綠色能源在變電站輔助系統的應用實踐

楊忠亮+周潮+岑凱辛

摘 要：通過結合具體項目，介紹了光伏綠色能源在變電站輔助系統中的應用，分析了“綠色照明”在變電站中的應用要求，并提出了需要進一步研究和應用的課題。

關鍵詞：綠色能源；站用輔助系統；智能變電站；光伏發電系統

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）20-0027-03

能源始終是被世界各國關注的熱點和難點問題之一。隨著化石能源的日漸枯竭，無污染、可持續的新型能源受到了世界各國的重視。其中，太陽能光伏發電受到了我國政府的大力扶持。政府簡化了并網流程，為分布式光伏發電并網鋪平了道路。太陽能作為取之不盡、用之不竭的新型能源，給我國社會帶來了較高的經濟效益和社會效益，為我國社會的可持續發展作出了一定的貢獻。

變電站所使用的能源會直接影響其安全。近年來，常發生因生活負荷過大而導致變電站站用變中壓側跳閘，進而造成變電站交流失電。經調查發現，該現象的主要原因是沒有合理利用變電保護，進而無法及時隔離故障，導致在保護越級動作跳閘后，因380 V備自投切換而使事故范圍進一步擴大。

太陽能光伏發電等分布式能源的發展為在開關失效的情況下控制事故范圍提供了可能性。在變電站中，可以將生活負荷與生產負荷分離，并由分布式能源提供生活負荷，從而構成站用電微網系統。在此情況下，即使生活負荷出現問題，也不會影響到生產負荷。

“綠色照明”是我國十大重點節能工程之一，其具有經濟效益高、生態效益好等優點，是人類文明進步的標志。在我國的“十二五”規劃綱要中也提出了“加快建設資源節約型、環境友好型社會”的要求，并以提高生態文明水平、實現節能減排為目標。推行終端節電技術是改善電力負荷緊張狀況的主要途徑。按照國家節能減排政策的要求，應大力推廣、建設綠色電網，且對變電站照明系統的設計、照明燈具的選用等方面等提出相關要求，以使變電站的照明情況更符合“簡單可靠、節能環保”的照明理念。

因此，我們在110 kV變電站輔助系統中開展了綠色能源的應用實踐，對節能減排、建設綠色電網和提高站用電源的可靠性進行了探索。

1 太陽能并網發電原理

太陽能光伏并網發電是無污染、無噪聲、不耗費化石能源、應用前景最廣闊的太陽能利用方式之一。發電的原理和流程如圖1所示。

并網發電系統一般由太陽能電池組件、并網逆變器、數據采集系統、數據交換、運行顯示和監控設備等組成。

并網發電方式是將太陽能電池陣列發出的直流電通過逆變器轉變成交流電能并輸送到電網中。相較而言，并網發電的成本較低且無污染。并網發電系統采用的并網逆變器具備自動相位和電壓跟蹤裝置，可與電網的微小相位和電壓波動完美配合，且不會對電網造成影響。

根據光伏系統是否通過供電區的變壓器向高壓電網送電，并網發電可分為可逆流并網和不可逆流并網2種方式；根據并網接入點的不同，可分為用戶低壓側并網（主要為自用）和升壓后接入并網（可上網售電）。

2 發電系統的要求

2.1 太陽能電池組件和逆變器的要求

2.1.1 太陽能電池組件

太陽能電池組件應采用晶體硅，轉換效率>14%，采用無螺釘緊固鋁合金邊框、高透光率鋼化玻璃封裝和密封防水接線盒，且上述組件應通過IEC和GB的認證。

2.1.2 逆變器

逆變器應采用最大功率的跟蹤技術，并自帶太陽能電池方陣的電壓、電流，逆變器輸出的電壓、電流、功率、累積發電量、運行狀態和異常報警等電氣狀態的顯示單元。同時，應具備標準的通信接口，以實現遠程監控，且轉換效率≥95%.

