在變電站直流系統(tǒng)的應(yīng)用探究

金士杰 王臻

摘要：本文介紹了變電站直流系統(tǒng)的特性，分析了光伏太陽能應(yīng)用于變電站直流系統(tǒng)的重要意義。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)變電站光伏直流系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了闡述，并圍繞光伏控制器、光伏回路與充電機(jī)回路之間的切換、蓄電池的充電設(shè)計(jì)方案三個(gè)方面，對(duì)光伏太陽能在變電站直流系統(tǒng)中的具體應(yīng)用進(jìn)行了闡述，供參考。

關(guān)鍵詞：光伏太陽能;變電站;直流系統(tǒng)

引言：光伏太陽能系統(tǒng)又稱為“光生伏特”，是指利用光伏半導(dǎo)體材料的光生伏打效應(yīng)，進(jìn)而將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能的發(fā)電系統(tǒng)，其核心組件為太陽能電池板[1]。隨著“碳排放”逐漸成為熱門詞匯，在不久的將來，以風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電為代表的清潔能源發(fā)電形式將逐步取代火力發(fā)電，故探究光伏太陽能在變電站直流系統(tǒng)中的應(yīng)用存在現(xiàn)時(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義，必須予以重視。

1.變電站直流系統(tǒng)的特性分析

直流系統(tǒng)是發(fā)電廠變電站整體運(yùn)行系統(tǒng)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，實(shí)質(zhì)是一種電源設(shè)備，主要為各類變電站和其他使用直流設(shè)備的用戶，為給信號(hào)設(shè)備、保護(hù)、自動(dòng)裝置、事故照明、應(yīng)急電源以及斷路器的分閘、合閘操作提供直流電源[2]。直流系統(tǒng)不受發(fā)電廠發(fā)電機(jī)、廠用電、系統(tǒng)整體運(yùn)行方式的影響，具有獨(dú)立性，且能夠在外部交流電因多種原因暫時(shí)中斷的情況下，保證后備電源（一般為蓄電池）能夠繼續(xù)向直流設(shè)備提供電能。因此，直流屏自身的性能在很大程度上直接決定發(fā)電廠電力系統(tǒng)的電能供應(yīng)是否具備可靠性和安全性。通常情況下，發(fā)電廠變電站直流系統(tǒng)的命名方式以電池容量進(jìn)行標(biāo)稱，以65AH為例，常用的名稱為GZDW-65AH。在現(xiàn)代社會(huì)中，變電站直流系統(tǒng)作為常規(guī)交流供電系統(tǒng)的補(bǔ)充，且廣泛應(yīng)用于通信部門、計(jì)算機(jī)房、醫(yī)院、礦井、賓館、高層建筑等，作為可靠的應(yīng)急電源，直流系統(tǒng)的用途十分廣泛。

近年來，歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家提出了“碳排放”的概念。盡管其本質(zhì)是“醉翁之意不在酒”，更多的是希望遏制中國(guó)的發(fā)展，但我國(guó)政府本著為全人類負(fù)責(zé)的態(tài)度，正在積極探索清潔能源大規(guī)模應(yīng)用的可行性。其中，太陽能是一種可再生清潔能源，若能充分利用國(guó)內(nèi)某些區(qū)域充盈的光照條件，再結(jié)合風(fēng)力、水力以及核能發(fā)電，未必不能全面取代傳統(tǒng)的火力發(fā)電。而將太陽能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于變電站直流系統(tǒng)時(shí)，需結(jié)合二者的特性，同時(shí)保證安全性和發(fā)電效率。

2.光伏太陽能系統(tǒng)在變電站直流系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1變電站光伏直流系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)析

