光伏微网在变电站站用电系统中的应用

张作鹏 顾 洁

（上海交通大学电力传输与功率交换控制教育部重点实验室，上海200240）

0 引言

光伏发电技术的日益成熟及其成本的下降，使光伏微网系统得到推广。目前市场上已有许多厂家可以提供成熟的光伏微网解决方案，光伏发电系统也已运用于许多工程中，如上海世博主题馆屋面的光伏发电系统［1］及大容量光伏发电并网项目［2］。上海目前的变电站多为独立建筑的室内变电站，变电站的屋面为平顶或坡顶。利用这些屋顶安装光伏发电系统，将光伏系统发出的电能接入变电站的站用电系统，能满足变电站的部分负荷需求，同时提高站用电系统的可靠性。对于供电公司来说，这样既能节省一定的变电站自身能耗，长远来看具有良好的经济效益；又能做到绿色环保，符合目前的发展趋势，创造良好的社会效益。这一设想已经将110 k V迪斯尼变电站作为试点在浦东供电公司投入使用。本文将介绍变电站光伏系统的组成及控制策略，估算其发电量及节能减排的效果，希望对光伏微网系统在今后变电站新建及改造工程中的推广使用起到一定的借鉴作用。

1 系统组成

下面将以上海地区典型的110 k V变电站为例，介绍如何利用变电站的屋面建设光伏系统供站内负荷使用。主要包括光伏系统容量的确定、系统主接线及主要设备的安装。

1.1 系统容量

以目前上海典型的110 k V变电站屋面为例，其平顶能够安装太阳能电池板的面积约为500 m2。目前主流使用的太阳能多晶硅电池板长约1.65 m，宽1 m。去除所需的巡视维护通道，约可以安装100块电池板。每块电池板的功率为245 Wp，系统的总功率为24.5 k Wp。逆变器的转换效率约为90%，故光伏系统实际容量约为22 k Wp。光伏系统的发电高峰时间在10：00—15：00之间，根据统计，此时的变电站正常负荷约在10～15 k W（夏季空调负荷不考虑），因此光伏发电系统略有盈余，可以配置储能系统储存多余电量，在系统发电量不足时补充站用电负荷。由于光伏发电出力不稳定，储能系统容量不宜过大，故选择30 k W·h。

1.2 电气主接线

目前新建设的变电站站用电系统均采用交直流一体化电源系统，多采用2台站用变压器进线经过ATS切换后接入站用电交流母线的单母线接线形式。加入微网后，如图1接线，Ⅰ母为交直流一体化电源系统交流柜380 V母线，Ⅱ母为微网接入柜的380 V母线，2条母线间设置分段开关。站内照明动力电源接入微网母线。站内的重要负荷，比如直流系统和UPS从2条母线各引一路进线，通过ATS切换后进行供电，进一步提高其供电可靠性。光伏微网发电系统按照最大功率跟踪模式进行工作，即当光伏发电量小于负荷用电量时，与储能系统和站用变一同给站内负荷供电；当光伏发电量大于用电负荷时，给储能装置充电。系统接线图如图1所示。

图1 系统接线图

1.3 系统安装

由于采用动态跟踪方式造价高昂，同时屋面也不能承载大型跟踪系统，在工程实践中普遍采用固定式支架安装多晶硅太阳能电池板。根据上海地区气象条件进行分析，光伏组件在上海地区的最佳安装角度为26°，这个角度能够最大限度地利用太阳能。在屋面光伏整列布置时，需避开屋面女儿墙的阴影区域，前后两排的平均间距约为1.5 m，以保证全年9：00—15：00（真太阳时）时间段内前后组件互不遮挡。光伏阵列中间区域间隔1 m，预留人员行走及电缆敷设通道。经布置计算可以安装100块多晶硅电池板，组件每20块为一串，共计5串串入一台25 k W小型逆变器。

2 微网控制策略

正常情况下，1号站用变给交直流一体化电源系统交流380 VⅠ母供电，主要为站内重要负荷；2号站用变给交流380 VⅡ母即微网接入柜供电，主要包括站内照明动力电源、储能系统等。

当1号站用变失电、2号站用变正常时，运行于Ⅰ母上的重要负荷靠ATS开关切换到Ⅱ母，挂在Ⅱ母的逆变器和储能装置工作模式没有变化，光伏逆变器和储能变流器继续工作在有功—无功（PQ）模式。如1号站用变失电是由其10 k V侧母线失电引起，10 k V自切动作，则1号站用变10 k V侧恢复供电，所有原Ⅰ母所带负荷由Ⅱ母经ATS切换回Ⅰ母，恢复正常供电。

当2号站用变失电时，接于Ⅱ母的一些非重要负荷、光伏逆变器和储能装置因为母线失电而暂时退出。此时，如果2号站用变10 k V侧通过自切切换到1号站用变所在的10 k V母线，监控系统通过检测并网点站用变侧“有压和开关位置”联合条件，判断出有电，储能装置和光伏逆变器投入运行，都工作在PQ模式，恢复正常供电。若监控系统通过检测并网点站用变侧“有压和开关位置”联合条件，判断出无电，微网进入孤岛模式，工作模式由PQ切换为电压—频率（V／f）模式，切换完成后主电源建立，负荷陆续投入运行；当2号站用变恢复供电时，通过检测联合条件，判断出有电，此时将Ⅱ母上的储能变流器和光伏逆变器退出，切换回PQ模式，再将储能变流器和光伏逆变器重新投入，恢复正常供电。

1号和2号站用变都失电，挂在2段母线的负荷短暂失电，微网进入孤岛模式，切换为V／f工作模式，主电源建立。Ⅰ母负荷通过ATS自动切换至Ⅱ母供电。当上级电源恢复供电，站用变充电完毕后，先投入1号站用电进线开关，站用电Ⅰ母带电，重要负荷经ATS开关切回Ⅰ母。微网由V／f模式转回PQ模式，供电恢复正常。

当微网处于孤岛运行模式时，要切掉不重要的负荷，包括检修电源、插座电源、空调电源等，优先保证直流系统和UPS电源。当1号或2号站用变检修时，可以手动合上380 V母线的分段开关，由一台站用变和微网共同维持供电。

3 效益分析

本系统的光伏组件发电容量在22 k Wp，考虑光照强度、安装方位角、线路损失等因素，系统的平均输出功率在20 k Wp左右。根据气象资料，上海地区的年平均日照时间在1 900 h左右。故系统的年发电量为20 k Wp×1 900 h＝3.8万k W·h。以1 kg标准煤可以生产3 k W·h电能计算，系统每年可以节约燃煤约12.7 t。每吨标准煤约排放2.6 t二氧化碳，则全年可以减排二氧化碳约33 t。随着光伏系统的造价越来越低，其经济效益和社会效益将日益显著。

4 结语

在能源日益紧张的当今社会，发展绿色能源已经得到全社会的广泛认同，光伏这一最适合城市使用的绿色能源应当得到推广。前面分析一座110 k V变电站的微网系统每年就可以减排二氧化碳33 t，如果全上海的变电站均配备光伏微网系统，全年可以节约的燃煤和减排的二氧化碳数量是相当可观的。目前使用光伏发电的变电站很少，在今后的变电站建设和改造过程中，应当大力推广光伏微网系统。

［1］包顺强，陈水顺，武攀，等.上海世博会主题馆光伏发电系统［J］.建筑电气，2010（6）：29～33

［2］陈林璞，万志刚，曹二营.安阳市1 MW太阳能并网光伏电站示范项目方案设计［J］.阳光能源，2009（5）：66～68