分布式光伏發電與充換電站在變電站內建設的探索與實踐

黃素麗，謝運華，張 楠

（1.廣州電力設計院有限公司，廣東 廣州 510610；2.廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510610）

出于對能源緊缺和環境保護的重視，能耗低、無污染、噪聲低的電動汽車受到愈來愈多的鼓勵和支持，但是續航里程和充電便捷性構成了純電動汽車發展的兩大瓶頸。充換電站、充電樁等充換電設施是電動汽車發展中必不可少的基礎設施，其重要性日漸突出。城市大型充換電站高昂的前期建設成本也是阻礙電動汽車普及和發展的一個因素。與變電站相結合的建設，可以合理降低建設運營成本，為推動電動汽車的發展貢獻一份力量。光伏發電作為一種重要的綠色清潔分布式能源也逐漸由獨立系統朝大規模并網系統方向發展。同時，分布式發電具有占地小、投資少、建設周期短等特點，近些年得到了大規模的發展。本文利用變電站舊站改造的機會，在變電站中加入分布式光伏發電系統、充換電站，踐行了綠色、環保、節能的發展理念，取得了可復制推廣的建設經驗，前景十分廣闊。

1 主要建設原則

分布式光伏發電建設思路：可以根據太陽光照條件因地制宜地充分利用太陽能，當地使用、當地并網，有效解決了光伏發電的并網問題，以及長距離輸電的損耗問題。

主要電氣設備一般包括光伏電池組件、逆變器、匯流箱、交流配電柜等。通過合理布置光伏板，使光伏電池組件更好地接收太陽光照射，將太陽能轉化為直流電能。根據逆變器輸入回路MPPT及電壓、電流限制，合理對光伏電池組件組串，接入逆變器。由逆變器將直流輸入電源逆變成交流電源。逆變器輸出電源通過匯流箱、交流配電柜、變壓器等，根據分布式光伏發電量的大小，合理選擇并網電壓等級，按照就近使用的原則接入電網。

充換電站建設：需要根據充電站規模合理布置充電樁車位，并設置換電池車位，更好地滿足快速充電的需求。充換電站在建設時可綜合考慮屋面光伏的布置，在建設時增設光伏組件固定所需的基礎埋件，并滿足安裝組件設備等荷載要求，為后期組件的安裝提供便利的條件。充換電站一般選用非車載快充，需要配套建設1臺箱式配電站，10 kV外接電源接至箱式配電站內10 kV母線。箱式配電站內設備包括10 kV進線柜、出線柜、變壓器，0.4 kV進線計量柜、低壓出線柜。低壓出線柜出線至戶外落地式配電柜，由配電柜分配充電樁及其他負荷用電。因充電樁采用高頻開關整流模式，可實現有源功率因數校正功能，因此，可不單獨設置濾波裝置及無功補償。充電站內設置系統監控、視頻監控、火災報警等，充電機內配置交、直流電能表等計量計費裝置。

2 工程概況

本文以廣州某110 kV變電站改造工程為依托，在該變電站改造之際，征得相關單位同意后，合理增設充換電站并配套建設分布式光伏發電。

分布式光伏發電具體設計過程如下：①經過現場勘測及查看首期結構資料，確定屋面荷載是否滿足本期加裝光伏板結構要求，得知充換電站及部分配電裝置樓屋面可利用面積約900 m2。②光伏組件選擇方面。通過對比幾種常用的太陽能電池，定于選用轉換效率高、性能穩定、使用壽命長、故障率低且性價比高的容量為295 Wp的單晶硅組件。③光伏組件布置方面。光伏組件在混凝土屋面沿南北向布置，并考慮屋面建筑物光照遮擋的因素，按當地光照條件最佳傾角15°安裝，以最大限度地利用太陽能。屋面可安裝360塊光伏組件，實現裝機容量為106.2 kW。④逆變器的選擇方面。選用的逆變器需具有一定的環境適應能力、抗干擾能力、過載能力、功率因素調整及各種保護功能。同時，需要實現畸變小、頻率波動小、交流輸出電壓穩定、輸出效率高；低電壓穿越能力、孤島保護、低電壓穿越、短路保護等功能，內部輸入側直流以及輸出側交流均需加裝防雷保護。外殼防護等級IP56、同時需要具備良好的環境溫度特性，即耐熱、耐雨、防老化以及高溫下較高的輸出效率。本工程選用2臺50 kW逆變器，輸出380 V交流電壓。⑤配電箱的選擇方面。配電箱內部斷路器根據額定電壓、電流進行選擇，并經過短路校驗。為了保護設備在遭受雷電或其他瞬時過電壓時免于損害，內部需設置SPD防浪涌保護。同時由于避免瞬時故障導致斷路器跳閘，需設置自動重合閘電源保護器，可減少線路停電時間、次數、糾正誤跳閘，提高供電的可靠性。同時為計量光伏上網電量，需在配電箱內配置三相計量表。由于本項目裝機容量小于1 MW，選擇0.4 kV電壓就近接入電網系統。配電箱接至充換電站箱式配電站內0.4 kV側，可實現光伏發電并網。⑥電纜的選擇及敷設。根據線路載流量大小合理選擇電纜截面，逆變器至配電箱之間電纜選用ZR-YJV22-0.6/1 kV-4×35+1×16。配電箱至光伏并網柜之間電纜選用ZR-YJV22-0.6/1 kV-4×70+1×35；光伏直流電纜選用光伏專用線纜PV1-F-1×4mm2。組件下方的線纜，直接用扎絲綁扎在支架上，無組件的地方槽盒內敷設。在電纜槽盒內敷設的線纜在進入和引出槽盒時，需金屬管保護。槽盒內電纜有高差處，應防止電纜的拉斷，每隔1.5～2 m用1～2 mm厚的銅帶或鋁帶電纜卡固定1次，同時槽盒轉彎處需滿足電纜轉彎半徑的要求，并注意避免刮傷電纜防護外套，以保證電纜的安全穩定運行。⑦防火封堵設置。直流線纜與交流電纜分別設置獨立槽盒，同一槽盒里放置多層電纜，需用防火隔板隔開。電纜進出防火槽盒需刷防火涂料，槽盒接頭處及中間段做防火封堵。電纜進出配電柜設備底部及電纜溝、穿墻開孔處均需做好防火封堵。⑧接地設置。屋面光伏組件支架及屋面電纜槽盒、屋面逆變器、配電箱等金屬外殼需采用50×5鍍鋅扁鋼可靠焊接，形成等電位接地網。并沿建筑物墻面向下每隔20 m明敷接地引下線，引下線敷設至地面以下與建筑物水平接地網連接，并在連接處設置L=2.5 m垂直接地極；使接地電阻值滿足小于4 Ω。如果不能滿足，則需要增加降阻劑或將接地網引至電阻率較低的地方。