2.2 控制和傳輸線纜要求

控制和傳輸線纜的要求有以下4點：①太陽能組件的電纜應采用光伏專用的雙絕緣阻燃鍍錫銅芯電纜，交流輸出供電電纜應采用具有耐火、阻燃特性的銅芯電纜。②配線線槽的布置要美觀，與建筑協調一致，且注意布線隱蔽。各方陣的線纜均應便于連接，并具有足夠的強度，連接線纜的附件應具備防水、抗老化的功能。③系統配線應符合電力配線的安裝標準，所有線纜的連接部位都應具有方便的入口，以便于線纜日常的維護和更換。④配線槽應采用金屬線槽，且線槽壁厚≥0.8 mm。此外，在安裝太陽能電池組件與線槽防雷、整個建筑的防雷接地時，應綜合考慮其間的配合問題。

2.3 電能的應用形式

電能的應用形式有以下2種：①并網發電供電形式。該形式的發電系統由太陽能光伏組件、控制裝置、傳輸線纜、附件、逆變器和控制保護單元等組成。②光伏系統與電網系統并聯形式。在該形式中，白天利用太陽能發電，并將由光能轉化的電能供至供電系統的相關用電負荷，以備實時消耗。

2.4 系統的主要參數和指標

系統的主要參數和指標為：①安裝總容量為4.8 kWp；②太陽能光伏板合理排布后的占地面積應適于安裝在屋頂；③根據所選逆變器設定直流系統的電壓；④交流輸出的電壓范圍為AC 230/400 V±5%；⑤交流輸出的頻率范圍為（50±0.5） Hz。⑥在額定輸出時，系統效率不低于90%.

2.5 防雷接地要求

在設計組件時，應安裝防雷接地裝置，避免因雷電引起的“浪涌”效應。光伏發電站的防雷接地裝置分為直流側太陽能電池板的防浪涌保護系統和安裝框架結構的防雷接地系統。

3 系統方案設計

3.1 組件設計

該項目的安裝容量為4.8 kWp，適用于該變電站的屋頂。使用20塊240 W多晶組件，并全部串聯，使MPPT組串電壓達到600 V，峰值輸出功率達到4 800 W。本光伏組件產品獲得了IEC61215、IEC61730、金太陽、TUV和UL的認證。

該項目的組件傾角安裝于屋頂，均布載荷在50 kg/m2以下。組件平鋪后的年平均接收太陽輻射量為1 460 kW·h/m2，日均有效時長為 4.02 h。組件外形和封裝尺寸如圖2所示。

3.2 安裝支架設計

光伏組件的支架應能承受組件的質量。在設計支架時，應注意材料的選擇，并確定材料的強度。同時，還應充分考慮支架材料的彎曲強度、支撐臂的拉伸強度和地面不銹鋼固定螺栓的強度。此外，所有支架應采用熱鍍鋅，且在裸露部分噴涂防銹漆。負重整體式安裝支架如圖3所示。

3.3 逆變器設計

應選用產品型號為5000UE的5 kW并網逆變器。該逆變器的特點包括：①采用Infineon最新推出的高效率器件和先進的MPPTT自動跟蹤技術；②可提供RS232、RS485/UDB等多種通訊接口（可選）；③具有多語種的LCD顯示功能，方便用戶選擇；④可實現多臺逆變器的并聯運行；⑤具有過壓、孤島、短路、過載和過熱燈完善的保護功能；⑥外形設計美觀，體積小，重量輕；⑦具有直插式的輸入、輸出防水端子，方便安裝、維護。逆變器如圖4所示。

3.4 防雷接地系統設計

應采用外部防雷，即采用建筑霹雷帶引下線與接地系統共同構成的外部防雷系統。此外，還應進行內部防雷，防止雷電和其他內部過電壓侵入設備。因此，必須在電纜上安裝連接壁壘和過壓保護器，以防止雷電產生的高壓和浪涌電壓損壞設備。

應遵循“全方位防護、綜合治理、層層設防、尊重科學、從實際出發和因地制宜”的防雷原則。防雷工作不僅要重視防雷規范原則，還要具有一定靈活性。

為了保證光伏并網發電系統的安全、可靠，防止因雷擊、浪涌等外在因素導致系統器件損壞，必須配備系統的防雷接地裝置。

4 變電站“綠色照明”的基本要求

變電站“綠色照明”的范圍包括二次主設備室、辦公室、生活樓感應燈、生活樓常規燈、場地投光燈、高壓室、主設備室等的事故照明。

一期改造包括二次主控、繼電保護室；二期改造包括事故照明、辦公室、生活樓感應燈、生活樓常規燈、場地投光燈、高壓室照明和電纜室照明。

變電站是電網運行的重要組成部分之一，與公共照明相比，其具有以下特點：①變電站中的人員、車輛較少，對照度的要求較低；②因夜間巡檢的要求，夜間的照明時間較長；③變電站的地理位置偏僻，照明器具的損壞率高、維護困難；④平均水平面照度≥3 Lux，照度均勻度≥0.5；⑤限制眩光，對環境沒有污染；⑥供電安全、可靠，檢修安全、方便。

