光伏发电在变电站直流系统中的探讨与应用

庄梦晓　庄宏伟　王化梅

【摘要】利用太阳能电池阵列将太阳能转换成为直流电，再通过直流/交流光伏并网逆变器将太阳能发出的直流电逆变成50赫兹、220V/380V的交流电，光伏并网逆变器的输出端通过配电柜与变电站内的站用变低压端（220V/380V）并联，将发出的电能通过变压器送入电网，或经过直流配电箱和光伏充电控制器向蓄电池组充电，为直流负载供电。

经过研究建立变电站光伏直流系统，改变原有的直流充电机仅由电网供电的模式，两种模式能够自动切换，提高变电站自用电源的可靠性，实现环保节能效益。

【关键词】太阳能、光伏发电、直流系统、探讨与应用

1 引言：

太阳能是资源最丰富的可再生能源，具有独特的优势和巨大的开发利用潜力。

光伏发电系统通过太阳电池将来自太阳的能源转换成电能，这些电能可以送入电网或储存在蓄电池，从而为人类提供用之不竭的能源。

该系统为无人值班变电站和智能电网建设提供了有益的尝试，拓展了光伏系统集成的应用领域，现阶段设计建设的35kV及以上变电站均为无人值班智能变电站，根据国家电网公司“两型一化”设计理念进行设计，均可研究尝试采用变电站太阳能光伏直流系统。

2 太阳能光伏发电的节能环保意义：

国家电网公司是关系国家能源安全和国民经济命脉的国有重要骨干企业，以建设和运营电网为核心业务，承担着为经济社会发展提供安全、经济、清洁、可持续的电力供应的基本使命，经营区域覆盖26个省（自治区、直辖市），覆盖国土面积的88%。

太阳能光伏发电具有很好的环境效益，不会造成温室气体的排放。按照目前中国火电厂煤耗为350克标准煤/kWh计算，以山东地区常用的5kW光伏并网电站为例，年发电量约为5500kWh，每年可节省标准煤近2吨，二氧化碳年减排量约5吨，是真正无污染的高科技绿色能源，具有明显的社会效益。

3 系统简介：

系统采用光伏发电技术为变电站内直流系统蓄电池组引入了除电网以外的新的充电系统，能有效解决长期以来困扰电网的变电站失电后的直流系统充电问题，大幅提高了运行的稳定性。 系统具有直流充電与并网发电两种功能，在正常情况下以并网发电模式工作。系统并网所发电量直接供站内用电使用，可有效降低变电站用电损耗，增加了光伏直流系统利用率。 系统内置控制系统可实现“直流充电”与“并网发电”功能的自动切换，减少人力配置，提高了系统的稳定性和易操作性，便于在无人值守变电站内推广使用。

建立变电站光伏直流系统，改变了变电站原有的直流充电机仅由电网供电的模式，使现有的变电站的供电可靠性和节能效益提高到一个前所未有的高度，真正地实现了变电站的供电可靠与节能，具体方式为：

（1）把光伏直流系统设计成一个独立的直流发电装置，以作为变电站直流系统的备用直流充电机，增加变电站直流系统的可靠性

（2）光伏直流系统具有并网发电功能，可降低变电站所用电损耗，增加了光伏直流系统利用率。

（3）实现变电站光伏直流系统中直流充电功能和并网发电功能的自动切换，实现光伏直流系统无人操作的功能，减少相应人力的配备。

本系统的目的是提供一种具有直流充电和并网发电功能的供电变电站太阳能光伏系统，系统正常时以并网方式运行，在变电站交流电失电时系统可作为直流充电机使用，实现直流充电与并网发电的整合，使直流发电与并网发电可自动切换，也可手动切换。