構(gòu)成變電站光伏直流系統(tǒng)的核心設(shè)備及重要元器件為光伏組件陣列（即太陽能電池板，用于吸收太陽能并利用光伏半導(dǎo)體材料的光生伏打效應(yīng)，完成將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能的作業(yè)）、光伏控制器（用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，控制多路太陽能電池方陣，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，并對(duì)蓄電池向太陽能逆變器負(fù)載供電的過程進(jìn)行自動(dòng)控制）、繼電器（電路出現(xiàn)故障時(shí)，根據(jù)自動(dòng)控制預(yù)先設(shè)置好的控制程序，對(duì)局部故障電路或設(shè)備進(jìn)行切斷，避免故障波及范圍進(jìn)一步擴(kuò)大）、交流電源輸入、充電機(jī)、降壓模塊、蓄電池組、控母電源等。此外，還包含旁路開關(guān)、防反充二極管、充電開關(guān)等。

具體而言：第一，光伏組件陣列與光伏控制器直接相連;第二，在光伏控制器以下，分設(shè)兩條線路（相互之間是并聯(lián)關(guān)系）：①直接與變電站直流系統(tǒng)的蓄電池組相連，光伏控制器與蓄電池組之間設(shè)置充電開關(guān);②與繼電器相連。第三，繼電器與交流電源輸入模塊、充電機(jī)之間串聯(lián)。第四，充電機(jī)之下連接降壓模塊（蓄電池組同樣與該模塊相連）。第五，降壓模塊另一端分設(shè)兩個(gè)控母電源。

按照上述設(shè)置，變電站光伏直流系統(tǒng)的運(yùn)行原理為：若太陽能電池組件輸出電壓尚處于直流系統(tǒng)電壓要求范圍內(nèi)時(shí)，充電機(jī)輸入端自帶的交流接觸器會(huì)在光伏控制器的作用下，處于斷開狀態(tài)。此時(shí)，變電站直流系統(tǒng)的電能來源由光伏電源直接負(fù)責(zé);若太陽能電池組的輸出電壓明顯偏離直流系統(tǒng)對(duì)電壓的常規(guī)需求時(shí)，光伏控制器的輸出狀態(tài)的即刻中斷，并會(huì)控制充電機(jī)輸入端的交流接觸器進(jìn)入閉合狀態(tài)。此時(shí)，變電站直流系統(tǒng)的供電由充電機(jī)負(fù)責(zé)?？傮w而言，光伏控制器、充電機(jī)的切換、交替工作由自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控運(yùn)行。

2.2變電站光伏直流系統(tǒng)工作原理的實(shí)現(xiàn)方式

2.2.1核心組件——光伏控制器的設(shè)計(jì)與研發(fā)

根據(jù)上文所述的變電站光伏直流系統(tǒng)工作原理可知，除了必不可少的太陽能光伏組件陣列之外，光伏控制器是核心設(shè)備。該設(shè)備的運(yùn)行原理為：采用高速中央處理器以及精度極高的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)系統(tǒng)中主要設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，既能夠?qū)崟r(shí)采集光伏系統(tǒng)當(dāng)前的工況，又能夠立刻獲得PV站的工作信息，進(jìn)而詳細(xì)積累PV站的歷史數(shù)據(jù)，最終目的在于，為不斷提高PV系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性提供依據(jù)。不僅如此，光伏控制器還應(yīng)具備串行通信功能，用于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，并對(duì)多個(gè)光伏系統(tǒng)子站進(jìn)行集中管理及遠(yuǎn)距離控制。光伏控制器的構(gòu)成并不復(fù)雜，一般由單片機(jī)電路、開關(guān)電源電路、液晶驅(qū)動(dòng)顯示電路、時(shí)鐘電路、重點(diǎn)開關(guān)電路、鍵盤結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路等組成。其中，單片機(jī)自帶I/O口（兼容性較高），與其他功能組件、電路相連后即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳遞。而A/D轉(zhuǎn)換輸入口能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)蓄電池、光伏電路的采樣測(cè)量?？傮w而言，光伏控制器的實(shí)質(zhì)是基于單片機(jī)設(shè)計(jì)而成的小型控制單元，整體負(fù)責(zé)對(duì)變電站光伏直流系統(tǒng)運(yùn)行工況的監(jiān)督、控制。

