The Research of Solar Sells in Substation DC System康曉月

中鐵五院集團(tuán)公司,北京 102600

變電站的光伏系統(tǒng)研究

The Research of Solar Sells in Substation DC System康曉月

中鐵五院集團(tuán)公司,北京 102600

本文將太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用在變電直流的系統(tǒng)中，所形成的系統(tǒng)是電力企業(yè)的節(jié)能環(huán)保的系統(tǒng)。本文介紹了變電站的光伏直流系統(tǒng)研究方法。其中，先介紹了我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。其次描述了該系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，以及這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的方法，和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的過(guò)程，以及這些組件的總功率計(jì)算方法;接下來(lái)分析了光伏控制器研究過(guò)程以及方法，和該系統(tǒng)的工作原理以及它的實(shí)現(xiàn)方法。最后介紹了組件總功率的計(jì)算方法，分析了光伏控制器的研究方法，系統(tǒng)工作原理，包括它的電源，系統(tǒng)的自動(dòng)切換裝置、蓄電池的充電控制方式和該系統(tǒng)的通信方式。發(fā)展的可再生能源已經(jīng)成為了全球性的課題。

變電站;光伏;直流;系統(tǒng);研究;應(yīng)用;節(jié)能環(huán)保

Substation; DC photovoltaic system; studies; energy saving and environmental protection

1.概述

發(fā)展可再生能源已經(jīng)成為了全球性的課題,可再生能源的種類(lèi)很多,太陽(yáng)能的利用前景是最好的,潛力是最大的[1]。但是太陽(yáng)能光伏發(fā)電是這個(gè)世界上最為節(jié)約能源的、是綠色的電力系統(tǒng)主要的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為各國(guó)解決能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)之間矛盾的最佳途徑之一。我國(guó)的光伏的產(chǎn)業(yè)在國(guó)家大型的工程項(xiàng)目、和國(guó)際合作項(xiàng)目共同的推廣計(jì)劃下,正以前所未有的速度迅猛發(fā)展。隨著光伏產(chǎn)業(yè)政策和節(jié)能減排政策的陸續(xù)出臺(tái)以及實(shí)施。我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)必將會(huì)得到廣泛的推廣。這個(gè)系統(tǒng)主要是由光伏控制器、伏陣列、蓄電池組以及高頻開(kāi)關(guān)充電裝置(充電機(jī))等共同組成。太陽(yáng)能電池主要是利用“光生伏打”效應(yīng)，是一種將光能轉(zhuǎn)化成電能的新設(shè)備。

在光照條件下,能產(chǎn)生一定量的電流和電壓。多塊太陽(yáng)能電池片組成了太陽(yáng)能板,這種通過(guò)對(duì)多塊太陽(yáng)能板而串并聯(lián)的方法,可以得出了符合負(fù)載要求的電流、電壓，這就是所謂的光伏組件陣列[2]。

光伏控制器在這個(gè)系統(tǒng)中起控制核心的作用,光伏控制器是來(lái)控制太陽(yáng)能板的負(fù)載管理和保護(hù)、蓄電池的充放電;此外,還具備了遠(yuǎn)傳監(jiān)控本地顯示等功能。

蓄電池是整個(gè)系統(tǒng)儲(chǔ)能的設(shè)備,它主要用來(lái)存儲(chǔ)太陽(yáng)能的組件產(chǎn)生多余的電量,并可以在太陽(yáng)能的組件的發(fā)電量在無(wú)法滿足負(fù)載需要的時(shí)候，可以為負(fù)載提供電量。

在變電站中原有的配置的蓄電池組合已經(jīng)能夠做到滿足直流電系統(tǒng)的要求。因而，無(wú)需為系統(tǒng)再做重新配置。高頻的開(kāi)關(guān)充電裝置即充電機(jī),是變電站的直流系統(tǒng)的原有配置,可以通過(guò)控制它的交流輸入端來(lái)控制交流電。接觸器的閉合以及斷開(kāi)控制充電機(jī)這種功能從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)始和停止的功能。

