光伏发电接入变电站站用电的设计方案研究与分析

云南民族大学 ■ 纪峰 何晋 梁志茂

宁波职业技术学院 ■ 梅晓妍

一 引言

光伏发电是利用太阳电池的光生伏打效应直接将太阳辐射能转化为电能。由于光伏发电系统无机械转动部件，具有易维护、无污染、无噪声、无需添加燃料等优点，因此其应用规模和范围正迅速扩大。

对于普通变电站而言，其自身的负荷为站用的动力、照明、直流等。站用负荷一般用电量小，但可靠性要求高。目前实际运行中变电站的站用电负荷基本都是由站用降压变单独提供。本文针对一座110kV变电站安装屋顶光伏系统展开研究，提出利用变电站建筑物屋顶装设太阳电池板，构建并网型光伏发电系统。此方案不仅可消耗可再生能源以降低站用电率，同时也有利于提高站用负荷的供电可靠性[1]。

二 光伏发电技术及其发展情况介绍

1 基本组成

光伏发电系统主要由太阳电池组、光伏系统控制器、蓄电池和逆变器等部分组成，其中的核心元件是太阳电池组和控制器。基本组成如图1所示。

2 分类

目前光伏发电系统按其结构可大致分为3类：并网型光伏发电系统、离网型光伏发电系统及混合型系统，见图2。

其中，离网型光伏发电系统拥有蓄电池，独立给负荷供电，不与电网并联。整套系统结构简单，但运行易受负荷变化的影响，且维护相对复杂。并网型光伏发电系统输出端供给负荷的同时并联电网运行。太阳能富余时向电网供电，短缺时向电网购电。由于不配备蓄电池，维护方便且造价相对较低[2]。混合型光伏发电系统介于前两者之间，兼具两者的优点，有较强的可调节性，可灵活根据峰谷电价安排发电策略，但造价相对较高。

3 两种并网方式

由于光伏发电与建筑物结合的方式不同，以及电池组件的规格和朝向不同等实际情况，大致可分为两种并网模式：

(1) 集中式并网：在电池阵列朝向与规格基本一致的情况下，采用单台逆变器实行集中并网发电。

(2) 分布式并网：在电池阵列朝向与规格不同的情况下，采用多台逆变器并联运行，实行分布式并网发电。

三 光伏发电接入变电站站用电系统的具体设计方案

1 初步设计思路

变电站站用电负荷一般由主变低压侧10kV母线通过10kV/380V变压器单独供电。由于站用电负荷要求具有较高的供电可靠性，所以本方案拟采用并网型光伏发电系统。当有太阳能时由光伏系统结合降压变同时供电，无太阳能时由降压变单独供电，即光伏发电系统定位为站用降压变的补充电源。

同时，由于安装太阳电池组件的变电站主控楼屋顶平坦规整，电池组件可同型号同朝向，所以拟采用集中式并网方式供电。

2 安装规模估计

安装规模主要由可利用建筑物面积和站用电负荷大小两部分决定。由于变电站内仅主控楼屋顶具有安装太阳电池组件的空间。变电站主控楼屋顶南北走向，实际面积为40m×9m=360m2，可利用面积为270m2，全部安装电池组件后其最大输出功率为34.65kW。本地区类似规模的110kV变电站站用电负荷约为60kW，当需要增加检修用电等额外负荷时，站用电总体负荷约达到100kW。因此光伏发电仅能定位为站用电系统的辅助电源，其安装规模由主控楼屋顶最大可利用面积决定。

3 经济性分析

系统按35kW容量估算，其直流、交流部分的效率均按90%计算，平均每天日照时间按3h峰值计算，系统的使用寿命按30a计算，得出系统理论上总发电量为：35×3×365×0.9×0.9×30=931298kWh。系统的建造成本按6万元/kW估计，则总成本为35×6=210万元。所以单位发电成本为：210万/931298kWh=2.25元/kWh。

根据财政部与住建部联合下发的文件：《关于组织实施太阳能光电建筑应用一体化示范的通知》，分别对光伏发电成本中的关键组件成本和工程安装成本两项进行补贴，即前者补贴50%，而后者补贴为6元/W。按总体补贴额为50%进行估算，则单位发电成本约为2.25/2=1.125元/kWh。由于光伏发电利用的是可再生、无污染的清洁能源，考虑环境效益与未来系统电价不可避免的上升趋势，在部分地方财政较宽裕的地区，其变电站站用电系统引入光伏发电是可行的。