系统主要包括太阳电池阵列、直流配电箱、控制切换装置、光伏并网逆变器、光伏充电控制器。

光伏并网逆变器：采用电流控制型PWM有源逆变技术和优质环行变压器，克服了晶闸管有源逆变的一切弊病，可靠性高，保护功能全。具有完善的保护功能：极性反接保护、短路保护、过热保护、过载 保护、接地保护等 ；具有可靠地进行反孤岛效应功能，确保在电网断电时，立即与电网断开，停止发电。

光伏充电控制器：是专门为光伏发电系统设计生产的，它控制太阳电池给蓄电池充电，同时控制器对蓄电池的过充、过放进行保护。

系统根据变电站直流系统中蓄电池的充电要求，兼顾并网逆变器工作条件，结合安装地点的气象信息，确定了光伏组件的具体配置为5kW。系统采用的是180W的单晶硅太阳电池组件，光伏系统方阵采用的是9串3并，共需组件27块。在原有充电机的基础上，太阳能光伏系统也能通过光伏控制器对站用直流母线充电，可以增强站用直流系统供电可靠性。

该系统在变电站原有直流系统基础上，增加了太阳能电池组件和光伏控制器。在白天有光照的情况下由太阳能光伏系统产生电能向变电站内直流系统供电，经光伏控制器稳压输出给直流母线充电并供给变电站直流负载。

当光照不足，太阳能电池组件输出功率达不到负载要求时，直流母线将自动启用蓄电池充电并启动原有直流充电机进行充电。太阳能光伏系统和充电机交替工作并互为备用，提高了变电站直流系统的供电可性。

4 变电站光伏直流系统的特点：

在变电站原有直流系统的基础上，增加了太阳能电池组件和光伏控制器，太阳能电池组件方阵在太阳光的照射下产生并输出电能，经光伏控制器稳压后输出至直流系统的合闸母线上。这样，当太阳能电池组件输出电压在直流系统的要求范围内时，由光伏系统给直流系统供电，此时充电机输入端交流接触器受光伏控制器控制而断开。当太阳能电池组件输出电压不符合直流系统的要求范围时，光伏控制器自动停止输出且控制充电机输入端交流接触器吸合，此时由充电机给变电站直流系统供电。光伏控制器和充电机交替工作，互为备用，以提高变电站直流系统的供电可靠性。

变电站光伏直流系统为独立的太阳能发电系统，在白天有日照的情况下，由太阳能光伏系统产生的电能向变电站内的直流系统供电，同时再和变电站原有的交直流系统连接。通过光伏控制器来实现当光伏发电系统发电量不足时，直流母线将自动启用蓄电池充电并启动原有直流充电机进行充电，增强直流系统供电的可靠性。

5 效益分析：

光伏发电是一种清洁的能源，既不消耗资源，同时又不释放污染物、废料，也不产生温室气体破坏大气环境，也不会有废渣的堆放、废水排放等问题，有利于保护周围环境，是一种绿色可再生能源。

变电站光伏直流系统系统的推广应用，减少了变电站的站用电损耗，根据简单测算，使用太阳能光伏系统后，类似国网典型设计的规模110kV变电站每年可节约电量约1200kWh。太阳能是绿色、环保无污染的清洁能源，面对传统能源日益紧张的形势和严重的污染，利用太阳能无疑是未来社会发展的必然趋势。

系统将光伏发电技术与变电站内直流系统有机结合，采用光伏发电作为变电站直流系统蓄电池组充电浮充电装置的备份，在遇到灾难性事故之后可以为抢修和救援提供必要的电力供应。在紧急时刻所创造的经济和社会价值难以估量。

参考文献

[1]《新能源基本建设项目管理的暂行规定》 国家计委 计交能〔1997〕955号

[2]《太阳能光伏发电技术与应用》 人民邮电出版社 冯垛生 编著

[3]《地面用光伏（PV）发电系统概述和导则》GB/T18479-2001

作者简介：庄梦晓，本科，助理工程师，电气工程及其自动化，国网滨州供电公司滨城区供电公司，电力工程管理；

庄宏伟，本科，高级工程师，电力系统规划设计，国网滨州供电公司，电力工程规划设计；