2.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的變電站光伏直流電系統(tǒng)，要依據(jù)主要國(guó)家以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和地理、氣象等相關(guān)數(shù)據(jù)作為參考,不僅需要充分了解直流負(fù)載的電壓等級(jí)、功耗、工作時(shí)間,也需要一些變電站地址的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)[3]。例如：環(huán)境溫度、濕度、日照強(qiáng)度、風(fēng)速、臺(tái)風(fēng)、雷暴日、沙塵暴天數(shù)以及臺(tái)風(fēng)等情況。

根據(jù)系統(tǒng)所要求安全的級(jí)別,進(jìn)行了多次設(shè)計(jì),例如蓄電池容量設(shè)計(jì)、光伏組件容量設(shè)計(jì)、電氣性能設(shè)計(jì)、防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電磁和靜電屏蔽設(shè)計(jì)、系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的總原則是既要滿足負(fù)載。以及用電的需求需長(zhǎng)期，而安全的運(yùn)行,必須考慮到它的經(jīng)濟(jì)性和安全性，可靠性。

2.1 對(duì)光伏組件的方陣發(fā)電量的影響主要因素有：光譜、日照強(qiáng)度、溫度;

日照強(qiáng)度對(duì)光伏組件的方陣的影響最為主要和明顯。這些因子是氣象部門(mén)提供的。日照強(qiáng)度大多數(shù)是水平面上測(cè)到的數(shù)據(jù),在多數(shù)情況下,太陽(yáng)能板是必須在一定傾角放置的;所以,要將水平面上的數(shù)值換算成為傾斜面的日照強(qiáng)度[4]

2.2 光伏的組件方陣的傾角選擇

決定最佳的傾角應(yīng)通過(guò)分別計(jì)算光伏組件方陣在處于不同傾角的發(fā)電量，并對(duì)其進(jìn)行了比較,使接收到的日照強(qiáng)度盡量的均勻,以適合系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行需求。當(dāng)今已有相對(duì)應(yīng)軟件可以對(duì)光伏組件方陣的最佳的傾角進(jìn)行計(jì)算。一般來(lái)說(shuō),在我國(guó)境內(nèi)的大部分地區(qū)傾角的理想值總要大于本地區(qū)的維度。

2.3 組件的總功率設(shè)置

該變電站直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)的負(fù)荷為:蓄電池的浮充電量為0.7A(現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的浮充電壓是2 4 6 V);

正常的直流負(fù)荷的電流是6A;事故的照明電流是4A。即設(shè)計(jì)的耗電功率是:

W=UI=246×0.7+220×（6+4）＝2370W

另外，功率是2KW電爐的負(fù)載。

負(fù)載的總功率是：W＝2.37+2＝4.37KW。

考慮系統(tǒng)的已經(jīng)存在的線損以及設(shè)備的損耗等,該系統(tǒng)的總損耗量是10%,而設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總功率是:

P＝4.37÷（1-10%）＝4.86KW

根據(jù)以上的公式的計(jì)算，光伏的組件的設(shè)計(jì)的總功率是：5KW。 但是組件分成了3個(gè)回路。每一個(gè)回路的峰值的功率是1.66k w,每一路的峰值的電壓是307V,在峰值的電流強(qiáng)度是5.43A時(shí)，它的光伏數(shù)是按照直流電的系統(tǒng)的工作原理實(shí)施的。

3.系統(tǒng)的工作原理

這個(gè)系統(tǒng)是利用了太陽(yáng)能電池的組件的方陣。并會(huì)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成了電能,再經(jīng)光伏控制器的穩(wěn)壓輸出，再接直流系統(tǒng)合母上。太陽(yáng)能的電池組件的輸出電壓，在直流系統(tǒng)的電壓的要求范圍內(nèi),充電機(jī)的輸入端的交流接觸器。該接觸器受光伏控制器的控制影響才斷開(kāi),由光伏電源來(lái)給變電站的直流系統(tǒng)來(lái)供電;當(dāng)太陽(yáng)能的電池組件的輸出電壓，在不符合的直流系統(tǒng)的電壓要求時(shí),光伏控制器將會(huì)自動(dòng)的停止輸出。且控制它的充電機(jī)的輸入端的交流接觸器將閉合,但是此時(shí)的是由充電機(jī)來(lái)給變站的直流的系統(tǒng)來(lái)供電。充電機(jī)自動(dòng)切換的裝置。光伏控制器是用來(lái)交替的工作。