圖1 充換電站、分布式光伏發電接入系統配電接線圖

充換電站具體設計過程如下：①根據充換電站建筑規模，共設置5個充電車位，1個換電車位；電池充電可在電荷低谷期進行，避開負荷高峰期合理降低電力成本。②充電樁的選擇方面。為了滿足更多電動車用戶的需求，本項目選擇可以快充的落地式直流充電樁。充電樁外殼防護等級為IP54、耐熱、防潮、耐低溫、耐老化、耐撞擊，良好的絕緣特性，外殼及電纜都要具有阻燃性能。本項目選用配置5臺60 kW非車載一體式充電機，充電機主要技術參數為額定功率60 kW、輸出電壓350～700 V、輸出電流2～120A、功率因素≥0.98、效率≥0.93.同時，充電機內配備直流電能表，電度計量表準確等級不低于1.0級同時應具備分時計費功能。③箱式配電站的選型及布置。依據充換電站用電負荷以及光伏發電量，本工程選用1臺400 kVA的干式變壓器，10 kV側選用負荷開關柜配置1臺10 kV進線柜、1臺出線柜，形成單母線接線。0.4 kV側配置1臺進線計量柜、2臺低壓出線柜，采用固定式低壓柜單母線接線。1臺出線柜接至充電站內充電機配電柜、1臺低壓出線柜作為光伏并網柜。箱式配電站內配套設置直流屏以及DTU等二次保護及自動化設備。箱式配電站設置在充換電站旁，周圍設置護欄，外殼防護等級為IP54。④戶外落地式配電柜的選擇。額定輸入電壓Un=AC380 V，額定輸入電流In=630A，防護等級為IP54。柜內開關設置為1進9出，根據配電設備選型原則選定各路開關大小。配電柜設置在箱式配電站旁，聯絡低壓出線柜與充電樁，為充電樁提供電源。⑤電纜的選擇。低壓出線柜至配電柜采用2根ZR-YJV22-4×120+1×70截面電纜埋管敷設；配電柜至各充電樁電纜選用ZR-YJV22-4×35+1×16截面電纜沿電纜溝敷設；其他站用電回路電纜截面根據電流大小配置。⑥其他配套建設內容。照明、通風、空調、充電監控、視頻監控、火災報警、通信等功能需同時配套建設。充換電站、分布式光伏發電接入系統配電接線圖如圖1所示。

3 結論與展望

本次在廣州某110 kV變電站改造工程中配套建設充換電站及分布式光伏發電系統，響應了國家發展清潔能源政策的號召，積極發展新能源，充分利用現有變電站屋頂、充換電站車棚屋頂建設分布式光伏發電系統。分布式光伏發電可就近補償充換電站內用電，降低了光伏發電在變壓器升壓及長距離輸送中的損耗；同時，減少火力發電煤炭消耗量和二氧化碳排放量，實現能源“綠色發展”。充換電站的建設，由于充電樁選用先進的直流快充技術，可以為電動汽車提供方便快捷的充電服務，合理緩解充電難、充電慢的問題?！白冸娬?分布式光伏發電+充換電站”的建設模式探索，為未來深入地研究新能源綜合建設模式提供了一個思路，建設經驗值得推廣。但在建設時，需合理評估其對電網及變電站帶來的影響，在保證電網安全穩定的前提下，合理展開綠色建設模式的探索與實踐。