在变电站直流系统的应用探究

金士杰 王臻

摘要：本文介绍了变电站直流系统的特性，分析了光伏太阳能应用于变电站直流系统的重要意义。在此基础上，本文对变电站光伏直流系统的工作原理进行了阐述，并围绕光伏控制器、光伏回路与充电机回路之间的切换、蓄电池的充电设计方案三个方面，对光伏太阳能在变电站直流系统中的具体应用进行了阐述，供参考。

关键词：光伏太阳能;变电站;直流系统

引言：光伏太阳能系统又称为“光生伏特”，是指利用光伏半导体材料的光生伏打效应，进而将太阳能转化为直流电能的发电系统，其核心组件为太阳能电池板[1]。随着“碳排放”逐渐成为热门词汇，在不久的将来，以风力发电、太阳能发电为代表的清洁能源发电形式将逐步取代火力发电，故探究光伏太阳能在变电站直流系统中的应用存在现时意义和长远意义，必须予以重视。

1.变电站直流系统的特性分析

直流系统是发电厂变电站整体运行系统中不可或缺的重要环节，实质是一种电源设备，主要为各类变电站和其他使用直流设备的用户，为给信号设备、保护、自动装置、事故照明、应急电源以及断路器的分闸、合闸操作提供直流电源[2]。直流系统不受发电厂发电机、厂用电、系统整体运行方式的影响，具有独立性，且能够在外部交流电因多种原因暂时中断的情况下，保证后备电源（一般为蓄电池）能够继续向直流设备提供电能。因此，直流屏自身的性能在很大程度上直接决定发电厂电力系统的电能供应是否具备可靠性和安全性。通常情况下，发电厂变电站直流系统的命名方式以电池容量进行标称，以65AH为例，常用的名称为GZDW-65AH。在现代社会中，变电站直流系统作为常规交流供电系统的补充，且广泛应用于通信部门、计算机房、医院、矿井、宾馆、高层建筑等，作为可靠的应急电源，直流系统的用途十分广泛。

近年来，欧洲发达国家提出了“碳排放”的概念。尽管其本质是“醉翁之意不在酒”，更多的是希望遏制中国的发展，但我国政府本着为全人类负责的态度，正在积极探索清洁能源大规模应用的可行性。其中，太阳能是一种可再生清洁能源，若能充分利用国内某些区域充盈的光照条件，再结合风力、水力以及核能发电，未必不能全面取代传统的火力发电。而将太阳能光伏发电技术应用于变电站直流系统时，需结合二者的特性，同时保证安全性和发电效率。

2.光伏太阳能系统在变电站直流系统的应用

2.1变电站光伏直流系统的工作原理简析

构成变电站光伏直流系统的核心设备及重要元器件为光伏组件阵列（即太阳能电池板，用于吸收太阳能并利用光伏半导体材料的光生伏打效应，完成将太阳能转化为直流电能的作业）、光伏控制器（用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵，对蓄电池进行充电，并对蓄电池向太阳能逆变器负载供电的过程进行自动控制）、继电器（电路出现故障时，根据自动控制预先设置好的控制程序，对局部故障电路或设备进行切断，避免故障波及范围进一步扩大）、交流电源输入、充电机、降压模块、蓄电池组、控母电源等。此外，还包含旁路开关、防反充二极管、充电开关等。

具体而言：第一，光伏组件阵列与光伏控制器直接相连;第二，在光伏控制器以下，分设两条线路（相互之间是并联关系）：①直接与变电站直流系统的蓄电池组相连，光伏控制器与蓄电池组之间设置充电开关;②与继电器相连。第三，继电器与交流电源输入模块、充电机之间串联。第四，充电机之下连接降压模块（蓄电池组同样与该模块相连）。第五，降压模块另一端分设两个控母电源。

按照上述设置，变电站光伏直流系统的运行原理为：若太阳能电池组件输出电压尚处于直流系统电压要求范围内时，充电机输入端自带的交流接触器会在光伏控制器的作用下，处于断开状态。此时，变电站直流系统的电能来源由光伏电源直接负责;若太阳能电池组的输出电压明显偏离直流系统对电压的常规需求时，光伏控制器的输出状态的即刻中断，并会控制充电机输入端的交流接触器进入闭合状态。此时，变电站直流系统的供电由充电机负责。总体而言，光伏控制器、充电机的切换、交替工作由自动控制系统监控运行。

