塔式太阳能热发电站中定日镜的电源方案研究

神华国华(北京)电力研究院有限公司 ■ 张立功

0 引言

塔式太阳能热发电是通过定日镜将吸收到的太阳光聚焦到接收塔顶部的吸热器上，吸热传热工质经过热交换产生蒸汽，驱动汽轮发电机的一种新型发电形式，主要是由定日镜镜场、吸热与储热传递系统及发电系统这3部分组成。其中，定日镜镜场由多台定日镜组成，定日镜是连续跟踪太阳，将反射光线聚焦到接收塔顶部吸热器的重要装置[1]，其主要由反射镜、镜面(水平、俯仰)调节机构、动力控制及通信系统等组成。单台(套)太阳能热发电机组需要上千台甚至上万台定日镜聚焦光线，为了尽量避免定日镜之间形成阴影和遮挡[2]，需经计算优化后对定日镜进行分散布置，因此，最终形成的定日镜镜场的占地面积较大，如图1所示。

图1 单台(套)太阳能热发电机组的塔式太阳能热发电站场景

定日镜的电源用于镜面调节、动力控制及通信，在常规设计上，该电源是由太阳能热发电机组中主厂房内的低压厂用变压器提供，电源经低压动力工作段母线、电力电缆、电源分配柜(箱)等逐级分配，如图2所示。

图2 常规设计方案的电源网络分配示意图

定日镜的布置需要大量电力电缆及电源分配柜(箱)等配电设备及部件，甚至需要配电室等。因此，每台定日镜的设计采用“光伏组件+蓄电池”的就地电源方案，可有效优化上述主厂房常规设计方案的电源网络配置。

1 “光伏组件+蓄电池”的就地电源方案的设计

1.1 就地电源方案的典型结构设计

就地电源方案是在每台定日镜上配置1个小型化电源模块，电源模块是运用光伏发电、蓄电池储能联合运行的供电特点，用于满足定日镜跟踪调节时的动力、检测控制及系统通信时的用电需求。电源模块主要是由光伏组件，蓄电池组，DC/DC单向、双向变换器，DC/AC单向逆变器，电源分配开关等配电部件及电气接线构成，如图3所示。

图3 定日镜电源模块的典型结构图

1.1.1 电源模块的安装设计

1)在就地电源方案的设计中，将光伏组件安装在定日镜镜面的边端，这样可使光伏组件与定日镜同步跟踪太阳，实现光伏组件最大程度地接收太阳直接辐射，提高光电转换效率。但应注意的是，光伏组件的安装位置不能影响定日镜的跟踪调节工作。

2)将蓄电池组、变换器、逆变器、电源分配开关等其他配电部件集成后，布置在定日镜的就地控制箱内即可。

1.1.2 光伏组件的设计

1)光伏组件是电源模块中的发电单元，其将光能转换成电能，供电给定日镜；同时其也是蓄电池的充电电源。在设计上，光伏组件设计为按升压方式供电，以确保有效满足负载的电压及不同类型部件的电压要求。

2)光伏组件应根据使用环境选择合适的类型，比如非晶硅光伏组件的峰值功率温度系数的绝对值较低，弱光性较好，所以特别适合气温较高、低辐照度概率较高的地区；晶体硅光伏组件适用于太阳能资源丰富、气温偏低的地区。光伏组件选型中应根据自身的维护条件，综合考虑清洗方式和阴影遮挡等影响因素。

3)光伏组件的功率Pm可按照负载功率Pr的情况进行选择，其公式为：

式中，70%为光伏组件的输出效率。

1.1.3 光伏组件出口端DC/DC单向变换器的设计

光伏组件出口端DC/DC单向变换器的作用，一方面是采集光伏组件的升压和电压参数，从而有效保证可满足本地负载的电压要求；另一方面是在光伏组件电压下降或不发电时，用于阻止蓄电池对光伏组件形成逆放电；此外其还负责采集、监测光伏组件的最大功率[3]。

1.1.4 蓄电池组的设计

1)蓄电池是电源模块中的储电(备用电源)单元。在日照条件下，蓄电池组是作为负载进行充电，储存电能；而在本地冲击负荷、缺乏日照及光伏电源断路等情况下，蓄电池组则由充电状态立即转为放电、供电状态。在设计上，蓄电池组设计为按升压方式供电，以优化母线电压制约下的串接成组数量，从而实现电源模块的小型化配置。

2)在本方案设计中，蓄电池宜选用锂离子蓄电池和铅酸(VRLA)蓄电池。对于低温运行环境下的蓄电池，应设计有效的热管理措施[4]，用于缓解蓄电池特有的低温降容影响。蓄电池容量C的选择可按照式(2)进行考量。

