一种为站内UPS供电的光伏发电系统设计

李洪伟，史 俊，熊晓川，徐学帅，刘 乐

（云南电网普洱供电局，云南 普洱 665001）

0 引 言

光伏发电(Photovoltaic，PV)已成为继风力发电之后的可再生能源发电的新增长点[1]，近年来随着自动化及控制技术的发展，光伏发电及应用已相当成熟，并取得广泛应用，如：电动汽车、城市轨道交通等。然而，光伏出力的随机性和不确性制约光伏应用。为此，国内外学者开展了大量研究[2]，提出了一种光伏/电动汽车/负荷博弈的屋顶光伏容量优化方法，及多个光伏电站出力相关性的随机潮流方法[3]，该方法采用了Pair Copula函数对多个光伏电站的出力进行相关性建模，综合考虑了电站出力两两之间不同的相依结构，光伏发电系统可通过动态调控注入电网的有功功率、无功功率来改善电力系统的功率平衡特性，从而抑制电网功率振荡现象进行分析与阐述[4]。

随着储能技术的发展及其成本的降低，在光伏发电中增加存储设备成为可能，储能设备的增加可进一步的推动光伏广泛消纳[5-6]。

不间断供电系统(Uninterruptible Power Supply,UPS)，是一种含有储能装置的不间断电源。主要用于给部分对电源稳定性要求较高的设备，提供不间断的电源，具体到变电站来说，UPS为站内仪器仪表、调度系统及监控系统等提供可靠电源，其稳定性和可靠性影响站内测量、计量、保护等功能。

为提高站内UPS的稳定性和可靠性，本文利用地区资源和站内条件，搭建了一套光伏发电系统，该系统将光伏发电存储至储能设备中，并通过逆变器给站内交流屏供电，可保证UPS正常、持久运行，最后对范工程中光伏出力特性进行分析和总结，验证了本文所提方案的可行性。

1 站内UPS

1.1 站内UPS的功能及主要设备

变站内UPS电源是专为变电站设计的，其将变电站自备直流屏的110V、220V直流电逆变成幅值为220V、380V，频率为50Hz的交流电，为监控系统、自动化仪表、调度通信系统等站内核心设备提供高可靠性及高品质的电能供电。

站内UPS系统结构如图1所示，其包括旁路输入、交流输入及直流输入等，其主要组成器件的功能包括。

（1）整流器，将交流变为直流，经滤波后输出给逆变器。

（2）逆变器，将直流转化为可靠的交流电输出给负载。

（3）逆止二极管，因二极管单相导通可防止直流电源回流。

（4）静态开关，两个可控硅（SCR）反向并联组成的一种交流开关，其闭合和断开由逻辑控制器控制，实现从一路电源到另一路电源的自动切换。

图1 UPS系统系统

（5）隔离变压器，使一次侧与二次侧实现电气隔离，起到保护、防雷、滤波等作用。

2 普洱地区光照资源及光伏发电设计系统

2.1 云南普洱地区光照情况

云南普洱由于受亚热带季风气候的影响，大部分地区常年无霜，冬无严寒，夏无酷暑，享有“绿海明珠”、“天然氧吧”之美誉。普洱市年均气温15℃～20.3℃，年无霜期在315天以上，年降雨量1 100～2 780毫米，负氧离子含量在七级以上。

普洱地区日照充足，十分适合使用太阳能等新能源，以普洱墨江为例，其数据如表1所示。

表1中光照和温度统计信息表明云南墨江县地区光照丰富，其中日太阳辐射中3～5月较为高，而空气温度于6～8月则超过28℃，因此非常适合光伏发电。

表1 墨江地区光照信息

2.2 光伏发电系统

为了利用普洱地区丰富的光照资源给站内UPS供电，需要搭建一套光伏发电系统，本文设计的光伏发电系统由光伏板、控制器、蓄电池组、逆变器等组成。

根据站内用电工况及站内空间情况，下面对系统中各组件参数及特性进行描述。

2.2.1 光伏组件

光伏组件的型号SL350TU-36P，单片功率350 W，共12片，预出力为15 kW。其特点如下：

（1）采用多晶硅电池片，发电更稳定、低衰减；

（2）转化率19.10%以上，使用寿命长达10年以上；

（3）表面采用透光率93%的超白钢化玻璃；

（4）背面采用优质背板；

（5）铝合金边框采用阳极氧化表面确保产品25年不会氧化；

（6）10年后，不低于最初功率的90%；

（7）通过TUV、CE、ROHS、CQC认证。

2.2.2 智能控制器

智能控制器额定充电电流60 A，电压等级DC48 V。

其采用多种电源管理互补控制模式组合，通过单片机编程实现智能化电源管理控制。使太阳能功率最大效率利用，最低节能输出，最合理控制充电、蓄电、输出。

2.2.3 储能电池

采用胶体蓄电池及蓄电池防护箱组成，电池型号为LCPC200-12，共计8支，深循环免维护胶体蓄电池无游离电解液，自放电低，寿命长；适应环境温度广；独特配方，深放电恢复性能好。

2.2.4 逆变器

逆变器CIP5000-48/220，其作用为将输出的直流48 V电压逆变为220 V的交流电压。

其主要参数为：输入电压48 V，输出电压220 V，波形为工频正弦，容量则是5 kW，且通过CE认证。

3 验证

3.1 实施地点

基于2.2的方案开展示范工程，最终落地于墨江县境内的35kV双龙变。

3.2 光伏系统典型月出力

通过典型月光伏各日发电量统计，某月各日间发电量波动性较大，最大日发电量接近16 kWh，最小出力则只有10 kWh左右。

3.3 光伏系统连续3个月出力特性

系统投运后连续3个月的处理情况：其中8月累计发电量最大为399.6 kWh，而9月的日平均值出力为11.931 17 kWh低于7月和8月的日发电量，从波动性来看，7月的标准差为1.114，8月则为1.214 1，9月为1.371 3，主要原因在于随着气候变化9月光照也发生较大波动，进一步推测进入冬天系统的出力波动性更大，出力也可能更小。

3.4 总结

以上工程数据可得以下结论。

（1）因季节影响，单月内光伏系统出力波动性差距较大，但7～9月因持续晴天，系统出力较为稳定。

（2）系统7～9月这3个月累计发电超过1 200kWh，证明了系统具有一定效益的经济性，同时也说明了系统为站内UPS供电是可行的。

4 结语

站内UPS的供电稳定性和可靠性尤为重要，因此本文设计了一套站内光伏发电系统，该系统借助存储设备和逆变设备为站内UPS供电，可保证站内电源故障时UPS依然可稳定、持续运行。并通过示范工程数据，证明了所提方案可靠性和经济性。