帶有光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能環(huán)網(wǎng)柜的設(shè)計(jì)和應(yīng)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(yùn)行的一種終端供電設(shè)備，其運(yùn)行的穩(wěn)定性、連續(xù)性對電力行業(yè)的發(fā)展起到促進(jìn)作用，為電網(wǎng)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定運(yùn)行奠定基出。然而在實(shí)際運(yùn)行中，智能環(huán)網(wǎng)柜由于存在設(shè)計(jì)缺陷，設(shè)備斷電后會(huì)對電網(wǎng)系統(tǒng)的整體運(yùn)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(shè)計(jì)方案應(yīng)運(yùn)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(shù)實(shí)施背景

照射時(shí)長約40 min的太陽能便足以供全人類消費(fèi)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(diǎn)，被譽(yù)為理想能源，目前被應(yīng)用于我國各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。

環(huán)網(wǎng)柜是電力系統(tǒng)工作運(yùn)行的重要組成部分，根據(jù)使用方式可分為戶內(nèi)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(zhuǎn)換成低壓電，以供給環(huán)網(wǎng)柜低壓部分的負(fù)載使用。以往的環(huán)網(wǎng)柜都只通過PT柜為低壓部分的負(fù)載供電，導(dǎo)致在實(shí)際使用中PT柜一旦被損壞，低壓部分的負(fù)載就無法正常使用，這為環(huán)網(wǎng)柜的實(shí)際使用帶來了極大不便。同時(shí)，如果環(huán)網(wǎng)柜通過外部電源供電，則會(huì)極大地增加電網(wǎng)系統(tǒng)的壓力，無法達(dá)到環(huán)保節(jié)能的目的。文章對該問題進(jìn)行研究，并提出相關(guān)設(shè)計(jì)課題。

2 智能環(huán)網(wǎng)柜的應(yīng)用意義

環(huán)網(wǎng)柜是高壓開關(guān)設(shè)備裝在鋼板金屬柜體內(nèi)或做成拼裝間隔式環(huán)網(wǎng)供電單元的電氣設(shè)備，其核心部分采用負(fù)荷開關(guān)和熔斷器，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價(jià)格低，可提高供電性能及供電安全等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛用于我國的10 kV電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中，如用于城市的小區(qū)住宅、大型公共建筑、工廠的建設(shè)中[2]。傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜是不具備智能化和自動(dòng)化技術(shù)、不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的環(huán)網(wǎng)柜。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)用電需求量日益提升，使電力系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷不斷增加，傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜出現(xiàn)運(yùn)行故障的概率增加，無法滿足當(dāng)前我國10 kV電網(wǎng)建設(shè)中對于環(huán)網(wǎng)柜靈活性及安全性的要求，對后期的維護(hù)、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(yùn)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(wù)[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(diǎn)

太陽能光伏系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有以下特點(diǎn)：沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不會(huì)產(chǎn)生噪聲；不會(huì)造成空氣污染，不需要排放廢水；在應(yīng)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(hù)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(jì)算機(jī)監(jiān)控等電力電子設(shè)備和蓄電池等蓄能和輔助發(fā)電設(shè)備構(gòu)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(zhuǎn)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(chǔ)存太陽電池組件產(chǎn)生的電能，在夜晚或者光照不足及負(fù)載需求大于太陽電池組件發(fā)電量時(shí)，可以釋放儲(chǔ)存的電能，以滿足線路對負(fù)載的需求，是太陽能光伏系統(tǒng)的重要儲(chǔ)能部件[6]。

（3）放電控制器?？刂破髦饕刂菩铍姵氐某浞烹姉l件，并根據(jù)負(fù)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(gè)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(chǎn)生的電能通過控制器為蓄電池充電，或者在滿足負(fù)載需求的情況下，太陽電池組件可以給負(fù)載直接供電；當(dāng)日照不足或者在夜間時(shí)，由蓄電池在控制器的控制下給直流負(fù)載供電。光伏系統(tǒng)的應(yīng)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(fù)載，需要通過逆變器將太陽電池組件產(chǎn)生的直流電（或蓄電池釋放的直流電）轉(zhuǎn)化為負(fù)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(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)人員想要設(shè)計(jì)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(xiàng)設(shè)計(jì)解決現(xiàn)有的PT柜損壞導(dǎo)致低壓部分的負(fù)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(fù)載進(jìn)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(jié)構(gòu)

環(huán)網(wǎng)柜的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

4.2 環(huán)網(wǎng)柜的電路構(gòu)成

新型節(jié)能環(huán)保智能環(huán)網(wǎng)柜的組成結(jié)構(gòu)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(nèi)預(yù)留有獨(dú)立安裝柜，蓄電池組、充放電控制器、逆變器均固設(shè)于獨(dú)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(fù)載電連接；太陽能電池板組件固設(shè)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(shè)置柜門，且在柜門上設(shè)有滾動(dòng)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(fù)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(shí)，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(yīng)加固設(shè)置頂棚，頂棚的長度和寬度應(yīng)大于環(huán)網(wǎng)柜本體頂部的長度和寬度，并在頂棚的側(cè)壁設(shè)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(shè)置第一斜面和第二斜面，并從兩個(gè)斜面的中間沿著側(cè)端向下傾斜鋪設(shè)太陽能電池板，構(gòu)成太陽能電池板組件。

4.4 太陽能光伏系統(tǒng)的設(shè)置

太陽能光伏系統(tǒng)根據(jù)其應(yīng)用形式和應(yīng)用規(guī)模一般分為獨(dú)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(yīng)用形式、應(yīng)用規(guī)模及負(fù)載類型，文章設(shè)計(jì)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(fù)載且負(fù)載功率比較小，使用小型太陽能供電系統(tǒng)可以使整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(chǎn)品或者相關(guān)電氣設(shè)備提供負(fù)載，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5 帶有光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能環(huán)網(wǎng)柜的應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)換成電能存儲(chǔ)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(fù)載供電。當(dāng)PT柜損壞后，無法為低壓部分的交流負(fù)載供電時(shí)，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(zhuǎn)換后，提供給低壓部分的交流負(fù)載使用，保證低壓部分的交流負(fù)載能夠正常工作，并方便檢修人員對PT柜損進(jìn)行檢修。

充放電控制器還可以控制蓄電池組放電，為直流負(fù)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(fù)載，可以實(shí)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(shè)置了滾動(dòng)式LED顯示屏，可在滾動(dòng)式LED顯示屏上進(jìn)行廣告宣傳，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

（4）頂棚和斜面的作用。在頂棚的上端構(gòu)造第一斜面和第二斜面，可以保證雨水、樹葉等不會(huì)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(shè)備的維護(hù)。

6 結(jié)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(chǎn)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(shù)。

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(jì)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(jìn)作用。