CN101656422A - 一种供电变电所用太阳能光伏发电系统 - Google Patents

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李国伟
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张萍
白万建
孔庆
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张卫国
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Abstract

一种供电变电所用太阳能光伏发电系统，太阳能电池阵列产生的直流电压输出给直流配电箱，然后输出给控制切换装置。控制切换装置具有并网发电及直流充电两种功能；控制切换装置分别与光伏并网逆变器和光伏充电控制器连接；光伏并网逆变器的输出端与变电所内的变压器低压端并联，将电能送入市电电网；光伏充电控制器与蓄电池连接，蓄电池与变电所内的直流系统连接，在变电所的交流电网失电的情况下，为直流系统供电。本发明具有直流充电和并网发电功能，系统正常情况下以并网方式运行，在变电所交流电失电的情况下，可作为直流充电机使用。本发明可增强所内直流系统供电可靠性，可减少变电所内负荷对电网的耗电量，甚至能实现变电所的零损耗。

Description

一种供电变电所用太阳能光伏发电系统
技术领域
本发明涉及一种并网太阳能光伏发电系统，尤其是一种供电变电所用具有直流充电和并网发电功能的太阳能光伏发电系统。
背景技术
光伏发电系统通过太阳电池将来自太阳的能源转换成电能，这些电能可以送入电网或储存在蓄电池，从而为人类提供用之不竭的能源。此外，太阳能还具有安全可靠、无需消耗燃料、维护方便、规模大小随意、可以于建筑物相结合等常规能源无法比拟的优点。
光伏并网发电技术是最近几年兴起的新技术，与传统煤油、油电相比具有环保、无能源消耗、可重复利用等诸多优点，是今后实现能源战略的发展的重点。现国外太阳能光伏发电技术和规模运营已经成熟，美国、日本、德国都已经建立了兆瓦级光伏电站，其建筑光伏发电一体化(BIPV)包括太阳能屋顶光伏系统都已相当普及。而中国光伏发电产业是于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期的，现在太阳电池及组件产量逐年稳步增加，光伏发电产业得到迅猛发展。
目前市面上出现的比较多的是并网光伏发电系统，或者是只具有独立发电的光伏系统，前者当电网停电时，就不能与电网并网，发电受电网限制较大；后者是长期出现阴雨天气时，就不能及时输出电能，严重情况下还有可能损坏储能装置中的蓄电池。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有直流充电和并网发电功能的供电变电所太阳能光伏系统，系统正常时以并网方式运行，在变电所交流电失电时系统可作为直流充电机使用，实现直流充电与并网发电的整合，使直流发电与并网发电自动切换，或者通过手动切换。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种供电变电所用太阳能光伏发电系统，包括：太阳电池阵列，太阳能电池阵列包括太阳电池组件、接线盒及支架，太阳电池组件通过电气连接方式连接，将太阳能直接转换成电能，并将太阳能电池阵列产生的直流电压通过接线盒输出，其特征是：太阳能电池阵列产生的直流电压通过接线盒输出给直流配电箱；直流配电箱接收太阳能电池阵列产生的直流电压，经过隔离变换成恒定的直流电压输出给控制切换装置，控制切换装置设置并网发电及直流充电两种功能的切换；控制切换装置分别与光伏并网逆变器和光伏充电控制器连接；光伏并网逆变器的输出端通过配电柜与变电所内的变压器低压端并联，将电能通过变压器送入市电电网；光伏充电控制器与蓄电池连接，控制太阳电池给蓄电池充电，同时对蓄电池的过充、过放进行保护；蓄电池与变电所内的直流系统连接，蓄电池存储太阳光伏电能，在变电所的交流电网失电的情况下，为变电所内的直流系统供电。
