變電站的光伏系統研究

The Research of Solar Sells in Substation DC System康曉月

中鐵五院集團公司,北京 102600

變電站的光伏系統研究

The Research of Solar Sells in Substation DC System康曉月

中鐵五院集團公司,北京 102600

本文將太陽能光伏發電應用在變電直流的系統中，所形成的系統是電力企業的節能環保的系統。本文介紹了變電站的光伏直流系統研究方法。其中，先介紹了我國太陽能光伏產業的發展現狀。其次描述了該系統組成結構，以及這種系統的設計的方法，和系統設計方法的過程，以及這些組件的總功率計算方法;接下來分析了光伏控制器研究過程以及方法，和該系統的工作原理以及它的實現方法。最后介紹了組件總功率的計算方法，分析了光伏控制器的研究方法，系統工作原理，包括它的電源，系統的自動切換裝置、蓄電池的充電控制方式和該系統的通信方式。發展的可再生能源已經成為了全球性的課題。

變電站;光伏;直流;系統;研究;應用;節能環保

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

1.概述

發展可再生能源已經成為了全球性的課題,可再生能源的種類很多,太陽能的利用前景是最好的,潛力是最大的[1]。但是太陽能光伏發電是這個世界上最為節約能源的、是綠色的電力系統主要的高新技術產業。發展光伏產業已經成為各國解決能源與經濟發展、環境保護之間矛盾的最佳途徑之一。我國的光伏的產業在國家大型的工程項目、和國際合作項目共同的推廣計劃下,正以前所未有的速度迅猛發展。隨著光伏產業政策和節能減排政策的陸續出臺以及實施。我國的光伏產業必將會得到廣泛的推廣。這個系統主要是由光伏控制器、伏陣列、蓄電池組以及高頻開關充電裝置(充電機)等共同組成。太陽能電池主要是利用“光生伏打”效應，是一種將光能轉化成電能的新設備。

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

光伏控制器在這個系統中起控制核心的作用,光伏控制器是來控制太陽能板的負載管理和保護、蓄電池的充放電;此外,還具備了遠傳監控本地顯示等功能。

蓄電池是整個系統儲能的設備,它主要用來存儲太陽能的組件產生多余的電量,并可以在太陽能的組件的發電量在無法滿足負載需要的時候，可以為負載提供電量。

在變電站中原有的配置的蓄電池組合已經能夠做到滿足直流電系統的要求。因而，無需為系統再做重新配置。高頻的開關充電裝置即充電機,是變電站的直流系統的原有配置,可以通過控制它的交流輸入端來控制交流電。接觸器的閉合以及斷開控制充電機這種功能從而實現開始和停止的功能。

2.系統的設計

要設計一個完整的變電站光伏直流電系統，要依據主要國家以及國際標準和地理、氣象等相關數據作為參考,不僅需要充分了解直流負載的電壓等級、功耗、工作時間,也需要一些變電站地址的相關氣象數據[3]。例如：環境溫度、濕度、日照強度、風速、臺風、雷暴日、沙塵暴天數以及臺風等情況。

根據系統所要求安全的級別,進行了多次設計,例如蓄電池容量設計、光伏組件容量設計、電氣性能設計、防雷接地系統設計、電磁和靜電屏蔽設計、系統安全性設計、機械結構設計等。

系統的設計的總原則是既要滿足負載。以及用電的需求需長期，而安全的運行,必須考慮到它的經濟性和安全性，可靠性。

2.1 對光伏組件的方陣發電量的影響主要因素有：光譜、日照強度、溫度;

日照強度對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提供的。日照強度大多數是水平面上測到的數據,在多數情況下,太陽能板是必須在一定傾角放置的;所以,要將水平面上的數值換算成為傾斜面的日照強度[4]

2.2 光伏的組件方陣的傾角選擇

決定最佳的傾角應通過分別計算光伏組件方陣在處于不同傾角的發電量，并對其進行了比較,使接收到的日照強度盡量的均勻,以適合系統長時間的運行需求。當今已有相對應軟件可以對光伏組件方陣的最佳的傾角進行計算。一般來說,在我國境內的大部分地區傾角的理想值總要大于本地區的維度。

2.3 組件的總功率設置

該變電站直流系統設計的負荷為:蓄電池的浮充電量為0.7A(現場實際的浮充電壓是2 4 6 V);

正常的直流負荷的電流是6A;事故的照明電流是4A。即設計的耗電功率是:

W=UI=246×0.7+220×（6+4）＝2370W

另外，功率是2KW電爐的負載。

負載的總功率是：W＝2.37+2＝4.37KW。

考慮系統的已經存在的線損以及設備的損耗等,該系統的總損耗量是10%,而設計系統的總功率是:

P＝4.37÷（1-10%）＝4.86KW

根據以上的公式的計算，光伏的組件的設計的總功率是：5KW。 但是組件分成了3個回路。每一個回路的峰值的功率是1.66k w,每一路的峰值的電壓是307V,在峰值的電流強度是5.43A時，它的光伏數是按照直流電的系統的工作原理實施的。

3.系統的工作原理

這個系統是利用了太陽能電池的組件的方陣。并會將太陽能轉換成了電能,再經光伏控制器的穩壓輸出，再接直流系統合母上。太陽能的電池組件的輸出電壓，在直流系統的電壓的要求范圍內,充電機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,由光伏電源來給變電站的直流系統來供電;當太陽能的電池組件的輸出電壓，在不符合的直流系統的電壓要求時,光伏控制器將會自動的停止輸出。且控制它的充電機的輸入端的交流接觸器將閉合,但是此時的是由充電機來給變站的直流的系統來供電。充電機自動切換的裝置。光伏控制器是用來交替的工作。

3.1 充電機回路光伏回路以及自動切換裝置

變電站內的充電機輸出電壓將為蓄電池組提供224V的輸出浮充電壓,它是設置它的充電機關斷電壓為284V(這可根據實際情況修改此值),他的充電機啟動電壓為224V(可根據實際情況修改此值)。在光伏控制器檢測蓄電池組時，端電壓在高于428V時,在控制器的內部的備用電源來控制接點動作。一個關斷信號將會輸出，將這個關斷信號會傳給了中間繼電器,此時中間繼電器會在關斷信號的作用下，進行動作,這時的中間繼電器的閉合觸點會被斷開,這時達到了掌控充電機輸入端，使交流接觸器將會斷開,這時的充電機能夠失去電流，達到停止。這時的系統的切換是光伏回路，這時的充電機將會為系統提供直流電。在光伏控制器檢測到的蓄電池組的端電壓小于224V條件下,備用電壓才會在控制器中被使用。電源的控制接點的動作,是在輸出了閉合信之后，才會給中間繼電器,再帶動中間繼電器動作,中間繼電器常開觸點閉合,從而控制充電機的輸入端額交流接觸器閉合,充電機在收到電流之后才能開機,達到為直流系統供電的作用;在整個的系統中，中間繼電器起到了增加接點的容量度。

此外,這個光伏系統還具備了手動旁路等其它功能，在光伏控制器發生故障的時候,手動旁路將會被啟動,此時達到使充電機運行的條件,使直流系統的供電達到高標準的可靠性能以及安全性能。

系統的設計的光伏輸入的功能是滿足6路輸入的。來控制變電站的。目前在系統中使用的是3路光伏,剩余的3路是做備用的,為提供系統了擴容等相關的用途。第1路的光伏回路的過充電電壓是:205V;

第2路光伏的回路過充電電壓是:274V;而第3路的光伏回路過充電的電壓是:424V。當蓄電池組的電壓在低于424V時,第3路同時是投入充電的;但當蓄電池組的電壓高于424V并且低于427V時,在此時第3路光伏會停止輸出,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,第2、3路電將停止輸出，并且僅由第l路來充電;在蓄電池組電壓高于205V時,光伏回路將會自動停止輸出，對蓄電池組會進行相關的過充保護。

該系統采用了階梯式的逐級限流的充電方法,根據蓄電池組端的電壓變化的趨勢將自動控制了多路的太陽能的電池方陣。依次接通或切離電池組端,達到實現對蓄電池組充電電流和對充電電壓的來調節光伏回路接到了直流系統的合母上，在蓄電池充電的時候,同時通過降壓硅鏈來穩壓以達到了DC202V，當輸出至直流系統的控母，給變電站的直流負荷來供電這是蓄電池組。

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，通過現場的通訊服務器的規約來轉換連接,接入的變電站綜合的自動化系統,是用的來實現遙信、遙測，遙信等遠程的通訊功能,同時在變電站直流系統的運行情況，將實現遠程的監視功能。

