绿色能源在变电站辅助系统的应用实践

杨忠亮+周潮+岑凯辛

摘 要：通过结合具体项目，介绍了光伏绿色能源在变电站辅助系统中的应用，分析了“绿色照明”在变电站中的应用要求，并提出了需要进一步研究和应用的课题。

关键词：绿色能源；站用辅助系统；智能变电站；光伏发电系统

中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）20-0027-03

能源始终是被世界各国关注的热点和难点问题之一。随着化石能源的日渐枯竭，无污染、可持续的新型能源受到了世界各国的重视。其中，太阳能光伏发电受到了我国政府的大力扶持。政府简化了并网流程，为分布式光伏发电并网铺平了道路。太阳能作为取之不尽、用之不竭的新型能源，给我国社会带来了较高的经济效益和社会效益，为我国社会的可持续发展作出了一定的贡献。

变电站所使用的能源会直接影响其安全。近年来，常发生因生活负荷过大而导致变电站站用变中压侧跳闸，进而造成变电站交流失电。经调查发现，该现象的主要原因是没有合理利用变电保护，进而无法及时隔离故障，导致在保护越级动作跳闸后，因380 V备自投切换而使事故范围进一步扩大。

太阳能光伏发电等分布式能源的发展为在开关失效的情况下控制事故范围提供了可能性。在变电站中，可以将生活负荷与生产负荷分离，并由分布式能源提供生活负荷，从而构成站用电微网系统。在此情况下，即使生活负荷出现问题，也不会影响到生产负荷。

“绿色照明”是我国十大重点节能工程之一，其具有经济效益高、生态效益好等优点，是人类文明进步的标志。在我国的“十二五”规划纲要中也提出了“加快建设资源节约型、环境友好型社会”的要求，并以提高生态文明水平、实现节能减排为目标。推行终端节电技术是改善电力负荷紧张状况的主要途径。按照国家节能减排政策的要求，应大力推广、建设绿色电网，且对变电站照明系统的设计、照明灯具的选用等方面等提出相关要求，以使变电站的照明情况更符合“简单可靠、节能环保”的照明理念。

因此，我们在110 kV变电站辅助系统中开展了绿色能源的应用实践，对节能减排、建设绿色电网和提高站用电源的可靠性进行了探索。

1 太阳能并网发电原理

太阳能光伏并网发电是无污染、无噪声、不耗费化石能源、应用前景最广阔的太阳能利用方式之一。发电的原理和流程如图1所示。

并网发电系统一般由太阳能电池组件、并网逆变器、数据采集系统、数据交换、运行显示和监控设备等组成。

并网发电方式是将太阳能电池阵列发出的直流电通过逆变器转变成交流电能并输送到电网中。相较而言，并网发电的成本较低且无污染。并网发电系统采用的并网逆变器具备自动相位和电压跟踪装置，可与电网的微小相位和电压波动完美配合，且不会对电网造成影响。

根据光伏系统是否通过供电区的变压器向高压电网送电，并网发电可分为可逆流并网和不可逆流并网2种方式；根据并网接入点的不同，可分为用户低压侧并网（主要为自用）和升压后接入并网（可上网售电）。

2 发电系统的要求

2.1 太阳能电池组件和逆变器的要求

2.1.1 太阳能电池组件

太阳能电池组件应采用晶体硅，转换效率>14%，采用无螺钉紧固铝合金边框、高透光率钢化玻璃封装和密封防水接线盒，且上述组件应通过IEC和GB的认证。

2.1.2 逆变器

逆变器应采用最大功率的跟踪技术，并自带太阳能电池方阵的电压、电流，逆变器输出的电压、电流、功率、累积发电量、运行状态和异常报警等电气状态的显示单元。同时，应具备标准的通信接口，以实现远程监控，且转换效率≥95%.

