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【摘 要】 光伏发电技术是将太阳辐射能转化为电能的新型发电技术。随着科学技术的不断进步，光伏组件材料的价格也随之不断降低，光伏发电越来越明显地显现出其经济效益和可利用的社会价值，使其作为缓解能源压力和改善环境的重要战略引起发达及发展中国家重视。本文主要就对光伏发电在变电站中的应用进行阐述。
【关键词】 光伏发电；变电站；应用
一、太阳能光伏发电技术的原理及运行方式
太阳能电池是光伏发电的主要能量转换器，它也被称为光伏电池。关于太阳能光伏发电的原理简单概括就是光生伏特效应，太阳能电池接触到太阳光线时，电池会自然吸收其中的光能，进而构成光生电子。基于内建电场的控制，空穴与光生电子发生隔离，异号电荷积累到一定程度之后便会汇聚成为光生电压，这也就是所谓的光生伏特效应。在内建电场接上负载后会导致光生电流流出，这就实现了功率的输出，成功将太阳能转化为电能。
太阳能光伏发电系统是将太阳能转换为电能的主要装置，这一装置也被称为太阳能电池发电系统，一般我们将地面太阳能光伏发电系统划分为联网运行方式和离网运行方式两个方面。所谓的离网太阳能光伏发电系统是指没有与公共电网相接的光伏发电系统，它是一种相对独立的光伏发电过程，常被应用于偏僻的农村或是公共电网难以覆盖的无电地区，甚至牧区及海岛照明也通常会选用这一独立的太阳能光伏发电系统。除此之外，离网太阳能发电系统还成功实现了为气象台站及通信中继站等特殊地区提供电能。联网太阳能光伏发电系统顾名思义是与公共电网相连接的光伏发电系统，通过并网光伏发电的方式将太阳能转化为交流点，它与电网电压同频同相，在与电网相连的过程中实现电能的输送。太阳能光伏发电技术涉及到太阳能电池技术、光伏阵列最大功率跟踪技术、孤岛效应检测技术以及聚光光伏技术等。商业化发电阶段有着显著的规模化特征，无论是联网运行还是离网运行都构成了电力工业的重要组成部分，它们势必将成为太阳能光伏发电领域的核心技术格局。
二、光伏发电与站变电的技术耦合
光伏发电系统与智能变电站结合，除了节约常规电力能源外，主要是最大限度地减少对变电站原有电力的完全依赖.当常规电力出现问题（停电事故）时，光伏发电系统可以作为应急电力供应，提高变电站运行过程中应对突发事故的能力，增加变电站运行的安全性和可靠性。
现有的国内110～500kV常规变电站中，站用电负载主要分为照明系统、动力系统（包括各个开关执行用的电动机）以及直流控制系统。基于以上要求，我们研究提出光伏发电与变电站站用电之间的交直流混合供电技术耦合模式，同时设置储能单元（见图1）。
从图1可知，该技术耦合结构将原来的直接并网逆变器进行系统优化，使用了带有储能单元的双向储能并网逆变器，克服了光伏组件受天气变化发电不稳定的缺点，提高了电网的品质，通过波谷储存电能，波峰输出电能，电网峰值发电量可大幅削减，电网容量也可大幅增加，提高了电网的利用率。同时，储存的电能在变电站出现问题时，向站内重要负载和应急负载供电，提升了变电站的可靠性和稳定性。
该技术耦合结构充分利用现有变电站站内多座建筑物屋顶，可分两个阵列，一组阵列通过DC-AC储能并网逆变器接入变电站低压交流母线；一组阵列通过DC-DC模块接入站用蓄电池组和直流馈线.对于只在变电站内一栋建筑物上安裝光伏电站的，也可以只建一组光伏发电阵列，分别通过DC-DC模块接入蓄电池组和直流馈线，以及通过DC-AC接入变电站低压交流母线。
三、光伏发电在变电站照明中的应用
由光伏发电系统供电的LED光源在变电站的应用。LED光效高、光谱大部分为可见光、显色性好、无频闪、安全性好、绿色环保，适合应用于变电站中以控制室、办公室为代表的正常照明环境.