4.光伏控制器的探討

在系統研制過程中,它的核心設備是光伏控制器;因此,光伏控制器的研究在整體的中存在著關鍵性的作用。

這種控制器是為了將太陽能電池組件方陣以及蓄電池組的控制中心相連接而產生的,對該系統的輸入及輸出功率的調節和控制,以來達到對光伏直流系統的各種功能采取相關的控制。光伏控制器的主要是由單片機的電路、實時的時鐘電路、開關電源電路、系統的充電開關電路、鍵盤的接口驅動電路、液晶驅動顯示電路、等部分組成的。

通過系統的運行過程，可以發現這個系統是一個綜合的系統。在電力的應用過程中，我們可以發現這個系統的運行效率很高的。

該系統的單片機電路是通過它的A/D輸出口來實現對,光伏電路采樣的測量以及蓄電池采樣的測量。液晶驅動顯示電路是通過控制總線與數據總線單片機電路相連接(例如：液晶顯示電路，它有著獨立的控制器。它的工作電源是由電源的模塊來提供的)開關電源是為單片機電路和其它電路一起供應電能;時鐘電路是通過SCL（串行的數據總線）、單片機和SDA相互連接而實現的讀寫功能;充電開關電路 (采用場效應管)。它是一組單片機和控制線相連接,軟件模擬波形的來輸出充電控制信號;在鍵盤的接口驅動電路以及單片機的電路之間由兩條I/O 接口線相連接。在光伏的控制器有保護電路和防雷、RS485通訊模塊等。

在輸入口上可以實現光伏電路采樣測量，蓄電池以及開關電源電路。為其它電路和單片機電路提供電源;在液晶驅動顯示電路中，半字節的數據總線連接了控制總線以及單片機電路。液晶顯示電路的控制器有獨立性,它的工作電源是由電源模塊來提供的;

實時的時鐘電路是通過串行數據總線SDA，SCL與單片機的連接來實現讀寫的功能;充電開關電路 主要是用場效應管。這是由一組控制線它與單片機來連接,最后通過軟件來模擬波形，輸出充電控制信號;鍵盤接口的驅動電路和單片機電路之間是通過兩條I/O 接口線連接一起的。

光伏控制器還設計保護和防雷電路、RS485的通訊模塊等等;光伏控制器的設計是為6路光伏輸入來控制,它們分別對應著光伏組件的設計的每一路電。每一路都是由不同的過充電壓來限制,并且每一路電過充限制的電壓值之間是由一個級差組成。它是采用階梯式逐級式的限流的充電方法,根據蓄電池組端的電壓變化趨勢用來自動控制的多路太陽能電池方陣。依次的接通和切離兩種狀態用來實現對蓄電池組的充電電流和充電的電壓的調節,檢測了蓄電池組的兩端的電壓,用來控制了每一組的太陽能的電池方陣。對蓄電池組充電，用于負載供電的控制。

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

5.系統的運行效果

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

5.1 光伏陣列的安伏曲線

在運行過程中，抽取某一陣列而測得的IV曲線將導致充電機開機,此時由充電機的直接給直流系統來供電。在太陽光照下，逐漸增強的時候,光伏直流電壓會上升;當光伏控制器的檢測到的蓄電池組電壓上升到了428V以上時,光伏控制器的自動控制充電機關機,此時是由光伏直流的電源為它的直流系統來提供電能的。光伏的控制器以及已經存在的充電機將進行切換，以及交替工作,向變電站的直流的系統供電。此時變電站直流系統的效率將會得到很大的提高。

光伏發電不損耗燃料、無噪聲不會產生有害的物質，對環境也不會有任何的污染,是節能環保的“綠色發電”系統將很快投入運行以來,運行情況良好,運行安全是穩定的。

6.結 語

變電站的光伏直流的系統是利用新能源來發電,符合光伏產業政策以及國家相關的農業政策光伏產業政策,為了建設“資源節約型、環境友好型”電力系統提供了深遠的意義。

系統的節能和環保，以及運行穩定的可靠性將會很快的提高。

[1]王常規,薛容強.新能源開發技術[M].北京:中國電力出版社,2005

[2]沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發電技術[M].北京:化學工業出版社,2005

[3]夏道止.電力系統分析(下)[M]

[4]丁書文,黃訓誠,胡起宙.變電站綜合自動化原理以及應用

[5]劉榮.自然能供電技術[M].北京:中國電力出版社,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，研究方向為：電力系統自動化。