2.2 控制和传输线缆要求

控制和传输线缆的要求有以下4点：①太阳能组件的电缆应采用光伏专用的双绝缘阻燃镀锡铜芯电缆，交流输出供电电缆应采用具有耐火、阻燃特性的铜芯电缆。②配线线槽的布置要美观，与建筑协调一致，且注意布线隐蔽。各方阵的线缆均应便于连接，并具有足够的强度，连接线缆的附件应具备防水、抗老化的功能。③系统配线应符合电力配线的安装标准，所有线缆的连接部位都应具有方便的入口，以便于线缆日常的维护和更换。④配线槽应采用金属线槽，且线槽壁厚≥0.8 mm。此外，在安装太阳能电池组件与线槽防雷、整个建筑的防雷接地时，应综合考虑其间的配合问题。

2.3 电能的应用形式

电能的应用形式有以下2种：①并网发电供电形式。该形式的发电系统由太阳能光伏组件、控制装置、传输线缆、附件、逆变器和控制保护单元等组成。②光伏系统与电网系统并联形式。在该形式中，白天利用太阳能发电，并将由光能转化的电能供至供电系统的相关用电负荷，以备实时消耗。

2.4 系统的主要参数和指标

系统的主要参数和指标为：①安装总容量为4.8 kWp；②太阳能光伏板合理排布后的占地面积应适于安装在屋顶；③根据所选逆变器设定直流系统的电压；④交流输出的电压范围为AC 230/400 V±5%；⑤交流输出的频率范围为（50±0.5） Hz。⑥在额定输出时，系统效率不低于90%.

2.5 防雷接地要求

在设计组件时，应安装防雷接地装置，避免因雷电引起的“浪涌”效应。光伏发电站的防雷接地装置分为直流侧太阳能电池板的防浪涌保护系统和安装框架结构的防雷接地系统。

3 系统方案设计

3.1 组件设计

该项目的安装容量为4.8 kWp，适用于该变电站的屋顶。使用20块240 W多晶组件，并全部串联，使MPPT组串电压达到600 V，峰值输出功率达到4 800 W。本光伏组件产品获得了IEC61215、IEC61730、金太阳、TUV和UL的认证。

该项目的组件倾角安装于屋顶，均布载荷在50 kg/m2以下。组件平铺后的年平均接收太阳辐射量为1 460 kW·h/m2，日均有效时长为 4.02 h。组件外形和封装尺寸如图2所示。

3.2 安装支架设计

光伏组件的支架应能承受组件的质量。在设计支架时，应注意材料的选择，并确定材料的强度。同时，还应充分考虑支架材料的弯曲强度、支撑臂的拉伸强度和地面不锈钢固定螺栓的强度。此外，所有支架应采用热镀锌，且在裸露部分喷涂防锈漆。负重整体式安装支架如图3所示。

3.3 逆变器设计

应选用产品型号为5000UE的5 kW并网逆变器。该逆变器的特点包括：①采用Infineon最新推出的高效率器件和先进的MPPTT自动跟踪技术；②可提供RS232、RS485/UDB等多种通讯接口（可选）；③具有多语种的LCD显示功能，方便用户选择；④可实现多台逆变器的并联运行；⑤具有过压、孤岛、短路、过载和过热灯完善的保护功能；⑥外形设计美观，体积小，重量轻；⑦具有直插式的输入、输出防水端子，方便安装、维护。逆变器如图4所示。

3.4 防雷接地系统设计

应采用外部防雷，即采用建筑霹雷带引下线与接地系统共同构成的外部防雷系统。此外，还应进行内部防雷，防止雷电和其他内部过电压侵入设备。因此，必须在电缆上安装连接壁垒和过压保护器，以防止雷电产生的高压和浪涌电压损坏设备。

应遵循“全方位防护、综合治理、层层设防、尊重科学、从实际出发和因地制宜”的防雷原则。防雷工作不仅要重视防雷规范原则，还要具有一定灵活性。

为了保证光伏并网发电系统的安全、可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件损坏，必须配备系统的防雷接地装置。