（1）LED与其他光源的效率比较。目前变电站主要照明光源基本为白炽灯、荧光灯和钠灯，这些光源都可以用LED光源来替代.LED和节能灯、白炽灯、高压钠灯等的性能比较见表1。
从表1可知，LED灯实际效率是一般节能灯的3.89倍、普通白炽灯泡的10倍、高压钠灯的2.23倍。
（2）不同光源节能和经济性比较。通过与传统的其他光源进行节能效益和经济性比较，可以直观反映出使用LED光源的优势，详见表2。
从表2可知，LED的节能效果明显；投资角度看LED光源初始投资相对较高，但在20年寿命周期内和同等亮度的其他光源相比，总体投入是最低的，因此，LED不论节能还是经济性均好于其他光源.
以某地区的110kV通用站为例，站内外照明功率及LED光源折算见表3。
从表3可知，该变电站室内外照明功率为12.99kW，假设每天工作8h，每天耗电为103.92kW·h.进行LED光源置换后，变电站的室内室外照明功率降为4.04kW·h，每天耗电降为32.31kW·h节电额71.61kW·h，年可节电26136.92度，以当地每度电电费0.62元计算，年节约电费16236.26元。
四、变电站内接入光伏发电系统的方式
（一）接入交流系统
接入站用电交流380V系统，通过站用电380V母线实现对所用电系统供电；在白天发电给站用电负荷供电，并将多余电量馈入电网，晚上、阴雨天时发电量不足时，由所内站用变对负荷供电。
向站用电系统供电的光伏发电系统拟采用并网运行模式，即站用电由两个电源供电，其一是光伏发电系统，其二是站用变。当阴雨天或夜晚，站用电负荷完全由站用变供电；而当白天有日照时，站用电由站用变和光伏发电系统共同供电。因此，光伏发电系统的作用是作为站用变的补充电源，减少站用变的供电电量。
并网运行光伏发电系统相较独立运行系统有许多优势，由于无需蓄电池和双向整流逆变设备，减小了投资成本和设备占地面积；无需对报废电池进行处理，避免了对环境污染，并且也避免了蓄电池组充放电过程中的能量损失。 （二）接入直流系统
在白天有日照的情况下由太阳能光伏系统源源不断的产生电能向变电站内的直流系统供电，同时再和变电站原有的交直流系统连接，通过光伏控制器来实现当光伏发电系统发电量不足时的电源自动切换，增强直流系统供电的可靠性。其原理图如下：
其特点是在变电站原有直流系统基础上，增加了太阳能电池组件和光伏控制器，太阳能电池组件方阵在太阳的照射下产生并输出电能，经光伏控制器稳压输出接直流系统合闸母线上。在充电机输出回路上加接防反充二极管，因光伏控制器内部已有防反二极管，故不需外加二极管。这样，当太阳能电池组件输出电压在直流系统要求范闱内时，由光伏系统给直流系统供电，同时向蓄电池充电，此时充电机输入端交流接触器受光伏控制器控制而断开。当太阳电池组件输出电压不符合直流系统要求范围时，光伏控制器自动停止输出且控制充电机输入端交流接触器吸合，此时由充电机给变电站直流系统供电。光伏控制器和充电机交替工作，互为备用，以提高变电站直流系统的供电可靠性。对220kV及以上变电站，一般配置方式为“两电两充”或者“两电三充”，这时，光伏控制器的直流输出可经过防反充电二极管分别接入两组蓄电池组，光伏控制器控制输出的继电器，可分别驱动两组主充电机的切换用交流接触器。如果变电站的直流系统电压为110V，则太阳能光伏阵列的输出电压，控制器的参数应相应调整。
（三）接入微电网系统
微网是分布式发电的重要形式之一，微网既可以通过配电网与大型电力网并联运行，形成一个大型电网与小型电网的联合运行系统，也可以独立地为当地提供电力需求。该模式大大提高了负荷侧的供电灵活性，可靠性。同时，微网通过单点接入电网，可以减少大量小功率分布式电源接入电网后对传统电网的影响。微网将分散的不同类型的小型发屯源（分布式电源）组合起来供电，能够使小型电源获得更高的利用效率。