式中，Q为负载容量；d为连续阴雨天数；1.3为补偿系数；70%为蓄电池在低温环境下的充电效率。

负载容量Q可表示为：

式中，U为电源系统电压；h为用电负载的连续工作时间。

1.1.5 蓄电池出口端DC/DC双向变换器的设计

蓄电池出口端DC/DC双向变换器的作用，一方面是对蓄电池组的出口端升压，另一方面是采集、监测并控制蓄电池组的充放电参数，以便有效保证满足本地负载的电压要求[3]。

1.1.6 DC/AC单向逆变器的设计

当定日镜有交流负荷需求时，需配置DC/AC单向逆变器，用于将直流电转变为满足本地负荷电压要求的交流电[3]，并用于交流参数的采集和监测。

1.2 相邻几台电源模块并联组合供电设计

1.2.1 并联组合供电方案的提出背景

在《可再生能源发展“十二五”规划》中明确指出，要在青海、新疆、甘肃等太阳能资源丰富、具有荒漠化等闲置土地资源的地区有序推进太阳能热发电站的建设。上述区域都具有海拔较高、昼夜温差显著、冬季严寒且持续时间长等典型气候特点。表1为部分示范工程项目所在区域的海拔高度及典型气候特点。

表1 部分示范工程项目所在区域的海拔高度及典型气候特点

表1中列出的环境和气候因素会给户外运行的电气部件带来诸多影响，尤其是过低的运行温度，会对蓄电池的性能产生较大影响[5]。

1)以200 Ah的VRLA蓄电池为例。当内蒙古阿拉善地区的低气温为-10 ℃及极端最低气温为-28 ℃时，分别计算该蓄电池的实际可释放容量Ct，其公式为：

式中，Ce为环境温度为25 ℃时蓄电池的标称容量，Ah，此处取200；K为温度系数，此处取10 hr放电容量时的值，即K=0.006；t为实际环境温度，℃，分别取-10和-28。

将相关数据代入式(4)后可知，实际环境温度为-10 ℃时蓄电池的实际可释放容量为158 Ah，该值约为标称容量的79%；实际环境温度为-28℃时，蓄电池的实际可释放容量为136 Ah，该值约为标称容量的68%。

综上所述，当环境温度低于25 ℃ 时，VRLA蓄电池的实际可释放容量小于蓄电池的标称容量；且环境温度越低，蓄电池的实际可释放容量越小。

2)以65 Ah、3.4 V的锂离子蓄电池为例。图4为不同环境温度下65 Ah、3.4 V锂离子蓄电池的放电曲线[4]。其中，0.5C是指锂离子蓄电池的放电倍率为0.5，100%、63.1%、89.7%和99.1%为锂离子蓄电池的可释放容量占标称容量的比例。

图4 不同环境温度下65 Ah、3.4 V锂离子蓄电池的放电曲线

由图4可知，锂离子蓄电池的低温降容特性与VRLA蓄电池相似，其实际可释放容量随环境温度的降低而降低。

1.2.2 并联增容组合的供电方案设计

将相邻的2～3台定日镜的电源模块建立并联组合接线，形成互助供电模式，如图5所示，此模式可有效缓解上文提到的环境低温对蓄电池实际可释放容量的影响。

图5 多台定日镜的电源模块并联组合供电方案

采用上述并联组合供电方案的电源模块主要存在以下2种运行方式。

1)运行方式1：在正常运行中，并联组合供电方案中的各个电源模块独立运行(即互助联络开关断开)，当运行中任意一个电源模块的电源单元(光伏组件或蓄电池组)发生缺陷故障或受到低温降容影响时，手动合闸进行供电联络，建立互助供电模式。此种运行方式可在短时间内恢复定日镜的正常供电和运行。

2)运行方式2：在正常运行中，并联组合供电方案中的各个电源模块始终处于互联模式(即互助联络开关合闸)。该运行方式下，可使互助供电的电源模块构成蓄电池组并联增容组合，增大蓄电池组的容量，一方面可对环境温度引起的蓄电池降容影响起到互补的作用，满足单一电源模块的备用供电要求；另一方面通过对蓄电池容量的互补，可有效延长无光照条件下的蓄电池供电时间；同时，也可结合蓄电池的供电时长，进一步优化单体蓄电池的容量及初期投资成本。

当任意一个运行中的电源模块的电源单元(光伏组件或蓄电池组)发生故障后，断开故障电源单元的出口开关即可退出运行，进行故障维修，在此期间定日镜仍可保持正常电源和运行。

2 “光伏组件+蓄电池”就地电源方案的优势

2.1 配置方面的优势

在国内太阳能热发电技术发展中，北京首航艾启威节能技术股份有限公司、浙江中控太阳能技术有限公司、中国东方电气集团有限公司、上海电气电站集团等都具有代表性的公司的定日镜控制技术、镜面面积设计及机械调节技术(包括传动机构、动力电机选型)等各不相同，因此在太阳能热发电机组容量相同时，定日镜的镜面数量、电源功率、镜场面积及镜场供电容量等都各不相同。此外，由于定日镜镜场的排列、接收塔的高度及定日镜逐级供电分配等设计方案的不同，常规设计方案的供电配置中的电源分配数目、电源分配柜(箱)，以及相关的开关、降压、隔离、引接电缆等电气部件的配置数目、配置容量及费用成本等都存在差异。因此，对比中不做数据量分析。