2.2.2光伏回路與充電機(jī)回路之間的切換

上文提到，在變電站光伏直流系統(tǒng)中同時(shí)設(shè)有兩類回路，分別對(duì)應(yīng)不同的情況，目的在于：無論發(fā)生何種情況，變電站光伏直流系統(tǒng)的供電均不會(huì)受到影響。比如某變電站光伏直流系統(tǒng)內(nèi)，蓄電池組的額定電壓為200V，預(yù)設(shè)的充電機(jī)關(guān)斷電壓為210V，充電機(jī)啟動(dòng)電壓為195V（注：上述數(shù)據(jù)均為了更加清晰地說明而隨意設(shè)置，并不具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值）。系統(tǒng)運(yùn)行期間，光伏控制器通過對(duì)各設(shè)備回傳的參數(shù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，蓄電池組端的電壓已經(jīng)達(dá)到或超過210V，則其內(nèi)的備用電源控制點(diǎn)會(huì)迅速“動(dòng)作”——向繼電器發(fā)送一個(gè)“關(guān)斷”的信號(hào)（命令）。繼電器收到之后會(huì)迅速“跳閘”，造成的結(jié)果是，控制充電器輸入端的交流接觸器會(huì)進(jìn)入斷開狀態(tài)，而充電機(jī)在缺少電能支撐的狀態(tài)下，會(huì)迅速關(guān)機(jī)。而在此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換成由光伏回路向直流系統(tǒng)供電。而若控制器檢測(cè)到蓄電池組端的電壓達(dá)到或低于195V時(shí)，說明蓄電池內(nèi)的剩余電量不足，故需使充電機(jī)開機(jī)，由其負(fù)責(zé)為直流系統(tǒng)供電。

2.2.3蓄電池充電控制的設(shè)計(jì)方案

針對(duì)變電站光伏直流系統(tǒng)蓄電池進(jìn)行控制設(shè)計(jì)時(shí)，常規(guī)采用6路設(shè)計(jì)模式，即3條正常運(yùn)轉(zhuǎn)，另外3條處于備用狀態(tài)，且還可以用于系統(tǒng)擴(kuò)容。仍然借用上文列舉的數(shù)據(jù)進(jìn)行說明。其中，蓄電池第1路的過充電壓必須超過光伏控制器檢測(cè)最高臨界值，即必須超過210V，可設(shè)置為220V，第2路、第三路的過充電壓則應(yīng)低于檢測(cè)臨界值，但不能低于蓄電池檢測(cè)最低臨界值，即應(yīng)控制在200V以下、195V以上，且第2路應(yīng)略高于第三路，可分別設(shè)置為198V和196V。如此一來，當(dāng)蓄電池組電壓低于196V時(shí)，3條線路同時(shí)充電，若處于196～198V之間時(shí)，則第3路停止充電，第1、第2兩條路充電;若電壓超過198V但低于220V，則第2條線路停止充電，只剩余第1條線路充電。此種蓄電池充電方法被稱為“階梯式逐級(jí)限流充電法”，合理性十足。

結(jié)語：綜合而言，光伏太陽能發(fā)電技術(shù)擁有廣泛的應(yīng)用前景，應(yīng)用于變電站直流系統(tǒng)時(shí)，需要結(jié)合光伏太陽能發(fā)電模式的特性，并重點(diǎn)針對(duì)光伏控制器、充電機(jī)切換、蓄電池充電模式等進(jìn)行良好設(shè)計(jì)，可保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳沖紅.論變電站直流系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)核心探尋[J].城鎮(zhèn)建設(shè)，2021（1）：321. DOI：10.12254/j.issn.2096-6539.2021.01.260.

[2]劉方明.變電站直流系統(tǒng)接地故障分析及處理措施[J].科學(xué)咨詢，2021（29）：101.