分布式发电一般是指发电功率在数千瓦至50兆瓦的小型化、模块化、分散式、布置在用户附近，直接为负荷供电的小型发电系统。现荷研究和实践已表明，将分布式发电供能系统以微网的形式接入传统电网并网运行，与大电网互为支掉，是发挥分布式发电供能系统效能的最有效方式。微网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能夠实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与大电网并网运行，也可以孤立运行。微网组成结构示意图如下：
将太阳能接入站用电系统，对原有站用储能整流系统改造为整流/逆变系统，则可以构成一个可靠的站用电微网系统。该系统主要可以实现以下功能：
1）微网内电源包含有光伏发电和储能设备，构成光储微网系统。通过微网控制系统监控分布式能源运行数据，调整运行策略，控制运行状态。
2）光储微网系统独立运行时，储能设备作为微网独立运行时的主电源。考虑到微网独立运行的可靠性，假设光伏发电系统退出运行时，主电源的功率大于微网内所有负荷的功率时，微网系统会根据实际情况对所供负载进行容量调节和超限保护。
3）对于主从控制的微网，如果其他分布式电源的出力大于负载，则有可能出现多余功率到送给主电源的情况（如果不允许倒送），因此在微网独立运行时，微网控制系统可以根据实际情况调节部分分布式电源出力的控制策略。
4）通过微网监测平台，全方位实时展示分布式电源运行状态、光信息及微网运行过程，为分布式电源及微网技术的推广应用，起到很好的示范作用。
五、结语
变电站装设太阳能光伏发电板，构建并网型光伏发电系统向站用电负荷供电的方案。变电站建设开发对太阳能资源的利用是一种有益尝试，对减少城市污染，抑制二氧化碳等温室气体排放将起到积极的作用。
参考文献：
[1]谢玉章.太阳能光伏发电技术及应用[J].科技与企业.2014（11）
[2]侯婷.绿色变电站的电气设计[J].电力建设.2012（05）
[3]谢永辉，李牧奇.太阳能光伏发电技术应用中的相关问题探讨[J].能源与节能.2011（12）
【关键词】 光伏发电；变电站；应用
一、太阳能光伏发电技术的原理及运行方式
太阳能电池是光伏发电的主要能量转换器，它也被称为光伏电池。关于太阳能光伏发电的原理简单概括就是光生伏特效应，太阳能电池接触到太阳光线时，电池会自然吸收其中的光能，进而构成光生电子。基于内建电场的控制，空穴与光生电子发生隔离，异号电荷积累到一定程度之后便会汇聚成为光生电压，这也就是所谓的光生伏特效应。在内建电场接上负载后会导致光生电流流出，这就实现了功率的输出，成功将太阳能转化为电能。
太阳能光伏发电系统是将太阳能转换为电能的主要装置，这一装置也被称为太阳能电池发电系统，一般我们将地面太阳能光伏发电系统划分为联网运行方式和离网运行方式两个方面。所谓的离网太阳能光伏发电系统是指没有与公共电网相接的光伏发电系统，它是一种相对独立的光伏发电过程，常被应用于偏僻的农村或是公共电网难以覆盖的无电地区，甚至牧区及海岛照明也通常会选用这一独立的太阳能光伏发电系统。除此之外，离网太阳能发电系统还成功实现了为气象台站及通信中继站等特殊地区提供电能。联网太阳能光伏发电系统顾名思义是与公共电网相连接的光伏发电系统，通过并网光伏发电的方式将太阳能转化为交流点，它与电网电压同频同相，在与电网相连的过程中实现电能的输送。太阳能光伏发电技术涉及到太阳能电池技术、光伏阵列最大功率跟踪技术、孤岛效应检测技术以及聚光光伏技术等。商业化发电阶段有着显著的规模化特征，无论是联网运行还是离网运行都构成了电力工业的重要组成部分，它们势必将成为太阳能光伏发电领域的核心技术格局。
二、光伏发电与站变电的技术耦合