4 变电站“绿色照明”的基本要求

变电站“绿色照明”的范围包括二次主设备室、办公室、生活楼感应灯、生活楼常规灯、场地投光灯、高压室、主设备室等的事故照明。

一期改造包括二次主控、继电保护室；二期改造包括事故照明、办公室、生活楼感应灯、生活楼常规灯、场地投光灯、高压室照明和电缆室照明。

变电站是电网运行的重要组成部分之一，与公共照明相比，其具有以下特点：①变电站中的人员、车辆较少，对照度的要求较低；②因夜间巡检的要求，夜间的照明时间较长；③变电站的地理位置偏僻，照明器具的损坏率高、维护困难；④平均水平面照度≥3 Lux，照度均匀度≥0.5；⑤限制眩光，对环境没有污染；⑥供电安全、可靠，检修安全、方便。

5 预期目标和经济效益

5.1 节能减排效应

太阳能的储量具有“无限性”，这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的有效途径。该项目建成后，将对节约能源、改善大气环境作出积极贡献。

5.2 环境影响

光伏系统的发电原理是硅半导体材料的光电效应，项目所用的材料主要为铝合金、结构钢、钢化玻璃、聚四氟乙烯、电缆和电气控制设备。在项目的建造和日常运行中不会产生任何噪声污染，且对施工人员和周围环境没有影响。

5.3 社会经济效益分析

采用新型变电站辅助设备供电后，避免了因辅助负荷故障而导致的变电站电源系统故障，提高了供电的安全性和可靠性，节约了供电成本。

采用该项目可实现就地发电，能缓减当地用电高峰时段的电网压力。政府正在制订新的光电补助政策，在新政策实施后，投资回报期将大幅缩短。

太阳能光伏有着巨大的市场潜力。随着社会的进步和经济的持续发展，人类对能源的需求也会越来越大，太阳能光伏将被大规模地应用在城市中，这将是解决人类能源问题的重要方式之一。

6 结束语

为了实现可持续发展，人类在不断地研究新型能源，以应对日益枯竭的传统能源危机和环境污染问题。在新型站用电源系统引入清洁能源，比如风能、太阳能，并结合储能系统，可更好地发挥其综合效益。

冷却风机、中央空调等在天气炎热的环境下耗电较大，可使用太阳能和风能替代此类能源。采用光伏发电与建筑物一体化的设计，不仅使建筑的外观新颖、独特，而且可提高建筑物的能源转换率。如果光伏发电设备配备充分，则可实现变电站的“零损耗”。该项目还具备有效的储能措施，可实现随时充电、随时用电，这对可再生能源的接入起到了基础保障作用。

该项目通过分析变电站辅助设备的供电方式和状态，结合新能源发电和“绿色照明”的要求，在变电站辅助设备系统中引入了光伏发电系统，并对原有的照明光源进行了LED光源优化改造，提出了新型高效、节能用电的解决方案，从节能、环保、经济和实用等角度进行了探索，验证了“绿色变电站”的可行性，力求为变电站提供高效、可靠、安全和经济的供电环境。

〔编辑：张思楠〕

3.2 安装支架设计

光伏组件的支架应能承受组件的质量。在设计支架时，应注意材料的选择，并确定材料的强度。同时，还应充分考虑支架材料的弯曲强度、支撑臂的拉伸强度和地面不锈钢固定螺栓的强度。此外，所有支架应采用热镀锌，且在裸露部分喷涂防锈漆。负重整体式安装支架如图3所示。

3.3 逆变器设计

应选用产品型号为5000UE的5 kW并网逆变器。该逆变器的特点包括：①采用Infineon最新推出的高效率器件和先进的MPPTT自动跟踪技术；②可提供RS232、RS485/UDB等多种通讯接口（可选）；③具有多语种的LCD显示功能，方便用户选择；④可实现多台逆变器的并联运行；⑤具有过压、孤岛、短路、过载和过热灯完善的保护功能；⑥外形设计美观，体积小，重量轻；⑦具有直插式的输入、输出防水端子，方便安装、维护。逆变器如图4所示。

3.4 防雷接地系统设计

应采用外部防雷，即采用建筑霹雷带引下线与接地系统共同构成的外部防雷系统。此外，还应进行内部防雷，防止雷电和其他内部过电压侵入设备。因此，必须在电缆上安装连接壁垒和过压保护器，以防止雷电产生的高压和浪涌电压损坏设备。