5 預期目標和經濟效益

5.1 節能減排效應

太陽能的儲量具有“無限性”，這就決定了開發利用太陽能將是人類解決常規能源匱乏、枯竭的有效途徑。該項目建成后，將對節約能源、改善大氣環境作出積極貢獻。

5.2 環境影響

光伏系統的發電原理是硅半導體材料的光電效應，項目所用的材料主要為鋁合金、結構鋼、鋼化玻璃、聚四氟乙烯、電纜和電氣控制設備。在項目的建造和日常運行中不會產生任何噪聲污染，且對施工人員和周圍環境沒有影響。

5.3 社會經濟效益分析

采用新型變電站輔助設備供電后，避免了因輔助負荷故障而導致的變電站電源系統故障，提高了供電的安全性和可靠性，節約了供電成本。

采用該項目可實現就地發電，能緩減當地用電高峰時段的電網壓力。政府正在制訂新的光電補助政策，在新政策實施后，投資回報期將大幅縮短。

太陽能光伏有著巨大的市場潛力。隨著社會的進步和經濟的持續發展，人類對能源的需求也會越來越大，太陽能光伏將被大規模地應用在城市中，這將是解決人類能源問題的重要方式之一。

6 結束語

為了實現可持續發展，人類在不斷地研究新型能源，以應對日益枯竭的傳統能源危機和環境污染問題。在新型站用電源系統引入清潔能源，比如風能、太陽能，并結合儲能系統，可更好地發揮其綜合效益。

冷卻風機、中央空調等在天氣炎熱的環境下耗電較大，可使用太陽能和風能替代此類能源。采用光伏發電與建筑物一體化的設計，不僅使建筑的外觀新穎、獨特，而且可提高建筑物的能源轉換率。如果光伏發電設備配備充分，則可實現變電站的“零損耗”。該項目還具備有效的儲能措施，可實現隨時充電、隨時用電，這對可再生能源的接入起到了基礎保障作用。

該項目通過分析變電站輔助設備的供電方式和狀態，結合新能源發電和“綠色照明”的要求，在變電站輔助設備系統中引入了光伏發電系統，并對原有的照明光源進行了LED光源優化改造，提出了新型高效、節能用電的解決方案，從節能、環保、經濟和實用等角度進行了探索，驗證了“綠色變電站”的可行性，力求為變電站提供高效、可靠、安全和經濟的供電環境。

〔編輯：張思楠〕

3.2 安裝支架設計

光伏組件的支架應能承受組件的質量。在設計支架時，應注意材料的選擇，并確定材料的強度。同時，還應充分考慮支架材料的彎曲強度、支撐臂的拉伸強度和地面不銹鋼固定螺栓的強度。此外，所有支架應采用熱鍍鋅，且在裸露部分噴涂防銹漆。負重整體式安裝支架如圖3所示。

3.3 逆變器設計

應選用產品型號為5000UE的5 kW并網逆變器。該逆變器的特點包括：①采用Infineon最新推出的高效率器件和先進的MPPTT自動跟蹤技術；②可提供RS232、RS485/UDB等多種通訊接口（可選）；③具有多語種的LCD顯示功能，方便用戶選擇；④可實現多臺逆變器的并聯運行；⑤具有過壓、孤島、短路、過載和過熱燈完善的保護功能；⑥外形設計美觀，體積小，重量輕；⑦具有直插式的輸入、輸出防水端子，方便安裝、維護。逆變器如圖4所示。

3.4 防雷接地系統設計

應采用外部防雷，即采用建筑霹雷帶引下線與接地系統共同構成的外部防雷系統。此外，還應進行內部防雷，防止雷電和其他內部過電壓侵入設備。因此，必須在電纜上安裝連接壁壘和過壓保護器，以防止雷電產生的高壓和浪涌電壓損壞設備。