光伏发电系统与智能变电站结合，除了节约常规电力能源外，主要是最大限度地减少对变电站原有电力的完全依赖.当常规电力出现问题（停电事故）时，光伏发电系统可以作为应急电力供应，提高变电站运行过程中应对突发事故的能力，增加变电站运行的安全性和可靠性。
现有的国内110～500kV常规变电站中，站用电负载主要分为照明系统、动力系统（包括各个开关执行用的电动机）以及直流控制系统。基于以上要求，我们研究提出光伏发电与变电站站用电之间的交直流混合供电技术耦合模式，同时设置储能单元（见图1）。
从图1可知，该技术耦合结构将原来的直接并网逆变器进行系统优化，使用了带有储能单元的双向储能并网逆变器，克服了光伏组件受天气变化发电不稳定的缺点，提高了电网的品质，通过波谷储存电能，波峰输出电能，电网峰值发电量可大幅削减，电网容量也可大幅增加，提高了电网的利用率。同时，储存的电能在变电站出现问题时，向站内重要负载和应急负载供电，提升了变电站的可靠性和稳定性。
该技术耦合结构充分利用现有变电站站内多座建筑物屋顶，可分两个阵列，一组阵列通过DC-AC储能并网逆变器接入变电站低压交流母线；一组阵列通过DC-DC模块接入站用蓄电池组和直流馈线.对于只在变电站内一栋建筑物上安裝光伏电站的，也可以只建一组光伏发电阵列，分别通过DC-DC模块接入蓄电池组和直流馈线，以及通过DC-AC接入变电站低压交流母线。
三、光伏发电在变电站照明中的应用
由光伏发电系统供电的LED光源在变电站的应用。LED光效高、光谱大部分为可见光、显色性好、无频闪、安全性好、绿色环保，适合应用于变电站中以控制室、办公室为代表的正常照明环境.
（1）LED与其他光源的效率比较。目前变电站主要照明光源基本为白炽灯、荧光灯和钠灯，这些光源都可以用LED光源来替代.LED和节能灯、白炽灯、高压钠灯等的性能比较见表1。
从表1可知，LED灯实际效率是一般节能灯的3.89倍、普通白炽灯泡的10倍、高压钠灯的2.23倍。
（2）不同光源节能和经济性比较。通过与传统的其他光源进行节能效益和经济性比较，可以直观反映出使用LED光源的优势，详见表2。
从表2可知，LED的节能效果明显；投资角度看LED光源初始投资相对较高，但在20年寿命周期内和同等亮度的其他光源相比，总体投入是最低的，因此，LED不论节能还是经济性均好于其他光源.
以某地区的110kV通用站为例，站内外照明功率及LED光源折算见表3。
从表3可知，该变电站室内外照明功率为12.99kW，假设每天工作8h，每天耗电为103.92kW·h.进行LED光源置换后，变电站的室内室外照明功率降为4.04kW·h，每天耗电降为32.31kW·h节电额71.61kW·h，年可节电26136.92度，以当地每度电电费0.62元计算，年节约电费16236.26元。
四、变电站内接入光伏发电系统的方式
（一）接入交流系统
接入站用电交流380V系统，通过站用电380V母线实现对所用电系统供电；在白天发电给站用电负荷供电，并将多余电量馈入电网，晚上、阴雨天时发电量不足时，由所内站用变对负荷供电。
向站用电系统供电的光伏发电系统拟采用并网运行模式，即站用电由两个电源供电，其一是光伏发电系统，其二是站用变。当阴雨天或夜晚，站用电负荷完全由站用变供电；而当白天有日照时，站用电由站用变和光伏发电系统共同供电。因此，光伏发电系统的作用是作为站用变的补充电源，减少站用变的供电电量。
并网运行光伏发电系统相较独立运行系统有许多优势，由于无需蓄电池和双向整流逆变设备，减小了投资成本和设备占地面积；无需对报废电池进行处理，避免了对环境污染，并且也避免了蓄电池组充放电过程中的能量损失。 （二）接入直流系统
在白天有日照的情况下由太阳能光伏系统源源不断的产生电能向变电站内的直流系统供电，同时再和变电站原有的交直流系统连接，通过光伏控制器来实现当光伏发电系统发电量不足时的电源自动切换，增强直流系统供电的可靠性。其原理图如下：