2.2变电站光伏直流系统工作原理的实现方式

2.2.1核心组件——光伏控制器的设计与研发

根据上文所述的变电站光伏直流系统工作原理可知，除了必不可少的太阳能光伏组件阵列之外，光伏控制器是核心设备。该设备的运行原理为：采用高速中央处理器以及精度极高的A/D模数转换器，对系统中主要设备的运行参数、运行状态进行监控，既能够实时采集光伏系统当前的工况，又能够立刻获得PV站的工作信息，进而详细积累PV站的历史数据，最终目的在于，为不断提高PV系统设计的合理性提供依据。不仅如此，光伏控制器还应具备串行通信功能，用于数据的实时传输，并对多个光伏系统子站进行集中管理及远距离控制。光伏控制器的构成并不复杂，一般由单片机电路、開关电源电路、液晶驱动显示电路、时钟电路、重点开关电路、键盘结构驱动电路等组成。其中，单片机自带I/O口（兼容性较高），与其他功能组件、电路相连后即可实现数据信息传递。而A/D转换输入口能够实现对蓄电池、光伏电路的采样测量。总体而言，光伏控制器的实质是基于单片机设计而成的小型控制单元，整体负责对变电站光伏直流系统运行工况的监督、控制。

2.2.2光伏回路与充电机回路之间的切换

上文提到，在变电站光伏直流系统中同时设有两类回路，分别对应不同的情况，目的在于：无论发生何种情况，变电站光伏直流系统的供电均不会受到影响。比如某变电站光伏直流系统内，蓄电池组的额定电压为200V，预设的充电机关断电压为210V，充电机启动电压为195V（注：上述数据均为了更加清晰地说明而随意设置，并不具备实际应用价值）。系统运行期间，光伏控制器通过对各设备回传的参数进行分析后发现，蓄电池组端的电压已经达到或超过210V，则其内的备用电源控制点会迅速“动作”——向继电器发送一个“关断”的信号（命令）。继电器收到之后会迅速“跳闸”，造成的结果是，控制充电器输入端的交流接触器会进入断开状态，而充电机在缺少电能支撑的状态下，会迅速关机。而在此时，系统会自动切换成由光伏回路向直流系统供电。而若控制器检测到蓄电池组端的电压达到或低于195V时，说明蓄电池内的剩余电量不足，故需使充电机开机，由其负责为直流系统供电。

2.2.3蓄电池充电控制的设计方案

针对变电站光伏直流系统蓄电池进行控制设计时，常规采用6路设计模式，即3条正常运转，另外3条处于备用状态，且还可以用于系统扩容。仍然借用上文列举的数据进行说明。其中，蓄电池第1路的过充电压必须超过光伏控制器检测最高临界值，即必须超过210V，可设置为220V，第2路、第三路的过充电压则应低于检测临界值，但不能低于蓄电池检测最低临界值，即应控制在200V以下、195V以上，且第2路应略高于第三路，可分别设置为198V和196V。如此一来，当蓄电池组电压低于196V时，3条线路同时充电，若处于196～198V之间时，则第3路停止充电，第1、第2两条路充电;若电压超过198V但低于220V，则第2条线路停止充电，只剩余第1条线路充电。此种蓄电池充电方法被称为“阶梯式逐级限流充电法”，合理性十足。

结语：综合而言，光伏太阳能发电技术拥有广泛的应用前景，应用于变电站直流系统时，需要结合光伏太阳能发电模式的特性，并重点针对光伏控制器、充电机切换、蓄电池充电模式等进行良好设计，可保证系统稳定运行。

参考文献：

[1]吴冲红.论变电站直流系统运行维护核心探寻[J].城镇建设，2021（1）：321. DOI：10.12254/j.issn.2096-6539.2021.01.260.

[2]刘方明.变电站直流系统接地故障分析及处理措施[J].科学咨询，2021（29）：101.