4 组成方案分析

如图3所示，变电站有两台主变及两段10kV母线，每段母线配置一台站用变压器。因此，系统组成方案考虑以下两种：(1)方案一：将所有太阳电池阵列合并为一组，单独对一侧380V站用负荷供电；(2)方案二：将太阳电池阵列分为两组，分别对两侧的380V站用负荷供电。方案一结构简单，投资低，有光伏供电的单侧站用负荷可考虑多承担站用负荷。方案二由于是双套系统，所以可靠性高，单套光伏发电系统检修或故障时不影响整体运行，但投资较高。本次设计拟采用方案一。

5 主要设备选择及布置

光伏发电系统主要由电池阵列、逆变器、汇流箱、配电柜等几大部分组成。本文重点分析太阳电池阵列与逆变器两大核心器件。

(1) 太阳电池阵列的方案选择与参数分析

根据现场地理条件及电压电流等情况，电池阵列由多个单体电池组件按一定方式串并联组成。本方案拟采用SUNTECH公司的STP165S-24/AC电池组件，具体参数如表1所示。

表1 电池组件技术参数

变电站实际可利用屋顶建筑面积为360m2，考虑电池阵列间需预留相应的空隙，因此实际可安装电池阵列的面积为270m2，最大输出功率约为34.65kW。具体组合方式如表2所示。

表2 蓄电池组阵列形式

(2) 逆变器选择

目前光伏系统的逆变器主要有三种类型：工频变压器型、高频变压器型和无变压器型。其中工频变压器型防雷效果好，输出波形优良，但体积庞大且造价高；高频变压器型内部结构复杂，体积和重量相对较小；无变压器型造价低、体型小巧、结构简单、可靠性高，但输出电压值固定不可调节[3]。因本次设计站用负荷固定为380V，如图3所示，即光伏系统输出电压值固定，所以拟选定无变压器式逆变器，逆变器参数见表3。

表3 逆变器参数

(3) 保护与监控

安装数字化综合保护测控装置以实现对光伏发电系统的监控。装置可采集多路电压电流等模拟量以及开关量，用于实现测量和保护功能。装置能实现逆功率保护、过电流保护、过电压保护、低电压报警、装置异常报警等功能。同时该装置能利用气候信息，预测光照强度，并根据内部的数学模型计算功率出力，实现相应的控制。

(4) 太阳电池阵列的倾角及朝向

为了最大限度接收太阳光辐射，太阳电池板宜有一定的倾斜角度。假定面向正南方(即方位角=0¡)，倾斜角从0¡时刻(即水平方向)逐渐增大，日照强度也逐渐增强，当角度达到最佳倾斜角时，日照强度最强。此后，随着倾斜角的不断增加，日照强度逐渐降低。最佳倾斜角与当地的纬度有关，简单的估算方法为：最佳倾斜角=纬度+5¡。假定当地纬度为25¡，则太阳电池板按30¡倾斜角整定，方向正南。

(5) 防雷措施

把所有电池阵列的钢结构与建筑物的防雷网可靠连接，以达到防止直击雷的效果。在配电柜和汇流箱内安装避雷器件，以达到防止感应雷的效果。

四 结论

本文对110kV变电站开展光伏系统接入站用电的设计与研究，得出如下结论：

(1) 提出利用110kV变电站的屋顶装设光伏发电板，构建并网型光伏发电系统，并向站用电负荷供电的方案。该项目是结合变电站建设开发太阳能资源的一种有益尝试，打破传统变电站站用电由降压变单一供电的格局。

(2) 根据现场实际情况确定了总体设计方案，并分析计算出系统中各主要装置的参数和具体配置情况。

[1]Ken Zweibel, James Mason, Vasilis Fthenakis.A solar grand plan[J].US: Scientific American, 2007.

[2]吴海涛.光伏并网逆变器及其仿真研究[D].青岛: 青岛大学, 2007.

[3]赵春江, 刘永生, 杨金焕.3kW家用型太阳能光伏发电(PV)系统并网后的运行和监测[J]华东电力， 2009, 37(8): 1374－1377.