應遵循“全方位防護、綜合治理、層層設防、尊重科學、從實際出發和因地制宜”的防雷原則。防雷工作不僅要重視防雷規范原則，還要具有一定靈活性。

為了保證光伏并網發電系統的安全、可靠，防止因雷擊、浪涌等外在因素導致系統器件損壞，必須配備系統的防雷接地裝置。

4 變電站“綠色照明”的基本要求

變電站“綠色照明”的范圍包括二次主設備室、辦公室、生活樓感應燈、生活樓常規燈、場地投光燈、高壓室、主設備室等的事故照明。

一期改造包括二次主控、繼電保護室；二期改造包括事故照明、辦公室、生活樓感應燈、生活樓常規燈、場地投光燈、高壓室照明和電纜室照明。

變電站是電網運行的重要組成部分之一，與公共照明相比，其具有以下特點：①變電站中的人員、車輛較少，對照度的要求較低；②因夜間巡檢的要求，夜間的照明時間較長；③變電站的地理位置偏僻，照明器具的損壞率高、維護困難；④平均水平面照度≥3 Lux，照度均勻度≥0.5；⑤限制眩光，對環境沒有污染；⑥供電安全、可靠，檢修安全、方便。

5 預期目標和經濟效益

5.1 節能減排效應

太陽能的儲量具有“無限性”，這就決定了開發利用太陽能將是人類解決常規能源匱乏、枯竭的有效途徑。該項目建成后，將對節約能源、改善大氣環境作出積極貢獻。

5.2 環境影響

光伏系統的發電原理是硅半導體材料的光電效應，項目所用的材料主要為鋁合金、結構鋼、鋼化玻璃、聚四氟乙烯、電纜和電氣控制設備。在項目的建造和日常運行中不會產生任何噪聲污染，且對施工人員和周圍環境沒有影響。

5.3 社會經濟效益分析

采用新型變電站輔助設備供電后，避免了因輔助負荷故障而導致的變電站電源系統故障，提高了供電的安全性和可靠性，節約了供電成本。

采用該項目可實現就地發電，能緩減當地用電高峰時段的電網壓力。政府正在制訂新的光電補助政策，在新政策實施后，投資回報期將大幅縮短。

太陽能光伏有著巨大的市場潛力。隨著社會的進步和經濟的持續發展，人類對能源的需求也會越來越大，太陽能光伏將被大規模地應用在城市中，這將是解決人類能源問題的重要方式之一。

6 結束語

為了實現可持續發展，人類在不斷地研究新型能源，以應對日益枯竭的傳統能源危機和環境污染問題。在新型站用電源系統引入清潔能源，比如風能、太陽能，并結合儲能系統，可更好地發揮其綜合效益。

冷卻風機、中央空調等在天氣炎熱的環境下耗電較大，可使用太陽能和風能替代此類能源。采用光伏發電與建筑物一體化的設計，不僅使建筑的外觀新穎、獨特，而且可提高建筑物的能源轉換率。如果光伏發電設備配備充分，則可實現變電站的“零損耗”。該項目還具備有效的儲能措施，可實現隨時充電、隨時用電，這對可再生能源的接入起到了基礎保障作用。

該項目通過分析變電站輔助設備的供電方式和狀態，結合新能源發電和“綠色照明”的要求，在變電站輔助設備系統中引入了光伏發電系統，并對原有的照明光源進行了LED光源優化改造，提出了新型高效、節能用電的解決方案，從節能、環保、經濟和實用等角度進行了探索，驗證了“綠色變電站”的可行性，力求為變電站提供高效、可靠、安全和經濟的供電環境。

〔編輯：張思楠〕

3.2 安裝支架設計

光伏組件的支架應能承受組件的質量。在設計支架時，應注意材料的選擇，并確定材料的強度。同時，還應充分考慮支架材料的彎曲強度、支撐臂的拉伸強度和地面不銹鋼固定螺栓的強度。此外，所有支架應采用熱鍍鋅，且在裸露部分噴涂防銹漆。負重整體式安裝支架如圖3所示。