3.1 充電機(jī)回路光伏回路以及自動(dòng)切換裝置

變電站內(nèi)的充電機(jī)輸出電壓將為蓄電池組提供224V的輸出浮充電壓,它是設(shè)置它的充電機(jī)關(guān)斷電壓為284V(這可根據(jù)實(shí)際情況修改此值),他的充電機(jī)啟動(dòng)電壓為224V(可根據(jù)實(shí)際情況修改此值)。在光伏控制器檢測(cè)蓄電池組時(shí)，端電壓在高于428V時(shí),在控制器的內(nèi)部的備用電源來(lái)控制接點(diǎn)動(dòng)作。一個(gè)關(guān)斷信號(hào)將會(huì)輸出，將這個(gè)關(guān)斷信號(hào)會(huì)傳給了中間繼電器,此時(shí)中間繼電器會(huì)在關(guān)斷信號(hào)的作用下，進(jìn)行動(dòng)作,這時(shí)的中間繼電器的閉合觸點(diǎn)會(huì)被斷開(kāi),這時(shí)達(dá)到了掌控充電機(jī)輸入端，使交流接觸器將會(huì)斷開(kāi),這時(shí)的充電機(jī)能夠失去電流，達(dá)到停止。這時(shí)的系統(tǒng)的切換是光伏回路，這時(shí)的充電機(jī)將會(huì)為系統(tǒng)提供直流電。在光伏控制器檢測(cè)到的蓄電池組的端電壓小于224V條件下,備用電壓才會(huì)在控制器中被使用。電源的控制接點(diǎn)的動(dòng)作,是在輸出了閉合信之后，才會(huì)給中間繼電器,再帶動(dòng)中間繼電器動(dòng)作,中間繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合,從而控制充電機(jī)的輸入端額交流接觸器閉合,充電機(jī)在收到電流之后才能開(kāi)機(jī),達(dá)到為直流系統(tǒng)供電的作用;在整個(gè)的系統(tǒng)中，中間繼電器起到了增加接點(diǎn)的容量度。

此外,這個(gè)光伏系統(tǒng)還具備了手動(dòng)旁路等其它功能，在光伏控制器發(fā)生故障的時(shí)候,手動(dòng)旁路將會(huì)被啟動(dòng),此時(shí)達(dá)到使充電機(jī)運(yùn)行的條件,使直流系統(tǒng)的供電達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的可靠性能以及安全性能。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的光伏輸入的功能是滿足6路輸入的。來(lái)控制變電站的。目前在系統(tǒng)中使用的是3路光伏,剩余的3路是做備用的,為提供系統(tǒng)了擴(kuò)容等相關(guān)的用途。第1路的光伏回路的過(guò)充電電壓是:205V;

第2路光伏的回路過(guò)充電電壓是:274V;而第3路的光伏回路過(guò)充電的電壓是:424V。當(dāng)蓄電池組的電壓在低于424V時(shí),第3路同時(shí)是投入充電的;但當(dāng)蓄電池組的電壓高于424V并且低于427V時(shí),在此時(shí)第3路光伏會(huì)停止輸出,而由第1、2路代替它為之充電;在蓄電池電壓高于247V并且低于520V時(shí),第2、3路電將停止輸出，并且僅由第l路來(lái)充電;在蓄電池組電壓高于205V時(shí),光伏回路將會(huì)自動(dòng)停止輸出，對(duì)蓄電池組會(huì)進(jìn)行相關(guān)的過(guò)充保護(hù)。

該系統(tǒng)采用了階梯式的逐級(jí)限流的充電方法,根據(jù)蓄電池組端的電壓變化的趨勢(shì)將自動(dòng)控制了多路的太陽(yáng)能的電池方陣。依次接通或切離電池組端,達(dá)到實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組充電電流和對(duì)充電電壓的來(lái)調(diào)節(jié)光伏回路接到了直流系統(tǒng)的合母上，在蓄電池充電的時(shí)候,同時(shí)通過(guò)降壓硅鏈來(lái)穩(wěn)壓以達(dá)到了DC202V，當(dāng)輸出至直流系統(tǒng)的控母，給變電站的直流負(fù)荷來(lái)供電這是蓄電池組。

