光伏发电技术在变电站中的应用分析

国网孝感供电公司电力调度控制中心 黄剑君

光伏作为一种崭新的发电能源，在现代智能化变电站建设和应用中得到了广泛的应用，光伏发电技术的应用不仅能满足电量需求，同时也能保障我国电力企业获取社会和经济效益。本文以某110kV 变电站建设为例，对光伏发电技术在变电站中的应用进行分析。

1 光伏发电技术于我国变电站中应用现状分析

1.1 光伏发电技术在变电站中具体应用情况

光伏发电技术具有可靠性特征，各变电站会结合光伏发电系统的运作特点来采用光伏发电技术。因光伏发电系统组件在和建筑物结合上方式相对特殊，为推进光伏发电技术在变电站中的有效应用，要对光伏组件安装方式做出调整，需要注意相关技术应用的细节，比如在安装太阳能光伏发电板上要让其与地面保持一定夹角，相关人员要结合实际情况做出合理的测算，比如要计算地理纬度，得到明确的数值。也要合理布置光伏组件的位置。同时，变电站应用光伏发电技术，能降低用电量，响应国家节能降耗的号召[1]。

1.2 光伏发电技术实践效能研究

光伏发电技术具备一定的环保性和经济性，在变电站中应用光伏发电技术，能保障电力企业电网环境的运作安全，也能提高光伏发电系统的运作性能。在光伏发电技术实际应用中最主要的参考依据即科学化的数据支撑。基于实践角度来分析，在我国变电站系统运作期间，光伏发电技术可以发挥其作用，所以各部门应大力推广和实施此项技术，为我国电力产业的稳定发展奠定坚实的技术基础。

2 光伏发电技术于我国智能化绿色变电站中的应用

某110kV 变电站建设中引入并网光伏发电系统，采用多晶硅太阳能电池组件，将电池最大功率设置为280W，该系统共用36块型号组件，通过串联的形式形成一个支路，整个系统开路电压调整为44.8V。逆变器输出的交流电为380V 三相交流电，装机总功率为10kW，对应输入端接入一台STP10000TL 逆变器。光伏组件采用双轴跟踪方式，可以从方位角、倾角两个方向运动跟踪，与单轴追踪方式相比，发电量可以至少提高20%～25%。下面对其设计应用思路进行分析梳理。

2.1 A市太阳能资源分析

案例变电站位于A 市，该市常年气温保持在22.5℃，每年日照时数为2000～3200h，日辐射总量为3.71～4.35kWh/m2。结合表1，A 市作为日常时间较短的地区[2]。并且蕴含着丰富的太阳能资源，因此比较适合建设太阳能光伏电站。

表1 我国日照时间长短地区级别

2.2 太阳能光伏发电系统分析

在建设太阳能光伏发电系统上，要做好方位角和倾斜角的控制工作，通常情况下，通常太阳能电池组件吸收的太阳能量会受到电池阵列安装的影响，在太阳能光伏发电系统设置中，太阳电池方阵方位角一般设置方阵垂直面和正南方向的夹角，其目的是确保太阳电池能够提供最大的发电量，要将方阵朝向正南，在安装太阳能光伏发电板上要保持一定程度的倾斜角，以此更加合理地接收辐射光能。一般情况下，要分析各地的经纬度，如纬度较高时，倾斜角也要较大。经资料显示，A 市纬度为22°，所以倾斜角也要依据20°来安装。

光伏发电系统通过利用光电效应将太阳辐射转化为直流电能。系统的核心是光伏组件，由多个光伏电池片组成。当太阳光照射到光伏电池上时，光子与半导体中的原子相互作用，激发出电子和空穴。这些电子和空穴在半导体中形成电荷分离，从而产生电流。光伏电池片连接在一起形成光伏组件，并通过串联或并联的方式构建光伏阵列。光伏组件中的直流电流经过直流隔离器进入逆变器。逆变器将直流电转换为交流电，以适应供电网络的要求。然后，交流电被输送到电网中或供给给本地用电负荷。为了确保光伏发电系统的稳定性和安全性，系统通常还包括其他组件，例如电池储能系统、逆变器控制器、电网连接装置等。这些组件可以帮助调节能量的存储和分配，以满足电网需求或在断电情况下提供备用电源。

