变电站的光伏系统研究

The Research of Solar Sells in Substation DC System康晓月

中铁五院集团公司,北京 102600

变电站的光伏系统研究

The Research of Solar Sells in Substation DC System康晓月

中铁五院集团公司,北京 102600

本文将太阳能光伏发电应用在变电直流的系统中，所形成的系统是电力企业的节能环保的系统。本文介绍了变电站的光伏直流系统研究方法。其中，先介绍了我国太阳能光伏产业的发展现状。其次描述了该系统组成结构，以及这种系统的设计的方法，和系统设计方法的过程，以及这些组件的总功率计算方法;接下来分析了光伏控制器研究过程以及方法，和该系统的工作原理以及它的实现方法。最后介绍了组件总功率的计算方法，分析了光伏控制器的研究方法，系统工作原理，包括它的电源，系统的自动切换装置、蓄电池的充电控制方式和该系统的通信方式。发展的可再生能源已经成为了全球性的课题。

变电站;光伏;直流;系统;研究;应用;节能环保

Substation; DC photovoltaic system; studies; energy saving and environmental protection

1.概述

发展可再生能源已经成为了全球性的课题,可再生能源的种类很多,太阳能的利用前景是最好的,潜力是最大的[1]。但是太阳能光伏发电是这个世界上最为节约能源的、是绿色的电力系统主要的高新技术产业。发展光伏产业已经成为各国解决能源与经济发展、环境保护之间矛盾的最佳途径之一。我国的光伏的产业在国家大型的工程项目、和国际合作项目共同的推广计划下,正以前所未有的速度迅猛发展。随着光伏产业政策和节能减排政策的陆续出台以及实施。我国的光伏产业必将会得到广泛的推广。这个系统主要是由光伏控制器、伏阵列、蓄电池组以及高频开关充电装置(充电机)等共同组成。太阳能电池主要是利用“光生伏打”效应，是一种将光能转化成电能的新设备。

在光照条件下,能产生一定量的电流和电压。多块太阳能电池片组成了太阳能板,这种通过对多块太阳能板而串并联的方法,可以得出了符合负载要求的电流、电压，这就是所谓的光伏组件阵列[2]。

光伏控制器在这个系统中起控制核心的作用,光伏控制器是来控制太阳能板的负载管理和保护、蓄电池的充放电;此外,还具备了远传监控本地显示等功能。

蓄电池是整个系统储能的设备,它主要用来存储太阳能的组件产生多余的电量,并可以在太阳能的组件的发电量在无法满足负载需要的时候，可以为负载提供电量。

在变电站中原有的配置的蓄电池组合已经能够做到满足直流电系统的要求。因而，无需为系统再做重新配置。高频的开关充电装置即充电机,是变电站的直流系统的原有配置,可以通过控制它的交流输入端来控制交流电。接触器的闭合以及断开控制充电机这种功能从而实现开始和停止的功能。

2.系统的设计

要设计一个完整的变电站光伏直流电系统，要依据主要国家以及国际标准和地理、气象等相关数据作为参考,不仅需要充分了解直流负载的电压等级、功耗、工作时间,也需要一些变电站地址的相关气象数据[3]。例如：环境温度、湿度、日照强度、风速、台风、雷暴日、沙尘暴天数以及台风等情况。

根据系统所要求安全的级别,进行了多次设计,例如蓄电池容量设计、光伏组件容量设计、电气性能设计、防雷接地系统设计、电磁和静电屏蔽设计、系统安全性设计、机械结构设计等。

系统的设计的总原则是既要满足负载。以及用电的需求需长期，而安全的运行,必须考虑到它的经济性和安全性，可靠性。

2.1 对光伏组件的方阵发电量的影响主要因素有：光谱、日照强度、温度;

日照强度对光伏组件的方阵的影响最为主要和明显。这些因子是气象部门提供的。日照强度大多数是水平面上测到的数据,在多数情况下,太阳能板是必须在一定倾角放置的;所以,要将水平面上的数值换算成为倾斜面的日照强度[4]

2.2 光伏的组件方阵的倾角选择

决定最佳的倾角应通过分别计算光伏组件方阵在处于不同倾角的发电量，并对其进行了比较,使接收到的日照强度尽量的均匀,以适合系统长时间的运行需求。当今已有相对应软件可以对光伏组件方阵的最佳的倾角进行计算。一般来说,在我国境内的大部分地区倾角的理想值总要大于本地区的维度。

2.3 组件的总功率设置

该变电站直流系统设计的负荷为:蓄电池的浮充电量为0.7A(现场实际的浮充电压是2 4 6 V);

正常的直流负荷的电流是6A;事故的照明电流是4A。即设计的耗电功率是:

W=UI=246×0.7+220×（6+4）＝2370W

另外，功率是2KW电炉的负载。

负载的总功率是：W＝2.37+2＝4.37KW。

考虑系统的已经存在的线损以及设备的损耗等,该系统的总损耗量是10%,而设计系统的总功率是:

P＝4.37÷（1-10%）＝4.86KW

根据以上的公式的计算，光伏的组件的设计的总功率是：5KW。 但是组件分成了3个回路。每一个回路的峰值的功率是1.66k w,每一路的峰值的电压是307V,在峰值的电流强度是5.43A时，它的光伏数是按照直流电的系统的工作原理实施的。

3.系统的工作原理

这个系统是利用了太阳能电池的组件的方阵。并会将太阳能转换成了电能,再经光伏控制器的稳压输出，再接直流系统合母上。太阳能的电池组件的输出电压，在直流系统的电压的要求范围内,充电机的输入端的交流接触器。该接触器受光伏控制器的控制影响才断开,由光伏电源来给变电站的直流系统来供电;当太阳能的电池组件的输出电压，在不符合的直流系统的电压要求时,光伏控制器将会自动的停止输出。且控制它的充电机的输入端的交流接触器将闭合,但是此时的是由充电机来给变站的直流的系统来供电。充电机自动切换的装置。光伏控制器是用来交替的工作。

3.1 充电机回路光伏回路以及自动切换装置

变电站内的充电机输出电压将为蓄电池组提供224V的输出浮充电压,它是设置它的充电机关断电压为284V(这可根据实际情况修改此值),他的充电机启动电压为224V(可根据实际情况修改此值)。在光伏控制器检测蓄电池组时，端电压在高于428V时,在控制器的内部的备用电源来控制接点动作。一个关断信号将会输出，将这个关断信号会传给了中间继电器,此时中间继电器会在关断信号的作用下，进行动作,这时的中间继电器的闭合触点会被断开,这时达到了掌控充电机输入端，使交流接触器将会断开,这时的充电机能够失去电流，达到停止。这时的系统的切换是光伏回路，这时的充电机将会为系统提供直流电。在光伏控制器检测到的蓄电池组的端电压小于224V条件下,备用电压才会在控制器中被使用。电源的控制接点的动作,是在输出了闭合信之后，才会给中间继电器,再带动中间继电器动作,中间继电器常开触点闭合,从而控制充电机的输入端额交流接触器闭合,充电机在收到电流之后才能开机,达到为直流系统供电的作用;在整个的系统中，中间继电器起到了增加接点的容量度。

此外,这个光伏系统还具备了手动旁路等其它功能，在光伏控制器发生故障的时候,手动旁路将会被启动,此时达到使充电机运行的条件,使直流系统的供电达到高标准的可靠性能以及安全性能。

系统的设计的光伏输入的功能是满足6路输入的。来控制变电站的。目前在系统中使用的是3路光伏,剩余的3路是做备用的,为提供系统了扩容等相关的用途。第1路的光伏回路的过充电电压是:205V;

第2路光伏的回路过充电电压是:274V;而第3路的光伏回路过充电的电压是:424V。当蓄电池组的电压在低于424V时,第3路同时是投入充电的;但当蓄电池组的电压高于424V并且低于427V时,在此时第3路光伏会停止输出,而由第1、2路代替它为之充电;在蓄电池电压高于247V并且低于520V时,第2、3路电将停止输出，并且仅由第l路来充电;在蓄电池组电压高于205V时,光伏回路将会自动停止输出，对蓄电池组会进行相关的过充保护。

该系统采用了阶梯式的逐级限流的充电方法,根据蓄电池组端的电压变化的趋势将自动控制了多路的太阳能的电池方阵。依次接通或切离电池组端,达到实现对蓄电池组充电电流和对充电电压的来调节光伏回路接到了直流系统的合母上，在蓄电池充电的时候,同时通过降压硅链来稳压以达到了DC202V，当输出至直流系统的控母，给变电站的直流负荷来供电这是蓄电池组。

3. 2通信光伏的控制器配置

在通信光伏的控制器中配置RS485和RS232的接口，通过现场的通讯服务器的规约来转换连接,接入的变电站综合的自动化系统,是用的来实现遥信、遥测，遥信等远程的通讯功能,同时在变电站直流系统的运行情况，将实现远程的监视功能。

4.光伏控制器的探讨

在系统研制过程中,它的核心设备是光伏控制器;因此,光伏控制器的研究在整体的中存在着关键性的作用。

这种控制器是为了将太阳能电池组件方阵以及蓄电池组的控制中心相连接而产生的,对该系统的输入及输出功率的调节和控制,以来达到对光伏直流系统的各种功能采取相关的控制。光伏控制器的主要是由单片机的电路、实时的时钟电路、开关电源电路、系统的充电开关电路、键盘的接口驱动电路、液晶驱动显示电路、等部分组成的。