3. 2通信光伏的控制器配置

在通信光伏的控制器中配置RS485和RS232的接口，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的通訊服務(wù)器的規(guī)約來(lái)轉(zhuǎn)換連接,接入的變電站綜合的自動(dòng)化系統(tǒng),是用的來(lái)實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)，遙信等遠(yuǎn)程的通訊功能,同時(shí)在變電站直流系統(tǒng)的運(yùn)行情況，將實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)視功能。

4.光伏控制器的探討

在系統(tǒng)研制過(guò)程中,它的核心設(shè)備是光伏控制器;因此,光伏控制器的研究在整體的中存在著關(guān)鍵性的作用。

這種控制器是為了將太陽(yáng)能電池組件方陣以及蓄電池組的控制中心相連接而產(chǎn)生的,對(duì)該系統(tǒng)的輸入及輸出功率的調(diào)節(jié)和控制,以來(lái)達(dá)到對(duì)光伏直流系統(tǒng)的各種功能采取相關(guān)的控制。光伏控制器的主要是由單片機(jī)的電路、實(shí)時(shí)的時(shí)鐘電路、開(kāi)關(guān)電源電路、系統(tǒng)的充電開(kāi)關(guān)電路、鍵盤(pán)的接口驅(qū)動(dòng)電路、液晶驅(qū)動(dòng)顯示電路、等部分組成的。

通過(guò)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)綜合的系統(tǒng)。在電力的應(yīng)用過(guò)程中，我們可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率很高的。

該系統(tǒng)的單片機(jī)電路是通過(guò)它的A/D輸出口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì),光伏電路采樣的測(cè)量以及蓄電池采樣的測(cè)量。液晶驅(qū)動(dòng)顯示電路是通過(guò)控制總線與數(shù)據(jù)總線單片機(jī)電路相連接(例如：液晶顯示電路，它有著獨(dú)立的控制器。它的工作電源是由電源的模塊來(lái)提供的)開(kāi)關(guān)電源是為單片機(jī)電路和其它電路一起供應(yīng)電能;時(shí)鐘電路是通過(guò)SCL（串行的數(shù)據(jù)總線）、單片機(jī)和SDA相互連接而實(shí)現(xiàn)的讀寫(xiě)功能;充電開(kāi)關(guān)電路 (采用場(chǎng)效應(yīng)管)。它是一組單片機(jī)和控制線相連接,軟件模擬波形的來(lái)輸出充電控制信號(hào);在鍵盤(pán)的接口驅(qū)動(dòng)電路以及單片機(jī)的電路之間由兩條I/O 接口線相連接。在光伏的控制器有保護(hù)電路和防雷、RS485通訊模塊等。

在輸入口上可以實(shí)現(xiàn)光伏電路采樣測(cè)量，蓄電池以及開(kāi)關(guān)電源電路。為其它電路和單片機(jī)電路提供電源;在液晶驅(qū)動(dòng)顯示電路中，半字節(jié)的數(shù)據(jù)總線連接了控制總線以及單片機(jī)電路。液晶顯示電路的控制器有獨(dú)立性,它的工作電源是由電源模塊來(lái)提供的;

實(shí)時(shí)的時(shí)鐘電路是通過(guò)串行數(shù)據(jù)總線SDA，SCL與單片機(jī)的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)的功能;充電開(kāi)關(guān)電路 主要是用場(chǎng)效應(yīng)管。這是由一組控制線它與單片機(jī)來(lái)連接,最后通過(guò)軟件來(lái)模擬波形，輸出充電控制信號(hào);鍵盤(pán)接口的驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)電路之間是通過(guò)兩條I/O 接口線連接一起的。