2.3 光伏发电应用思路分析

在变电站中应用光伏发电技术的思路如下所示：在建筑屋顶安装太阳能电池板，借助太阳能为变电站供电。在变电站供电上会借助由主变低压侧通过10（20）kV/380V 降压变供电[3]。为保障供电的安全与可靠，光伏发电系统在建设期间要采取并网运作的模式。具体包括两个供电来源，包括光伏发电系统以及10（20）kV/380V 降压变，当站用电负荷缺乏太阳能供给时，会使供电方式发生改变，站用电负荷在有太阳能的时段时，光伏发电系统与降压变共同供电。据调查：A 市电网应用的模式为固定电源供电，在具体应用期间，为避免出现孤岛效应，光伏系统在380V I 段母线电压消失时，会于200ms 内和I 段母线断开连接。

2.4 实际运作情况

A 市建设的光伏发电系统不应用蓄电池，在系统建设期间，该系统并网逆变器将产生的直流电能转化为与电压，电网电压同相，同频的交流电，当建设的光伏系统发电量可以满足控制回路的需求，则系统会处于停止状态。如果光电板对外发出的直流电量出现明显不足的现象，会逐渐启动逆变器控制回路系统，使整个光伏发电系统处于停止的状态。

该系统在使用过程中采用最大功率跟踪法，将并网逆变器输入端口的光电板功率设置超过最大功率的6%。光伏系统对外输出的交流电电压，经过逆变器DC/AC 变换后，接入380V 交流侧配电网，并且与配电网电压保持同步，负荷会优先消耗掉其发出的电力，缓解城区及高用电负荷区域白天供电压力，起到节约化石能源、减轻环境污染的作用[4]。

2.5 效益分析

在计算上以燃烧煤炭的火力发电项目为参照依据，以年为单位将节能减排效益加以计算，相关信息如下：年发电量14500kWh、节约标准煤5300kg、减排碳粉尘3954kg、减排二氧化碳14209kg、减排氮化物220kg。对于A 市来说，如在变电站建设上安装10kW 屋顶太阳能发电系统，会补充A 市的电力，对环境不会产生污染，同时在白天也能发挥“削峰”作用。

3 光伏发电光伏电池组件在变电站中安装方式和保障对策

3.1 光伏电池组件的安装和位置选择

在变电站中应用光伏发电技术，要对光伏电池组件做出合理的安装，也要明确各组件的安装位置。在柱上安装要结合电池板离地的高度，来选择安装的位置。在地上安装是最简单的一种安装方式，但此种安装方式需变电站空地较多，所以在敞开式变电站中可以应用在地上安装的方式。在屋顶上安装是大部分变电站会应用的安装方式。究其原因，在屋顶上安装因位置较高，容易受到阳光的辐射。在墙壁上安装会受到较多因素的影响，如会受到围墙与建筑墙壁遮挡的影响，所以变电站很少应用此种安装方式。

3.2 光伏阵列的运作模式

进行固定式运行。在安装光伏组件上要考虑其安装稳定性和安全性，固定式运行是现阶段应用广泛且技术相对成熟的一种模式；进行单轴跟踪。在光伏组件安装上角度的不同，接受太阳光辐射的总量也存在区别。据调查显示：针对北纬30～40°的地区，应用水平单轴跟踪方式能将发电率提高约20%，水平单轴跟踪即地面与单轴转轴所成的角度为0°；双轴跟踪。双轴跟踪能尽可能与太阳电池对太阳光的应用率保持相同，该安装方式在不同的气候和温度下，双轴跟踪系统提高太阳电池发电量的程度也存在差异，如在较晴朗的地区可提升发电量30%～40%，在有雾气的地方可提高发电量15%～20%。