通过系统的运行过程，可以发现这个系统是一个综合的系统。在电力的应用过程中，我们可以发现这个系统的运行效率很高的。

该系统的单片机电路是通过它的A/D输出口来实现对,光伏电路采样的测量以及蓄电池采样的测量。液晶驱动显示电路是通过控制总线与数据总线单片机电路相连接(例如：液晶显示电路，它有着独立的控制器。它的工作电源是由电源的模块来提供的)开关电源是为单片机电路和其它电路一起供应电能;时钟电路是通过SCL（串行的数据总线）、单片机和SDA相互连接而实现的读写功能;充电开关电路 (采用场效应管)。它是一组单片机和控制线相连接,软件模拟波形的来输出充电控制信号;在键盘的接口驱动电路以及单片机的电路之间由两条I/O 接口线相连接。在光伏的控制器有保护电路和防雷、RS485通讯模块等。

在输入口上可以实现光伏电路采样测量，蓄电池以及开关电源电路。为其它电路和单片机电路提供电源;在液晶驱动显示电路中，半字节的数据总线连接了控制总线以及单片机电路。液晶显示电路的控制器有独立性,它的工作电源是由电源模块来提供的;

实时的时钟电路是通过串行数据总线SDA，SCL与单片机的连接来实现读写的功能;充电开关电路 主要是用场效应管。这是由一组控制线它与单片机来连接,最后通过软件来模拟波形，输出充电控制信号;键盘接口的驱动电路和单片机电路之间是通过两条I/O 接口线连接一起的。

光伏控制器还设计保护和防雷电路、RS485的通讯模块等等;光伏控制器的设计是为6路光伏输入来控制,它们分别对应着光伏组件的设计的每一路电。每一路都是由不同的过充电压来限制,并且每一路电过充限制的电压值之间是由一个级差组成。它是采用阶梯式逐级式的限流的充电方法,根据蓄电池组端的电压变化趋势用来自动控制的多路太阳能电池方阵。依次的接通和切离两种状态用来实现对蓄电池组的充电电流和充电的电压的调节,检测了蓄电池组的两端的电压,用来控制了每一组的太阳能的电池方阵。对蓄电池组充电，用于负载供电的控制。

这种控制的方法满足了蓄电池充电时对电压以及电流的变化规律的要求,并且满足了可靠性以及充电的规律对它的要求，并将其完美地结合在一起[5]。

5.系统的运行效果

在变电站的直流系统它是单母线的接线;原直流系统的配置是1套蓄电池和1套高频开关的电源(即充电机)共同组成的。

5.1 光伏阵列的安伏曲线

在运行过程中，抽取某一阵列而测得的IV曲线将导致充电机开机,此时由充电机的直接给直流系统来供电。在太阳光照下，逐渐增强的时候,光伏直流电压会上升;当光伏控制器的检测到的蓄电池组电压上升到了428V以上时,光伏控制器的自动控制充电机关机,此时是由光伏直流的电源为它的直流系统来提供电能的。光伏的控制器以及已经存在的充电机将进行切换，以及交替工作,向变电站的直流的系统供电。此时变电站直流系统的效率将会得到很大的提高。

光伏发电不损耗燃料、无噪声不会产生有害的物质，对环境也不会有任何的污染,是节能环保的“绿色发电”系统将很快投入运行以来,运行情况良好,运行安全是稳定的。

6.结 语

变电站的光伏直流的系统是利用新能源来发电,符合光伏产业政策以及国家相关的农业政策光伏产业政策,为了建设“资源节约型、环境友好型”电力系统提供了深远的意义。

系统的节能和环保，以及运行稳定的可靠性将会很快的提高。

[1]王常规,薛容强.新能源开发技术[M].北京:中国电力出版社,2005

[2]沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社,2005

[3]夏道止.电力系统分析(下)[M]

[4]丁书文,黄训诚,胡起宙.变电站综合自动化原理以及应用

[5]刘荣.自然能供电技术[M].北京:中国电力出版社,2002

Solar PV power applicate in substation DC system.The system is the energy saving and protect environmental system for power enterprises. This article describes the substation DC system of photovoltaic method.it describes the current status of solar photovoltaic industry development in China. Study on analysis of photovoltaic controllers.And the system worked principle.Include power supply. Automatic switching, and battery charging system and the method of controlling communication mode. The development of renewable energy becomes a global issue.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.13.007

作者介绍

康晓月（1985—）女，硕士，助理工程师，研究方向为：电力系统自动化。