fā)電裝置，以作為變電站直流系統(tǒng)的備用直流充電機，增加變電站直流系統(tǒng)的可靠性

（2）光伏直流系統(tǒng)具有并網發(fā)電功能，可降低變電站所用電損耗，增加了光伏直流系統(tǒng)利用率。

（3）實現(xiàn)變電站光伏直流系統(tǒng)中直流充電功能和并網發(fā)電功能的自動切換，實現(xiàn)光伏直流系統(tǒng)無人操作的功能，減少相應人力的配備。

本系統(tǒng)的目的是提供一種具有直流充電和并網發(fā)電功能的供電變電站太陽能光伏系統(tǒng)，系統(tǒng)正常時以并網方式運行，在變電站交流電失電時系統(tǒng)可作為直流充電機使用，實現(xiàn)直流充電與并網發(fā)電的整合，使直流發(fā)電與并網發(fā)電可自動切換，也可手動切換。

系統(tǒng)主要包括太陽電池陣列、直流配電箱、控制切換裝置、光伏并網逆變器、光伏充電控制器。

光伏并網逆變器：采用電流控制型PWM有源逆變技術和優(yōu)質環(huán)行變壓器，克服了晶閘管有源逆變的一切弊病，可靠性高，保護功能全。具有完善的保護功能：極性反接保護、短路保護、過熱保護、過載 保護、接地保護等 ；具有可靠地進行反孤島效應功能，確保在電網斷電時，立即與電網斷開，停止發(fā)電。

光伏充電控制器：是專門為光伏發(fā)電系統(tǒng)設計生產的，它控制太陽電池給蓄電池充電，同時控制器對蓄電池的過充、過放進行保護。

系統(tǒng)根據(jù)變電站直流系統(tǒng)中蓄電池的充電要求，兼顧并網逆變器工作條件，結合安裝地點的氣象信息，確定了光伏組件的具體配置為5kW。系統(tǒng)采用的是180W的單晶硅太陽電池組件，光伏系統(tǒng)方陣采用的是9串3并，共需組件27塊。在原有充電機的基礎上，太陽能光伏系統(tǒng)也能通過光伏控制器對站用直流母線充電，可以增強站用直流系統(tǒng)供電可靠性。

該系統(tǒng)在變電站原有直流系統(tǒng)基礎上，增加了太陽能電池組件和光伏控制器。在白天有光照的情況下由太陽能光伏系統(tǒng)產生電能向變電站內直流系統(tǒng)供電，經光伏控制器穩(wěn)壓輸出給直流母線充電并供給變電站直流負載。

當光照不足，太陽能電池組件輸出功率達不到負載要求時，直流母線將自動啟用蓄電池充電并啟動原有直流充電機進行充電。太陽能光伏系統(tǒng)和充電機交替工作并互為備用，提高了變電站直流系統(tǒng)的供電可性。

4 變電站光伏直流系統(tǒng)的特點：

在變電站原有直流系統(tǒng)的基礎上，增加了太陽能電池組件和光伏控制器，太陽能電池組件方陣在太陽光的照射下產生并輸出電能，經光伏控制器穩(wěn)壓后輸出至直流系統(tǒng)的合閘母線上。這樣，當太陽能電池組件輸出電壓在直流系統(tǒng)的要求范圍內時，由光伏系統(tǒng)給直流系統(tǒng)供電，此時充電機輸入端交流接觸器受光伏控制器控制而斷開。當太陽能電池組件輸出電壓不符合直流系統(tǒng)的要求范圍時，光伏控制器自動停止輸出且控制充電機輸入端交流接觸器吸合，此時由充電機給變電站直流系統(tǒng)供電。光伏控制器和充電機交替工作，互為備用，以提高變電站直流系統(tǒng)的供電可靠性。

變電站光伏直流系統(tǒng)為獨立的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，在白天有日照的情況下，由太陽能光伏系統(tǒng)產生的電能向變電站內的直流系統(tǒng)供電，同時再和變電站原有的交直流系統(tǒng)連接。通過光伏控制器來實現(xiàn)當光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量不足時，直流母線將自動啟用蓄電池充電并啟動原有直流充電機進行充電，增強直流系統(tǒng)供電的可靠性。

5 效益分析：

光伏發(fā)電是一種清潔的能源，既不消耗資源，同時又不釋放污染物、廢料，也不產生溫室氣體破壞大氣環(huán)境，也不會有廢渣的堆放、廢水排放等問題，有利于保護周圍環(huán)境，是一種綠色可再生能源。

變電站光伏直流系統(tǒng)系統(tǒng)的推廣應用，減少了變電站的站用電損耗，根據(jù)簡單測算，使用太陽能光伏系統(tǒng)后，類似國網典型設計的規(guī)模110kV變電站每年可節(jié)約電量約1200kWh。太陽能是綠色、環(huán)保無污染的清潔能源，面對傳統(tǒng)能源日益緊張的形勢和嚴重的污染，利用太陽能無疑是未來社會發(fā)展的必然趨勢。

系統(tǒng)將光伏發(fā)電技術與變電站內直流系統(tǒng)有機結合，采用光伏發(fā)電作為變電站直流系統(tǒng)蓄電池組充電浮充電裝置的備份，在遇到災難性事故之后可以為搶修和救援提供必要的電力供應。在緊急時刻所創(chuàng)造的經濟和社會價值難以估量。

參考文獻

[1]《新能源基本建設項目管理的暫行規(guī)定》 國家計委 計交能〔1997〕955號

[2]《太陽能光伏發(fā)電技術與應用》 人民郵電出版社 馮垛生 編著

[3]《地面用光伏（PV）發(fā)電系統(tǒng)概述和導則》GB/T18479-2001

作者簡介：莊夢曉，本科，助理工程師，電氣工程及其自動化，國網濱州供電公司濱城區(qū)供電公司，電力工程管理；

莊宏偉，本科，高級工程師，電力系統(tǒng)規(guī)劃設計，國網濱州供電公司，電力工程規(guī)劃設計；