太阳能一体化预装式变电站

贾文卓

摘 要：在智能电网中，配电自动化设备多种多样，需要的电源也不尽相同。因此，文章将太阳能装置与变电站结合，制造出一种可为变电站内部配网设备提供多种电源的一体化预装式变电站，实现了自给自足。

关键词：太阳能；一体化预装式变电站；光伏瓦

引言

目前发展绿色能源已成为世界的主流。我国政府也在大力推广和扶植太阳能的开发利用。国家电网公司已推出了接纳清洁能源发电上网的政策。近几年太阳能发电站的数量和产能在逐年增加。随着智能配网自动化建设的大力发展，配电自动化设备得到了广泛的应用，现有市场上自动化设备种类繁多，有的需要交流供电，有的需要直流供电，直流供电又分为不同电压等级。普通电源系统难以全部满足，并且现有预装式变电站中设备所需的直流电源只能外接电源，变电站本身不能提供。

本文涉及到的预装式变电站地理位置位于天津（经度：东经117°34′；纬度：北纬39°59′；海拔：13米）。据统计，每年的太阳辐射总量达到1693.60kWh/m2，峰值日照时数4.64h，适合应用太阳能发电。

1 外部结构设计

现有电网中大多是在电站，住宅等建筑基础上另行安装太阳能发电系统，该系统在屋顶架设的太阳能板都是以铝合金等材料为边框，以钢材为安装支架，工艺复杂，材料消耗量大，不仅占用很大空间，而且由于采用焊接工艺施工还会产生防水等相关问题。因此我们采用光伏陶瓷瓦作为建筑材料，将其与预装式变电站屋顶结合在一起，形成一体化结构，既施工简便，又能使建筑外观保持原有的风格。预装式变电站屋顶尺寸：3350*5350mm（宽*长）。

1.1 所需材料

1.1.1 主要材料

（1）单晶硅光伏陶瓷瓦（以下简称光伏瓦）：尺寸：440×330×45mm；重量：2.75kg；标称功率：8W；最佳工作电压：1.042V；最佳工作电流：7.78A；工作环境温度：-40℃～+80℃。（2）配套瓦：尺寸与光伏瓦相同的普通陶瓷瓦片。（3）屋脊瓦：安装在屋脊处的拱形瓦片。

1.1.2 辅助材料

（1）顺水条：防潮防腐木条，18根30*20*1650mm（宽*高*长）。（2）挂瓦条：防潮防腐木条，8根30*20*5350mm，2根30*40*5350mm。（3）水泥钢钉若干：规格3.5*60mm、4*60mm。（4）屋脊瓦固定木条：防潮防腐木条，2根20*20*5350mm。

1.2 屋顶主体结构及安装

1.2.1 屋顶主体结构。在人字形屋顶的两个斜面上间隔固定多根顺水条和挂瓦条，顺水条与屋脊垂直，挂瓦条与屋脊平行，将光伏瓦按照屋顶瓦片的安装工艺分别固定在挂瓦条上，相邻光伏瓦之间形成右压左，上压下的搭接方式，并施以串并联连接。提高了受光面积，减小朝向对太阳能吸收的影响，使得太阳能转化量最大化。见图1所示。

图1 光伏瓦屋顶外形

1.2.2 安裝方法。光伏瓦屋顶的安装：屋面放线→安装顺水条→安装挂瓦条→安装光伏瓦（并接线）、配套瓦→安装屋脊瓦→石膏收口→检查验收

1.2.3 施工步骤。（1）屋面放线：确保屋顶表面平整。垂直于屋面檐口，每隔间距500mm划出顺水条位置线。从屋檐往上量出30mm，划出一条平行于檐口边的平行线，确定第一排挂瓦条的位置。最后一排挂瓦条距屋脊线20mm。其余挂瓦条位置间距为375mm。（2）顺水条安装：采用3.5×60mm水泥钢钉，按墨线位置将顺水条固定在屋面上，所有固定顺水条的钉子间距为500mm。（3）挂瓦条安装：挂瓦条采用3.5*60mm水泥钢钉固定在顺水条上。挂瓦条与每根顺水条相交处都应用钉子固定。钢钉进入水泥层不小于20mm。从屋檐开始依次向上安装挂瓦条。钉挂瓦条时，要随时校核挂瓦条间距尺寸的一致。挂瓦条应钉平整、牢固，上棱应成一直线。檐口第一排挂瓦条为30*40mm，其余挂瓦条尺寸为30*20mm。（4）光伏瓦安装：安装顺序：自下而上，从左至右；铺瓦过程中，以屋面的横向长度来分摊主瓦的有效宽度。终端需调节成半片瓦的宽度，以便安装配套瓦；每片瓦必须紧扣挂瓦条，并用一枚4×60mm钢钉固定。坡面上方的瓦覆盖在坡面下方瓦上，上下排瓦的搭扣长度为35-60mm（即上一排瓦片的档雨檐将下一排瓦的钉孔盖住）；每片光伏瓦背面都有一对正负极防水插头，进行串联连接时，前一个组件的“+”极插头要连接下一个组件的“-”极插头。（5）配套瓦安装：依据已铺设好的光伏瓦安装样式，铺设配套瓦，必要时可将配套瓦切开，使屋顶两边瓦片对称。其安装方法与光伏瓦相同。（6）屋脊瓦安装：在屋脊相邻两侧光伏瓦的上面陶瓷部分各安装一根脊瓦固定木条，安装方法同挂瓦条。依次将脊瓦架在两根木条上，用3.5*60mm水泥钢钉固定。由脊瓦封头开始按脊瓦自身的搭接，相互咬合搭接，并铺至末端的脊瓦封头，脊瓦搭接长度≥35mm。（7）石膏勾缝：所有屋脊与光伏瓦搭接的部位，凡是有缝隙的地方，用石膏掺入适量砖红色颜料和专用胶水，混兑成色浆，涂刷在表面。（8）清理屋面：瓦片安装完毕后，要进行一次全面的检查清理工作，将安装过程中遗留在屋面的碎屑、废渣清除干净；同时修补校正瓦片；特别是有石膏的部位，必要时要用清水仔细清洗被污染的瓦面；再用干净纱布将水迹轻轻擦干，不能用硬物或腐蚀性溶剂冲洗、擦拭。