应遵循“全方位防护、综合治理、层层设防、尊重科学、从实际出发和因地制宜”的防雷原则。防雷工作不仅要重视防雷规范原则，还要具有一定灵活性。

为了保证光伏并网发电系统的安全、可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件损坏，必须配备系统的防雷接地装置。

4 变电站“绿色照明”的基本要求

变电站“绿色照明”的范围包括二次主设备室、办公室、生活楼感应灯、生活楼常规灯、场地投光灯、高压室、主设备室等的事故照明。

一期改造包括二次主控、继电保护室；二期改造包括事故照明、办公室、生活楼感应灯、生活楼常规灯、场地投光灯、高压室照明和电缆室照明。

变电站是电网运行的重要组成部分之一，与公共照明相比，其具有以下特点：①变电站中的人员、车辆较少，对照度的要求较低；②因夜间巡检的要求，夜间的照明时间较长；③变电站的地理位置偏僻，照明器具的损坏率高、维护困难；④平均水平面照度≥3 Lux，照度均匀度≥0.5；⑤限制眩光，对环境没有污染；⑥供电安全、可靠，检修安全、方便。

5 预期目标和经济效益

5.1 节能减排效应

太阳能的储量具有“无限性”，这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的有效途径。该项目建成后，将对节约能源、改善大气环境作出积极贡献。

5.2 环境影响

光伏系统的发电原理是硅半导体材料的光电效应，项目所用的材料主要为铝合金、结构钢、钢化玻璃、聚四氟乙烯、电缆和电气控制设备。在项目的建造和日常运行中不会产生任何噪声污染，且对施工人员和周围环境没有影响。

5.3 社会经济效益分析

采用新型变电站辅助设备供电后，避免了因辅助负荷故障而导致的变电站电源系统故障，提高了供电的安全性和可靠性，节约了供电成本。

采用该项目可实现就地发电，能缓减当地用电高峰时段的电网压力。政府正在制订新的光电补助政策，在新政策实施后，投资回报期将大幅缩短。

太阳能光伏有着巨大的市场潜力。随着社会的进步和经济的持续发展，人类对能源的需求也会越来越大，太阳能光伏将被大规模地应用在城市中，这将是解决人类能源问题的重要方式之一。

6 结束语

为了实现可持续发展，人类在不断地研究新型能源，以应对日益枯竭的传统能源危机和环境污染问题。在新型站用电源系统引入清洁能源，比如风能、太阳能，并结合储能系统，可更好地发挥其综合效益。

冷却风机、中央空调等在天气炎热的环境下耗电较大，可使用太阳能和风能替代此类能源。采用光伏发电与建筑物一体化的设计，不仅使建筑的外观新颖、独特，而且可提高建筑物的能源转换率。如果光伏发电设备配备充分，则可实现变电站的“零损耗”。该项目还具备有效的储能措施，可实现随时充电、随时用电，这对可再生能源的接入起到了基础保障作用。

该项目通过分析变电站辅助设备的供电方式和状态，结合新能源发电和“绿色照明”的要求，在变电站辅助设备系统中引入了光伏发电系统，并对原有的照明光源进行了LED光源优化改造，提出了新型高效、节能用电的解决方案，从节能、环保、经济和实用等角度进行了探索，验证了“绿色变电站”的可行性，力求为变电站提供高效、可靠、安全和经济的供电环境。

〔编辑：张思楠〕

3.2 安装支架设计

光伏组件的支架应能承受组件的质量。在设计支架时，应注意材料的选择，并确定材料的强度。同时，还应充分考虑支架材料的弯曲强度、支撑臂的拉伸强度和地面不锈钢固定螺栓的强度。此外，所有支架应采用热镀锌，且在裸露部分喷涂防锈漆。负重整体式安装支架如图3所示。