3.3 逆變器設計

應選用產品型號為5000UE的5 kW并網逆變器。該逆變器的特點包括：①采用Infineon最新推出的高效率器件和先進的MPPTT自動跟蹤技術；②可提供RS232、RS485/UDB等多種通訊接口（可選）；③具有多語種的LCD顯示功能，方便用戶選擇；④可實現多臺逆變器的并聯運行；⑤具有過壓、孤島、短路、過載和過熱燈完善的保護功能；⑥外形設計美觀，體積小，重量輕；⑦具有直插式的輸入、輸出防水端子，方便安裝、維護。逆變器如圖4所示。

3.4 防雷接地系統設計

應采用外部防雷，即采用建筑霹雷帶引下線與接地系統共同構成的外部防雷系統。此外，還應進行內部防雷，防止雷電和其他內部過電壓侵入設備。因此，必須在電纜上安裝連接壁壘和過壓保護器，以防止雷電產生的高壓和浪涌電壓損壞設備。

應遵循“全方位防護、綜合治理、層層設防、尊重科學、從實際出發和因地制宜”的防雷原則。防雷工作不僅要重視防雷規范原則，還要具有一定靈活性。

為了保證光伏并網發電系統的安全、可靠，防止因雷擊、浪涌等外在因素導致系統器件損壞，必須配備系統的防雷接地裝置。

4 變電站“綠色照明”的基本要求

變電站“綠色照明”的范圍包括二次主設備室、辦公室、生活樓感應燈、生活樓常規燈、場地投光燈、高壓室、主設備室等的事故照明。

一期改造包括二次主控、繼電保護室；二期改造包括事故照明、辦公室、生活樓感應燈、生活樓常規燈、場地投光燈、高壓室照明和電纜室照明。

變電站是電網運行的重要組成部分之一，與公共照明相比，其具有以下特點：①變電站中的人員、車輛較少，對照度的要求較低；②因夜間巡檢的要求，夜間的照明時間較長；③變電站的地理位置偏僻，照明器具的損壞率高、維護困難；④平均水平面照度≥3 Lux，照度均勻度≥0.5；⑤限制眩光，對環境沒有污染；⑥供電安全、可靠，檢修安全、方便。

5 預期目標和經濟效益

5.1 節能減排效應

太陽能的儲量具有“無限性”，這就決定了開發利用太陽能將是人類解決常規能源匱乏、枯竭的有效途徑。該項目建成后，將對節約能源、改善大氣環境作出積極貢獻。

5.2 環境影響

光伏系統的發電原理是硅半導體材料的光電效應，項目所用的材料主要為鋁合金、結構鋼、鋼化玻璃、聚四氟乙烯、電纜和電氣控制設備。在項目的建造和日常運行中不會產生任何噪聲污染，且對施工人員和周圍環境沒有影響。

5.3 社會經濟效益分析

采用新型變電站輔助設備供電后，避免了因輔助負荷故障而導致的變電站電源系統故障，提高了供電的安全性和可靠性，節約了供電成本。

采用該項目可實現就地發電，能緩減當地用電高峰時段的電網壓力。政府正在制訂新的光電補助政策，在新政策實施后，投資回報期將大幅縮短。

太陽能光伏有著巨大的市場潛力。隨著社會的進步和經濟的持續發展，人類對能源的需求也會越來越大，太陽能光伏將被大規模地應用在城市中，這將是解決人類能源問題的重要方式之一。

6 結束語

為了實現可持續發展，人類在不斷地研究新型能源，以應對日益枯竭的傳統能源危機和環境污染問題。在新型站用電源系統引入清潔能源，比如風能、太陽能，并結合儲能系統，可更好地發揮其綜合效益。

冷卻風機、中央空調等在天氣炎熱的環境下耗電較大，可使用太陽能和風能替代此類能源。采用光伏發電與建筑物一體化的設計，不僅使建筑的外觀新穎、獨特，而且可提高建筑物的能源轉換率。如果光伏發電設備配備充分，則可實現變電站的“零損耗”。該項目還具備有效的儲能措施，可實現隨時充電、隨時用電，這對可再生能源的接入起到了基礎保障作用。

該項目通過分析變電站輔助設備的供電方式和狀態，結合新能源發電和“綠色照明”的要求，在變電站輔助設備系統中引入了光伏發電系統，并對原有的照明光源進行了LED光源優化改造，提出了新型高效、節能用電的解決方案，從節能、環保、經濟和實用等角度進行了探索，驗證了“綠色變電站”的可行性，力求為變電站提供高效、可靠、安全和經濟的供電環境。

〔編輯：張思楠〕