其特点是在变电站原有直流系统基础上，增加了太阳能电池组件和光伏控制器，太阳能电池组件方阵在太阳的照射下产生并输出电能，经光伏控制器稳压输出接直流系统合闸母线上。在充电机输出回路上加接防反充二极管，因光伏控制器内部已有防反二极管，故不需外加二极管。这样，当太阳能电池组件输出电压在直流系统要求范闱内时，由光伏系统给直流系统供电，同时向蓄电池充电，此时充电机输入端交流接触器受光伏控制器控制而断开。当太阳电池组件输出电压不符合直流系统要求范围时，光伏控制器自动停止输出且控制充电机输入端交流接触器吸合，此时由充电机给变电站直流系统供电。光伏控制器和充电机交替工作，互为备用，以提高变电站直流系统的供电可靠性。对220kV及以上变电站，一般配置方式为“两电两充”或者“两电三充”，这时，光伏控制器的直流输出可经过防反充电二极管分别接入两组蓄电池组，光伏控制器控制输出的继电器，可分别驱动两组主充电机的切换用交流接触器。如果变电站的直流系统电压为110V，则太阳能光伏阵列的输出电压，控制器的参数应相应调整。
（三）接入微电网系统
微网是分布式发电的重要形式之一，微网既可以通过配电网与大型电力网并联运行，形成一个大型电网与小型电网的联合运行系统，也可以独立地为当地提供电力需求。该模式大大提高了负荷侧的供电灵活性，可靠性。同时，微网通过单点接入电网，可以减少大量小功率分布式电源接入电网后对传统电网的影响。微网将分散的不同类型的小型发屯源（分布式电源）组合起来供电，能够使小型电源获得更高的利用效率。
分布式发电一般是指发电功率在数千瓦至50兆瓦的小型化、模块化、分散式、布置在用户附近，直接为负荷供电的小型发电系统。现荷研究和实践已表明，将分布式发电供能系统以微网的形式接入传统电网并网运行，与大电网互为支掉，是发挥分布式发电供能系统效能的最有效方式。微网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能夠实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与大电网并网运行，也可以孤立运行。微网组成结构示意图如下：
将太阳能接入站用电系统，对原有站用储能整流系统改造为整流/逆变系统，则可以构成一个可靠的站用电微网系统。该系统主要可以实现以下功能：
1）微网内电源包含有光伏发电和储能设备，构成光储微网系统。通过微网控制系统监控分布式能源运行数据，调整运行策略，控制运行状态。
2）光储微网系统独立运行时，储能设备作为微网独立运行时的主电源。考虑到微网独立运行的可靠性，假设光伏发电系统退出运行时，主电源的功率大于微网内所有负荷的功率时，微网系统会根据实际情况对所供负载进行容量调节和超限保护。
3）对于主从控制的微网，如果其他分布式电源的出力大于负载，则有可能出现多余功率到送给主电源的情况（如果不允许倒送），因此在微网独立运行时，微网控制系统可以根据实际情况调节部分分布式电源出力的控制策略。
4）通过微网监测平台，全方位实时展示分布式电源运行状态、光信息及微网运行过程，为分布式电源及微网技术的推广应用，起到很好的示范作用。
五、结语
变电站装设太阳能光伏发电板，构建并网型光伏发电系统向站用电负荷供电的方案。变电站建设开发对太阳能资源的利用是一种有益尝试，对减少城市污染，抑制二氧化碳等温室气体排放将起到积极的作用。
参考文献：
[1]谢玉章.太阳能光伏发电技术及应用[J].科技与企业.2014（11）
[2]侯婷.绿色变电站的电气设计[J].电力建设.2012（05）
[3]谢永辉，李牧奇.太阳能光伏发电技术应用中的相关问题探讨[J].能源与节能.2011（12）