3.3 逆变器设计

应选用产品型号为5000UE的5 kW并网逆变器。该逆变器的特点包括：①采用Infineon最新推出的高效率器件和先进的MPPTT自动跟踪技术；②可提供RS232、RS485/UDB等多种通讯接口（可选）；③具有多语种的LCD显示功能，方便用户选择；④可实现多台逆变器的并联运行；⑤具有过压、孤岛、短路、过载和过热灯完善的保护功能；⑥外形设计美观，体积小，重量轻；⑦具有直插式的输入、输出防水端子，方便安装、维护。逆变器如图4所示。

3.4 防雷接地系统设计

应采用外部防雷，即采用建筑霹雷带引下线与接地系统共同构成的外部防雷系统。此外，还应进行内部防雷，防止雷电和其他内部过电压侵入设备。因此，必须在电缆上安装连接壁垒和过压保护器，以防止雷电产生的高压和浪涌电压损坏设备。

应遵循“全方位防护、综合治理、层层设防、尊重科学、从实际出发和因地制宜”的防雷原则。防雷工作不仅要重视防雷规范原则，还要具有一定灵活性。

为了保证光伏并网发电系统的安全、可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件损坏，必须配备系统的防雷接地装置。

4 变电站“绿色照明”的基本要求

变电站“绿色照明”的范围包括二次主设备室、办公室、生活楼感应灯、生活楼常规灯、场地投光灯、高压室、主设备室等的事故照明。

一期改造包括二次主控、继电保护室；二期改造包括事故照明、办公室、生活楼感应灯、生活楼常规灯、场地投光灯、高压室照明和电缆室照明。

变电站是电网运行的重要组成部分之一，与公共照明相比，其具有以下特点：①变电站中的人员、车辆较少，对照度的要求较低；②因夜间巡检的要求，夜间的照明时间较长；③变电站的地理位置偏僻，照明器具的损坏率高、维护困难；④平均水平面照度≥3 Lux，照度均匀度≥0.5；⑤限制眩光，对环境没有污染；⑥供电安全、可靠，检修安全、方便。

5 预期目标和经济效益

5.1 节能减排效应

太阳能的储量具有“无限性”，这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的有效途径。该项目建成后，将对节约能源、改善大气环境作出积极贡献。

5.2 环境影响

光伏系统的发电原理是硅半导体材料的光电效应，项目所用的材料主要为铝合金、结构钢、钢化玻璃、聚四氟乙烯、电缆和电气控制设备。在项目的建造和日常运行中不会产生任何噪声污染，且对施工人员和周围环境没有影响。

5.3 社会经济效益分析

采用新型变电站辅助设备供电后，避免了因辅助负荷故障而导致的变电站电源系统故障，提高了供电的安全性和可靠性，节约了供电成本。

采用该项目可实现就地发电，能缓减当地用电高峰时段的电网压力。政府正在制订新的光电补助政策，在新政策实施后，投资回报期将大幅缩短。

太阳能光伏有着巨大的市场潜力。随着社会的进步和经济的持续发展，人类对能源的需求也会越来越大，太阳能光伏将被大规模地应用在城市中，这将是解决人类能源问题的重要方式之一。

6 结束语

为了实现可持续发展，人类在不断地研究新型能源，以应对日益枯竭的传统能源危机和环境污染问题。在新型站用电源系统引入清洁能源，比如风能、太阳能，并结合储能系统，可更好地发挥其综合效益。

冷却风机、中央空调等在天气炎热的环境下耗电较大，可使用太阳能和风能替代此类能源。采用光伏发电与建筑物一体化的设计，不仅使建筑的外观新颖、独特，而且可提高建筑物的能源转换率。如果光伏发电设备配备充分，则可实现变电站的“零损耗”。该项目还具备有效的储能措施，可实现随时充电、随时用电，这对可再生能源的接入起到了基础保障作用。

该项目通过分析变电站辅助设备的供电方式和状态，结合新能源发电和“绿色照明”的要求，在变电站辅助设备系统中引入了光伏发电系统，并对原有的照明光源进行了LED光源优化改造，提出了新型高效、节能用电的解决方案，从节能、环保、经济和实用等角度进行了探索，验证了“绿色变电站”的可行性，力求为变电站提供高效、可靠、安全和经济的供电环境。

〔编辑：张思楠〕