根据所述的供电变电所用太阳能光伏发电系统，其特征是：该系统还包括独立的检测系统，该独立的检测系统用来检测并网电站运行状况，包括检测电站的运行参数和监测环境参数，该监测系统利用工程控制计算机采集数据，显示各种工作状态及运行参数，并完成各种数据的通信。
根据所述的供电变电所用太阳能光伏发电系统，其特征是：所述的控制切换装置包括：手动进行独立并网发电、手动进行直流充电、自动进行并网发电/直流充电三种切换状态；正常情况下，控制切换装置处于自动进行并网发电/直流充电切换状态下；(1)手动进行直流充电：直流充电开关合闸，其他开关断开，仅光伏充电控制器工作，可以给蓄电池充电；(2)手动进行独立并网发电：并网发电开关合闸，其他开关断开，仅光伏并网逆变器工作，并网发电；(3)自动进行并网发电/直流充电：自动切换开关合闸，其他开关断开，采样端口输入220VAC，交流市电正常时，光伏并网逆变器工作，并网发电；交流市电失电时，延时后，光伏并网逆变器停止工作，光伏充电控制器开始工作，给蓄电池充电。
本发明供电变电所用光伏发电系统，具有直流充电及并网发电功能，太阳能电池阵列产生的直流电能一方面可以经光伏并网逆变器转换成交流电，逆变器的输出端通过配电柜与变电所内的变压器低压端(220V/380V)并联，将发出的电能通过变压器送入电网供用户直接使用，增加光伏电站利用率，让光伏电站具有并网发电的功能，另一方面可在交流失电的情况下由光伏充电控制器为蓄电池充电，进而可为变电所内部的直流系统供电，增加了变电所直流系统的可靠性。
本发明供电变电所用太阳能光伏发电系统具有直流充电和并网发电功能，系统正常情况下以并网方式运行，在变电所交流电失电的情况下，系统可作为直流充电机使用。这就实现了直流充电与并网发电的整合，使直流发电与并网发电自动切换，也可以通过手动切换。
附图说明
图1为本发明太阳能光伏发电系统原理图。
图2为本发明中控制切换装置原理图。
图3为本发明中控制切换装置接线图。
图4为本发明中光伏并网逆变器SG5K-C的主电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
本发明供电变电所用太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池阵列将太阳能转换成为直流电，再通过直流/交流光伏并网逆变器将太阳能发出的直流电逆变成50赫兹、220V/380V的交流电。光伏并网逆变器的输出端通过配电柜与变电所内的变压器低压端(220V/380V)并联，将发出的电能通过变压器送入电网。
太阳能光伏独立发电系统是利用太阳电池阵列在太阳光照射下输出电能，经过直流配电器和光伏充电控制器向蓄电池组充电并向直流负载供电。在连续阴雨天光伏电池发电量不能满足向负载供电时，可以由蓄电池通过光伏充电控制器继续向负载供电。
本发明光伏发电系统，主要包括太阳电池阵列，直流配电箱，控制切换装置，光伏充电控制器，蓄电池，独立的检测系统等，其中：
太阳能电池阵列由光伏电池组件通过一定的电气连接方式组成，将太阳光能直接转换成电能，通过最大功率点，使光伏电池处于最大功率输出状态，并将太阳能电池阵列产生的直流电压直接输出给直流配电箱；
直流配电箱接收太阳能电池阵列产生的直流电压，经过隔离变换成恒定的直流电压输出给控制切换装置；
控制切换装置主要完成并网发电及直流充电两种功能的切换；该控制切换装置，可手动切换也可自动切换。其中，手动切换可以单独进行并网发电或单独进行直流充电；在自动切换状态下，该系统是以并网发电方式运行，若出现交流失电的情况，为增加直流系统的可靠性，光伏电站作为备用直流充电机为变电所的直流系统充电。该系统中自动切换功能，是通过检测交流电是否失电来执行自动切换。
