云南民族大學(xué) ■ 紀(jì)峰 何晉 梁志茂

寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ■ 梅曉妍

一 引言

光伏發(fā)電是利用太陽電池的光生伏打效應(yīng)直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，具有易維護(hù)、無污染、無噪聲、無需添加燃料等優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用規(guī)模和范圍正迅速擴(kuò)大。

對(duì)于普通變電站而言，其自身的負(fù)荷為站用的動(dòng)力、照明、直流等。站用負(fù)荷一般用電量小，但可靠性要求高。目前實(shí)際運(yùn)行中變電站的站用電負(fù)荷基本都是由站用降壓變單獨(dú)提供。本文針對(duì)一座110kV變電站安裝屋頂光伏系統(tǒng)展開研究，提出利用變電站建筑物屋頂裝設(shè)太陽電池板，構(gòu)建并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。此方案不僅可消耗可再生能源以降低站用電率，同時(shí)也有利于提高站用負(fù)荷的供電可靠性[1]。

二 光伏發(fā)電技術(shù)及其發(fā)展情況介紹

1 基本組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池組、光伏系統(tǒng)控制器、蓄電池和逆變器等部分組成，其中的核心元件是太陽電池組和控制器。基本組成如圖1所示。

2 分類

目前光伏發(fā)電系統(tǒng)按其結(jié)構(gòu)可大致分為3類：并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)、離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)及混合型系統(tǒng)，見圖2。

其中，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)擁有蓄電池，獨(dú)立給負(fù)荷供電，不與電網(wǎng)并聯(lián)。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但運(yùn)行易受負(fù)荷變化的影響，且維護(hù)相對(duì)復(fù)雜。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出端供給負(fù)荷的同時(shí)并聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行。太陽能富余時(shí)向電網(wǎng)供電，短缺時(shí)向電網(wǎng)購電。由于不配備蓄電池，維護(hù)方便且造價(jià)相對(duì)較低[2]。混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)介于前兩者之間，兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，有較強(qiáng)的可調(diào)節(jié)性，可靈活根據(jù)峰谷電價(jià)安排發(fā)電策略，但造價(jià)相對(duì)較高。

3 兩種并網(wǎng)方式

由于光伏發(fā)電與建筑物結(jié)合的方式不同，以及電池組件的規(guī)格和朝向不同等實(shí)際情況，大致可分為兩種并網(wǎng)模式：

(1) 集中式并網(wǎng)：在電池陣列朝向與規(guī)格基本一致的情況下，采用單臺(tái)逆變器實(shí)行集中并網(wǎng)發(fā)電。

(2) 分布式并網(wǎng)：在電池陣列朝向與規(guī)格不同的情況下，采用多臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行，實(shí)行分布式并網(wǎng)發(fā)電。

三 光伏發(fā)電接入變電站站用電系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案

1 初步設(shè)計(jì)思路

變電站站用電負(fù)荷一般由主變低壓側(cè)10kV母線通過10kV/380V變壓器單獨(dú)供電。由于站用電負(fù)荷要求具有較高的供電可靠性，所以本方案擬采用并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)有太陽能時(shí)由光伏系統(tǒng)結(jié)合降壓變同時(shí)供電，無太陽能時(shí)由降壓變單獨(dú)供電，即光伏發(fā)電系統(tǒng)定位為站用降壓變的補(bǔ)充電源。

同時(shí)，由于安裝太陽電池組件的變電站主控樓屋頂平坦規(guī)整，電池組件可同型號(hào)同朝向，所以擬采用集中式并網(wǎng)方式供電。

2 安裝規(guī)模估計(jì)

安裝規(guī)模主要由可利用建筑物面積和站用電負(fù)荷大小兩部分決定。由于變電站內(nèi)僅主控樓屋頂具有安裝太陽電池組件的空間。變電站主控樓屋頂南北走向，實(shí)際面積為40m×9m=360m2，可利用面積為270m2，全部安裝電池組件后其最大輸出功率為34.65kW。本地區(qū)類似規(guī)模的110kV變電站站用電負(fù)荷約為60kW，當(dāng)需要增加檢修用電等額外負(fù)荷時(shí)，站用電總體負(fù)荷約達(dá)到100kW。因此光伏發(fā)電僅能定位為站用電系統(tǒng)的輔助電源，其安裝規(guī)模由主控樓屋頂最大可利用面積決定。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

系統(tǒng)按35kW容量估算，其直流、交流部分的效率均按90%計(jì)算，平均每天日照時(shí)間按3h峰值計(jì)算，系統(tǒng)的使用壽命按30a計(jì)算，得出系統(tǒng)理論上總發(fā)電量為：35×3×365×0.9×0.9×30=931298kWh。系統(tǒng)的建造成本按6萬元/kW估計(jì)，則總成本為35×6=210萬元。所以單位發(fā)電成本為：210萬/931298kWh=2.25元/kWh。

根據(jù)財(cái)政部與住建部聯(lián)合下發(fā)的文件：《關(guān)于組織實(shí)施太陽能光電建筑應(yīng)用一體化示范的通知》，分別對(duì)光伏發(fā)電成本中的關(guān)鍵組件成本和工程安裝成本兩項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)貼，即前者補(bǔ)貼50%，而后者補(bǔ)貼為6元/W。按總體補(bǔ)貼額為50%進(jìn)行估算，則單位發(fā)電成本約為2.25/2=1.125元/kWh。由于光伏發(fā)電利用的是可再生、無污染的清潔能源，考慮環(huán)境效益與未來系統(tǒng)電價(jià)不可避免的上升趨勢(shì)，在部分地方財(cái)政較寬裕的地區(qū)，其變電站站用電系統(tǒng)引入光伏發(fā)電是可行的。