与主厂房常规设计方案的电源网络配电方案的工程配置对比，“光伏组件+蓄电池”就地电源方案，得到了有效简化，主要体现在定日镜场的厂用电容量配置、配电设备的配置及镜场配电设施建筑物方面。

2.1.1 定日镜场的厂用电容量配置

在常规设计方案的电源网络配电方案中，需要同步进行定日镜场的厂用电负荷设计和计算，并结合可靠性要求设计由主厂房供电的电气接线方式和预留供电容量(包括低压厂用变压器、母线段、电源断路器等容量设计)。

而在“光伏组件+蓄电池”就地电源方案中，定日镜场不需要由主厂房提供厂用电电源及容量设计，因此明显简化了设计配置。

2.1.2 配电设备的配置

在常规设计方案的电源网络配电方案中，由主厂房逐级网络分配是首要原则，设备容量及配置数量需根据具体工程设计来确定。设备配置主要包括：1)主厂房低压工作段的电源开关间隔及断路器设备；2)必要的镜场交流不停电电源系统，即EPS设备；3)镜场电源分配柜(箱)；4)电力电缆及桥架沟道设备等；5)相关分路开关，以及必要的降压、隔离等电气部件。

在“光伏组件+蓄电池”就地电源方案中，仅需配置光伏组件与蓄电池组电源模块，而在光伏技术快速发展的今天，其所涉及的相关配件已是相对普及且成本不断降低。当进一步采用并联增容组合方案时，除会增加少量的电力电缆及桥架沟道设备外，上述常规设计方案的电源网络配电方案中的其余设备均不需要配置，因此仍是明显简化了设计配置。

2.1.3 镜场配电设施建筑物

在常规设计方案的电源网络配电方案中，部分用户在具体工程中会考虑所在地的环境影响及后续的设备维护，规划镜场配电室建房。而在“光伏组件+蓄电池”就地电源方案中，不需要规划镜场配电室建房。

2.2 用电率的降低

定日镜的“光伏组件+蓄电池”就地电源方案可有效降低塔式太阳能热发电的厂用电率。

在常规设计方案的厂用电方案中，由主厂房为定日镜镜场提供厂用电，电源来自于发电机端，涉及到机组发电成本，因此会被计入到该机组的综合厂用电统计。而“光伏组件+蓄电池”就地电源方案，不涉及机组发电成本，可不计入厂用电统计，因此其有效降低了塔式太阳热能发电的厂用电率。

2.3 降低运行维护工作量

定日镜的“光伏组件+蓄电池”就地电源方案可有效降低运行维护工作量。

在定日镜场常规设计方案的厂用电方案中，已经形成了庞大的电源网络，若其发生电源侧电气故障，会影响其所带下属负荷的正常运行，波及面较大，且短时间内无法消缺时将直接影响机组运行；分级供电网络发生故障时，故障点查找难度较大，必要时需要一一排查确认；电源网络中的电气接线接头较多，日常维护巡查及定期维护保养的工作量较大。

而“光伏组件+蓄电池”就地电源方案可有效降低运维工作量，主要体现在：1)该方案中涉及到的光伏组件、蓄电池及相关电源部件的技术在电力市场均已成熟，不存在新生技术，因此在合理选型的情况下不存在设备技术风险。2)目前在西北等边远无电地区建立的分布式光伏发电系统较多且运行多年，在高海拔、昼夜温差大、严寒等恶劣环境的适应性考验下，已不存在维护技术瓶颈，在采取有效防护和维护措施的情况下，可满足设备运行要求及运行寿命。3)“光伏组件+蓄电池”仅是小型化电源模块，其出现运行故障时，可通过定日镜的工作状态体现，方便了故障查找和处理。4)“光伏组件+蓄电池”就地电源方案简化了运行中的维护量，日常除针对性维护外，光伏组件的清洁维护与定日镜同步进行即可。5)由于避免了电力线缆的大量敷设应用，“光伏组件+蓄电池”就地电源方案能够有效规避遭受老鼠等啮齿动物啃咬电缆等故障风险的发生等。

3 结语

本文提出了一种在塔式太阳能热发电项目中，定日镜采用小型化“光伏组件+蓄电池”的就地电源模块方案，该方案的设计简单，无复杂的技术要求，且清洁环保。在单台电源模块应用中，选择蓄电池容量时需考虑连续阴雨天等特殊天气情况，按提高一级容量进行选择较为合理。在青海、新疆、甘肃、内蒙古等海拔较高、气候条件较恶劣的地区，将多台电源模块并联组合供电后容量补偿的优势非常明显。