光伏充电控制器连接于储能装置，能控制太阳电池给蓄电池充电、同时控制器对蓄电池的过充、过放进行保护。
蓄电池是储能装置，用于存储太阳光伏电能，在交流电网失电不能为变电所内直流系统提供电能的情况下由蓄电池为变电所直流系统供电，保证直流系统的可靠性。
独立的检测系统是独立的检测系统是用来检测并网电站运行状况，包括检测电站的运行参数(电压、电流、功率、频率、发电量、二氧化碳的减排量等)和监测环境参数(日照、风速、风向、环境温度)。该监测系统利用工控机(工程控制计算机)采集数据，利用37’大屏幕液晶电视显示各种工作状态及运行参数，并完成各种数据的通信。
具体实施例：
本发明针对长期连续对蓄电池充放电会影响蓄电池的寿命，以及只作为直流充电使用，会浪费太阳能资源的缺陷。本发明采用在并网运行方式下，若出现交流电网失电的情况，能自动切换到直流充电运行方式；而控制切换装置中的手动切换可以实现独立并网发电或独立直流充电。
本发明根据变电所直流系统蓄电池充电要求，兼顾并网逆变器工作条件，结合安装地点的气象信息，确定了光伏组件的具体配置。本发明采用的是ATM-175的单晶硅太阳电池组件，采用的是9串3并的光伏组件方阵，方阵共需27块组件。
本发明根据供电变电所的输电要求，确定了太阳能电池组件、光伏充电控制器、直流-交流逆变设备(并网逆变器)、光伏电站检测系统的主要的参数，特别是在选定并网逆变器时，使总电流的畸变率满足了供电站的要求，最后还对太阳能光伏发电进行了理论计算和实际供电量的分析。
本发明如图1所示，包括太阳电池阵列，直流配电箱，控制切换装置，光伏并网逆变器，光伏充电控制器，蓄电池，独立的检测系统。
太阳能电池阵列由太阳电池组件、接线盒及支架组成。是由太阳电池组件通过一定的电气连接方式组成，将太阳能直接转换成电能，并将太阳能电池阵列产生的直流电压通过接线盒输出给直流配电箱。
直流配电箱接收太阳能电池阵列产生的直流电压，经过隔离变换成恒定的直流电压输出给控制切换装置；
控制切换装置为本发明的核心部分，该部分主要有手动进行独立并网发电、手动进行直流充电、自动进行并网发电/直流充电。
根据具体的需要可手动进行独立并网发电或独立直流充电。如图2所示，指令开关有三种状态，“直流”“并网”“自动”。正常情况下，该系统是处于自动切换状态下。
(1)直流充电开关合闸(其他开关断开)：仅光伏充电控制器工作，可以给蓄电池充电。
(2)并网发电开关合闸(其他开关断开)：仅光伏并网逆变器工作，并网发电。
(3)自动切换开关合闸(其他开关断开)：采样端口输入220VAC，交流市电正常时，光伏并网逆变器工作，并网发电。交流市电失电时，延时后，光伏并网逆变器停止工作，光伏充电控制器开始工作，给蓄电池充电。
独立的检测系统是用来检测并网电站运行状况，包括检测电站的运行参数(电压、电流、功率、频率、发电量、二氧化碳的减排量等)和监测环境参数(日照、风速、风向、环境温度)。该监测系统利用工控机(工程控制计算机)采集数据，利用37’大屏幕液晶电视显示各种工作状态及运行参数，并完成各种数据的通信。
下附各部分装置的厂家、型号及部分参数。
(1)太阳电池组件
厂家：山东昂立天晟光伏科技有限公司
型号：ATM-175
其主要参数如下：
·电池材料：单晶硅；
·电池组成：由72片单晶硅电池以有序形式排列，串联而成
·封装结构：玻璃/电池/金属框架；
·满足IEC1215标准；
·标称功率：180W；
·开路电压：44.4V；
·短路电流：5.3A；
·数量：27块；
·工作环境温度：-40℃～+70℃；
·太阳电池总功率：4860W；
·太阳电池阵工作寿命：≥25年；
(2)光伏充电控制器
厂家：合肥阳光电源有限公司
型号：SD22050
其主要技术参数如下：
环境要求：工作温度-20℃～40℃；
储存温度-20℃～50℃；
相对湿度95％以下；
冷却方式自然风冷；