4 組成方案分析

如圖3所示，變電站有兩臺(tái)主變及兩段10kV母線，每段母線配置一臺(tái)站用變壓器。因此，系統(tǒng)組成方案考慮以下兩種：(1)方案一：將所有太陽電池陣列合并為一組，單獨(dú)對(duì)一側(cè)380V站用負(fù)荷供電；(2)方案二：將太陽電池陣列分為兩組，分別對(duì)兩側(cè)的380V站用負(fù)荷供電。方案一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資低，有光伏供電的單側(cè)站用負(fù)荷可考慮多承擔(dān)站用負(fù)荷。方案二由于是雙套系統(tǒng)，所以可靠性高，單套光伏發(fā)電系統(tǒng)檢修或故障時(shí)不影響整體運(yùn)行，但投資較高。本次設(shè)計(jì)擬采用方案一。

5 主要設(shè)備選擇及布置

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由電池陣列、逆變器、匯流箱、配電柜等幾大部分組成。本文重點(diǎn)分析太陽電池陣列與逆變器兩大核心器件。

(1) 太陽電池陣列的方案選擇與參數(shù)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地理?xiàng)l件及電壓電流等情況，電池陣列由多個(gè)單體電池組件按一定方式串并聯(lián)組成。本方案擬采用SUNTECH公司的STP165S-24/AC電池組件，具體參數(shù)如表1所示。

表1 電池組件技術(shù)參數(shù)

變電站實(shí)際可利用屋頂建筑面積為360m2，考慮電池陣列間需預(yù)留相應(yīng)的空隙，因此實(shí)際可安裝電池陣列的面積為270m2，最大輸出功率約為34.65kW。具體組合方式如表2所示。

表2 蓄電池組陣列形式

(2) 逆變器選擇

目前光伏系統(tǒng)的逆變器主要有三種類型：工頻變壓器型、高頻變壓器型和無變壓器型。其中工頻變壓器型防雷效果好，輸出波形優(yōu)良，但體積龐大且造價(jià)高；高頻變壓器型內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積和重量相對(duì)較小；無變壓器型造價(jià)低、體型小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，但輸出電壓值固定不可調(diào)節(jié)[3]。因本次設(shè)計(jì)站用負(fù)荷固定為380V，如圖3所示，即光伏系統(tǒng)輸出電壓值固定，所以擬選定無變壓器式逆變器，逆變器參數(shù)見表3。

表3 逆變器參數(shù)

(3) 保護(hù)與監(jiān)控

安裝數(shù)字化綜合保護(hù)測(cè)控裝置以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)控。裝置可采集多路電壓電流等模擬量以及開關(guān)量，用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量和保護(hù)功能。裝置能實(shí)現(xiàn)逆功率保護(hù)、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、低電壓報(bào)警、裝置異常報(bào)警等功能。同時(shí)該裝置能利用氣候信息，預(yù)測(cè)光照強(qiáng)度，并根據(jù)內(nèi)部的數(shù)學(xué)模型計(jì)算功率出力，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制。

(4) 太陽電池陣列的傾角及朝向

為了最大限度接收太陽光輻射，太陽電池板宜有一定的傾斜角度。假定面向正南方(即方位角=0?)，傾斜角從0?時(shí)刻(即水平方向)逐漸增大，日照強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)，當(dāng)角度達(dá)到最佳傾斜角時(shí)，日照強(qiáng)度最強(qiáng)。此后，隨著傾斜角的不斷增加，日照強(qiáng)度逐漸降低。最佳傾斜角與當(dāng)?shù)氐木暥扔嘘P(guān)，簡(jiǎn)單的估算方法為：最佳傾斜角=緯度+5?。假定當(dāng)?shù)鼐暥葹?5?，則太陽電池板按30?傾斜角整定，方向正南。

(5) 防雷措施

把所有電池陣列的鋼結(jié)構(gòu)與建筑物的防雷網(wǎng)可靠連接，以達(dá)到防止直擊雷的效果。在配電柜和匯流箱內(nèi)安裝避雷器件，以達(dá)到防止感應(yīng)雷的效果。

四 結(jié)論

本文對(duì)110kV變電站開展光伏系統(tǒng)接入站用電的設(shè)計(jì)與研究，得出如下結(jié)論：

(1) 提出利用110kV變電站的屋頂裝設(shè)光伏發(fā)電板，構(gòu)建并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，并向站用電負(fù)荷供電的方案。該項(xiàng)目是結(jié)合變電站建設(shè)開發(fā)太陽能資源的一種有益嘗試，打破傳統(tǒng)變電站站用電由降壓變單一供電的格局。

(2) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定了總體設(shè)計(jì)方案，并分析計(jì)算出系統(tǒng)中各主要裝置的參數(shù)和具體配置情況。

[1]Ken Zweibel, James Mason, Vasilis Fthenakis.A solar grand plan[J].US: Scientific American, 2007.

[2]吳海濤.光伏并網(wǎng)逆變器及其仿真研究[D].青島: 青島大學(xué), 2007.

[3]趙春江, 劉永生, 楊金煥.3kW家用型太陽能光伏發(fā)電(PV)系統(tǒng)并網(wǎng)后的運(yùn)行和監(jiān)測(cè)[J]華東電力， 2009, 37(8): 1374－1377.