2 内部结构设计

在原有的预装式变电站基础上增加一个隔室，内部放置太阳能发电系统。因此变电站包括四个室：低压室、高压室、变压器室和太阳能控制室。变电站中的用电设备均可采用太阳能发电系统供电，并且可为多种负载提供电源。见图2所示。

太阳能控制室包括：DC-AC逆变器、蓄电池、DC-DC直流输出控制器及微型断路器等。逆变器和直流输出控制器，是整个系统的核心控制部件，具有过电压、欠电压、短路保护等功能。通过变电站屋顶光伏瓦收集的太阳能一部分输入到逆变器中，经过逆变输出交流220V，50Hz的电压。另外一部分太阳能通过逆变器控制储存在蓄电池中，再经过DC-DC直流输出控制器分别输出直流12V、24V和48V电压。

2.1 逆变器

逆变器直流电压输入范围：DC40V-DC62V；输出电压AC220V±10%；充电电池电压：DC48V。尺寸：490mm*235mm*420mm。

将逆变器平放于控制室内的地面上，附近50cm内不得有障碍物。

2.2 蓄电池

本系统采用4块12V250AH的免维护铅酸蓄电池，建议埋在地下。四块电池串联连接。电池之间的连线必须用螺栓压在电池的接线柱上并用垫片以增强导电性。

2.3 直流输出控制器

直流输出控制器具有短路、过载、防反接保护、过放自动关断、恢复等全功能保护措施，保证蓄电池工作在最佳状态。

直流输出控制器和微型断路器可共同安装在开关箱内，开关箱在控制室内部墙体上选择合适的位置做紧固连接。开关箱进线采用上进线方式，光伏瓦的进线通过顶部预留孔进入控制室开关箱内，接于微型断路器上。

全部接线经检查无误后，先闭合太阳能输入开关，开始向蓄电池充电，检测并确认各参数的正确性；闭合交流负载控制开关，由系统向负载供电，再闭合蓄电池开关、直流负载开关，检测直流输出情况是否达到设计工作要求，带载试运行1小时后，检测系统各部位有无异常现象。

3 太阳能发电系统

3.1 技术参数

3.1.1 直流输出部分

（1）输出电压标称值：DC48V，容差为-20%-+15%。（2）额定输出电流：1.7A，额定功率：80W。（3）最大输出电流：8.3A，最大功率：400W；最大冲击电流：20A，尖峰功率：960W（<0.2s）。（4）满足高压开关分合闸电机驱动，包括防卡电路。（5）在无任何能源输入的条件下，保证直流负载连续工作72小时，并且满足环网柜高压开关分合闸操作不小于12次。单次电动操作持续时间满足10s。

3.1.2 交流输出部分

（1）输出电压：AC220V±10%。（2）输出频率：50Hz±0.5Hz。（3）额定功率：2000W。

3.2 接线说明

光伏瓦的正负极输出端子与逆变器的输入端相连；蓄电池的正负极端子分别与逆变器的正负极输出端和直流稳压电源的输入端连接；交流负载与逆变器的输出端相连；不同电压等级的直流负载与直流稳压电源的输出端连接。见图3所示。

3.3 工作流程

当光照强度达到光伏瓦可输出电压值时，逆变器控制太阳能首先向蓄电池充电。当太阳能足够且蓄电池电压较高时，太阳能直接转换对负载供电，同时对蓄电池充电；当太阳能不足时自动转换为太阳能协同蓄电池对负载供电。同时本系统对蓄电池设定低压保护限值，当蓄电池电压降低到保护值时，交流电对其充电，防止其欠压。当蓄电池完全充满后，逆变器充满指示灯亮（同理，当蓄电池放电截止后，过放关断指示灯亮）。

4 結束语

本太阳能一体化预装式变电站结构简单，功能强大，既节省占地面积又节能环保，可大量应用在智能电网建设中。

参考文献

[1]尹静.光伏并网逆变器的研究及可靠性分析[D].山东大学，2009.

[2]黄汉云.太阳能光伏发电应用原理[M].化学工业出版社，2009，3.

[3]罗玉峰，陈裕先，李玲.太阳能光伏发电技术[M].江西高校出版社，2009.