绝缘强度DC500V时1min；
绝缘阻抗大于10M Ω；
系统接地负极接地。
·测量参数：太阳电池阵列输入电压，太阳电池阵列各路输入电流，蓄电池直流输出电流，蓄电池电压。
·指示：过充、过放保护指示。
·报警：过放时报警。
·功率/电流控制参数：最大允许输入功率11000W；最大允许输入电流50A；最大输出电流50A。
(3)光伏并网逆变器(直流-交流逆变设备)
厂家：合肥阳光电源有限公司
型号：SG5K-C
部分工作参数如下：
直流最佳功率跟踪(MPPT)输入电压范围：DC200V～DC450V；
最大阵列开路电压：DC450V；
直流电压纹波：Vpp≤10％；
最大直流输入电流：DC30A；
最大转换效率：95％(欧洲效率93％)；
最大交流输出功率：5KW；
允许电网频率范围：49.8～50.2Hz；
总电流波形畸变率：THD≤3％；
功率因素：≥0.98；
保护功能：极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、过热保护、过载保护、接地保护；
系统通讯
通讯接口：RS485或CAN总线；
电网监测：按照UL1741标准。
(4)工控机
厂家：研华科技股份有限公司
型号：ARK-3389
部分工作参数如下：
CPU：Intel Pentium M低电压处理器；
系统内存：一个200针SO-DIMM插槽；支持高达1GB的DDR SDRAM；
显示：最高64MB的动态视频内存；CRT接口；
以太网控制器：10/100MBps；
看门狗定时器及串行端口；
输入电压：DC12V～DC24V；
工作温度：-20℃～60℃。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1、一种供电变电所用太阳能光伏发电系统，包括：太阳电池阵列，太阳能电池阵列包括太阳电池组件、接线盒及支架，太阳电池组件通过电气连接方式连接，将太阳能直接转换成电能，并将太阳能电池阵列产生的直流电压通过接线盒输出，其特征是：太阳能电池阵列产生的直流电压通过接线盒输出给直流配电箱；直流配电箱接收太阳能电池阵列产生的直流电压，经过隔离变换成恒定的直流电压输出给控制切换装置，控制切换装置设置并网发电及直流充电两种功能的切换；控制切换装置分别与光伏并网逆变器和光伏充电控制器连接；光伏并网逆变器的输出端通过配电柜与变电所内的变压器低压端并联，将电能通过变压器送入市电电网；光伏充电控制器与蓄电池连接，控制太阳电池给蓄电池充电，同时对蓄电池的过充、过放进行保护；蓄电池与变电所内的直流系统连接，蓄电池存储太阳光伏电能，在变电所的交流电网失电的情况下，为变电所内的直流系统供电。
2、根据权利要求1所述的供电变电所用太阳能光伏发电系统，其特征是：该系统还包括独立的检测系统，该独立的检测系统用来检测并网电站运行状况，包括检测电站的运行参数和监测环境参数，该监测系统利用工程控制计算机采集数据，显示各种工作状态及运行参数，并完成各种数据的通信。
3、根据权利要求1或2所述的供电变电所用太阳能光伏发电系统，其特征是：所述的控制切换装置包括：手动进行独立并网发电、手动进行直流充电、自动进行并网发电/直流充电三种切换状态；正常情况下，控制切换装置处于自动进行并网发电/直流充电切换状态下；(1)手动进行直流充电：直流充电开关合闸，其他开关断开，仅光伏充电控制器工作，可以给蓄电池充电；(2)手动进行独立并网发电：并网发电开关合闸，其他开关断开，仅光伏并网逆变器工作，并网发电；(3)自动进行并网发电/直流充电：自动切换开关合闸，其他开关断开，采样端口输入220VAC，交流市电正常时，光伏并网逆变器工作，并网发电；交流市电失电时，延时后，光伏并网逆变器停止工作，光伏充电控制器开始工作，给蓄电池充电。
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