选择光伏阵列运行方式。据相关数据和资料显示，在安装和运行光伏组件上，善用跟踪式运行模式能显著提高发电量，如水平单轴跟踪法对比传统的固定运行法，能提高发电量18%～32%。而在纬度不同的地区，光伏组件运行方式也存在区别，比如在低纬度地区，一般采用水平单轴方式，而在高纬度地区，一般采用双轴和斜单轴运行方式。

由此可见，要想提高光伏组件发电效率，不仅要考虑发电量提升的效果，同时还要重视可安装光伏组件数量变化上，例如在水平单轴跟踪应用中，该方式为横向支撑整体旋转，所以在运作期间能承担较多的风荷载，在实际布置期间，相关人员也要关注组件和地面角度变化带来的阴影遮挡等因素，以北纬30° 10×10m 的地面为例，综合考虑上述影响因素，并做出具体的测算，经调查了解到，基于固定运作模式下能安装32块光伏电池板，基于水平单轴跟踪运行模式下能安装24块光伏电池板，双轴跟踪模式下能安装16块光伏电池板。表2是结合上述因素，不同运作模式光伏组件的发电量的对比数据。

表2 不同运作模式光伏组件的发电量的对比

综合表2数据能了解，基于发电量角度来分析，几种运作模式差异不大，除了考虑发电量因素之外，也要将关注重心聚焦在运行模式的安全可靠，价格成本以及建设完毕之后的维修费用上。

3.3 特殊运作环境下的防范对策

第一，进行抗风沙防范对策。结合各地最大风速来设计光伏电池组件的支架和基础，同时针对支架的金属表面要做出热镀锌处理，避免受到风沙的腐蚀与冲刷，同时为保障各组件和设备能正常发挥作用，不受外界因素的影响，可实施针对性的抗风沙举措，比如采用外部阻挡风沙的方式，或者在光伏电池组件基础上进行抗风沙设备的设置。

第二，抗污秽措施。相关人员要定期清洗各组件，维护电池发电的效率，或者结合组件运行情况设计小型微水循环系统，如遇恶劣的环境与天气，要定期清洗各个组件，同时也要派遣专人应用除尘设备来清理组件表面的灰尘。

第三，抗雨水浸泡措施。10°是太阳电池板和水平面的最小倾斜角，在设计期间保持10°的倾斜角，可以保障雨水落在太阳电池板上第一时间滑落地面，防止太阳电池板受到雨水浸泡。或者在组件安装基础上应用地脚支撑和混凝土台的方式，保障光伏组件在安装之后脱离屋面和地面，为保障组件发挥作用，也要在场地周边实施排水处理。

第四，抗积雪对策。比如可以将组件表面设计为玻璃结构，同时也可应用自洁涂层，该涂层具备较高的光滑度，不容易产生积雪。在安装上将组件朝向正南，保持其与地面有夹角，保障在寒冷的冬季也能受到太阳能较大的辐射。

3.4 做好光伏发电系统的防雷设计

为保障光伏发电系统的运作安全，要针对该系统运作情况进行防雷设计，具体的保障措施如下所示：第一，实施防直击雷保护措施，在光伏发电系统中实施防直击雷保护对策，引进相关的设施，能保护太阳电池方阵，为达到防直击雷的目的，在安装和设计期间，要连接屋顶电池阵列钢结构和屋顶避雷网带。第二，实施一级防雷保护措施，比如可以在盒内安装设计过电压浪涌保护器。

综上所述，在变电站中应用光伏发电技术对我国变电站运营和发展起着较大促进作用。光伏发电技术在转换能源上产生的污染性较低，不仅起到环境保护的作用，同时也能减少能源消耗。本文以A市变电站应用光伏发电技术为例，分析出光伏发电技术应用的思路和应用取得的效益，并探究出安装光伏电池组件的要点，提出保障光伏发电技术应用的措施，希望可以为各部门提供参考。