光伏控制器還設(shè)計(jì)保護(hù)和防雷電路、RS485的通訊模塊等等;光伏控制器的設(shè)計(jì)是為6路光伏輸入來(lái)控制,它們分別對(duì)應(yīng)著光伏組件的設(shè)計(jì)的每一路電。每一路都是由不同的過(guò)充電壓來(lái)限制,并且每一路電過(guò)充限制的電壓值之間是由一個(gè)級(jí)差組成。它是采用階梯式逐級(jí)式的限流的充電方法,根據(jù)蓄電池組端的電壓變化趨勢(shì)用來(lái)自動(dòng)控制的多路太陽(yáng)能電池方陣。依次的接通和切離兩種狀態(tài)用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的充電電流和充電的電壓的調(diào)節(jié),檢測(cè)了蓄電池組的兩端的電壓,用來(lái)控制了每一組的太陽(yáng)能的電池方陣。對(duì)蓄電池組充電，用于負(fù)載供電的控制。

這種控制的方法滿足了蓄電池充電時(shí)對(duì)電壓以及電流的變化規(guī)律的要求,并且滿足了可靠性以及充電的規(guī)律對(duì)它的要求，并將其完美地結(jié)合在一起[5]。

5.系統(tǒng)的運(yùn)行效果

在變電站的直流系統(tǒng)它是單母線的接線;原直流系統(tǒng)的配置是1套蓄電池和1套高頻開(kāi)關(guān)的電源(即充電機(jī))共同組成的。

5.1 光伏陣列的安伏曲線

在運(yùn)行過(guò)程中，抽取某一陣列而測(cè)得的IV曲線將導(dǎo)致充電機(jī)開(kāi)機(jī),此時(shí)由充電機(jī)的直接給直流系統(tǒng)來(lái)供電。在太陽(yáng)光照下，逐漸增強(qiáng)的時(shí)候,光伏直流電壓會(huì)上升;當(dāng)光伏控制器的檢測(cè)到的蓄電池組電壓上升到了428V以上時(shí),光伏控制器的自動(dòng)控制充電機(jī)關(guān)機(jī),此時(shí)是由光伏直流的電源為它的直流系統(tǒng)來(lái)提供電能的。光伏的控制器以及已經(jīng)存在的充電機(jī)將進(jìn)行切換，以及交替工作,向變電站的直流的系統(tǒng)供電。此時(shí)變電站直流系統(tǒng)的效率將會(huì)得到很大的提高。

光伏發(fā)電不損耗燃料、無(wú)噪聲不會(huì)產(chǎn)生有害的物質(zhì)，對(duì)環(huán)境也不會(huì)有任何的污染,是節(jié)能環(huán)保的“綠色發(fā)電”系統(tǒng)將很快投入運(yùn)行以來(lái),運(yùn)行情況良好,運(yùn)行安全是穩(wěn)定的。

6.結(jié) 語(yǔ)

變電站的光伏直流的系統(tǒng)是利用新能源來(lái)發(fā)電,符合光伏產(chǎn)業(yè)政策以及國(guó)家相關(guān)的農(nóng)業(yè)政策光伏產(chǎn)業(yè)政策,為了建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”電力系統(tǒng)提供了深遠(yuǎn)的意義。

系統(tǒng)的節(jié)能和環(huán)保，以及運(yùn)行穩(wěn)定的可靠性將會(huì)很快的提高。

[1]王常規(guī),薛容強(qiáng).新能源開(kāi)發(fā)技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005

[2]沈輝，曾祖勤.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005

[3]夏道止.電力系統(tǒng)分析(下)[M]

[4]丁書(shū)文,黃訓(xùn)誠(chéng),胡起宙.變電站綜合自動(dòng)化原理以及應(yīng)用

[5]劉榮.自然能供電技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2002

Solar PV power applicate in substation DC system.The system is the energy saving and protect environmental system for power enterprises. This article describes the substation DC system of photovoltaic method.it describes the current status of solar photovoltaic industry development in China. Study on analysis of photovoltaic controllers.And the system worked principle.Include power supply. Automatic switching, and battery charging system and the method of controlling communication mode. The development of renewable energy becomes a global issue.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.13.007

作者介紹

康曉月（1985—）女，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)椋弘娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。