一种节电的光伏并网发电系统装置设计与仿真

发表时间：2020-04-15T01:33:46.396Z 来源：《建设者》2020年1期 作者： 葛绍伟 1 蒋可 2 葛海亮 3

[导读] 箱式变压器作为光伏并网发电系统关键设备之一，降低其自身空载损耗是提高发电效率的有效方法，也是决定光伏电站能否盈利的重要因素之一。

1 安徽南瑞中天电力电子有限公司 安徽合肥 230000 2 华北电力大学 动力工程系 河北保定 071000 3 深圳市建筑设计研究总院合肥分院 安徽合肥 230000

摘要：箱式变压器作为光伏并网发电系统关键设备之一，降低其自身空载损耗是提高发电效率的有效方法，也是决定光伏电站能否盈利的重要因素之一。本文提出了一种光伏专用智能节电柜，利用高压分/ 合闸电阻配合组合式过电压保护器，该装置在光伏并网发电系统不发电时， 切除变压器的空载损耗，并通过 PISPICE 软件建立对应模型进行仿真实验，分析可知：光伏节电柜投入使用后大大减少了变压器空载损耗，减少设备故障发生率，延长设备使用寿命。实验结果验证了该方案的可行性。 关键词：光伏发电；智能节电柜；PISPICE；仿真模拟；节电；励磁涌流 1.

引言

光伏发电作为公共电网的一种备用电源，建立光伏并网系统可以较好的缓解用电高峰时电力系统所承受的压力。据统计，光伏并网系统已经占据了目前光伏发电设备销量的 40%，成为该领域的发展最迅速的高新技术之一 [1]。此时，优化设计、提高光伏系统效率、降低运营成本对于光伏电站盈利尤为重要。其中，降低光伏发电系统设备自 身损耗是提高发电效率的有效方法之一。当前光伏并网发电系统中，升压变压器与电网之间的高压断路器是一直闭合的，致使变压器空载损耗无法消除。即使光伏系统在夜间可以通过人工或控制装置脱离主电网以去除这些空载损耗，但频繁切合空载变压器会引起操作过电压和励磁涌流，对断路器和变压器绝缘造成损伤，导致设备故障率升高及降低设备使用寿命。

光伏系统箱式变压器的一个最大特点是夜间完全处于空载运行状态，变压器运行时自身损耗不可避免，故降低乃至切断损耗是变压器节能的主要途径之一。光伏专用智能节电柜利用高压分 / 合闸电阻实现对操作过电压和励磁涌流的抑制，并配合组合式过电压保护器对相地及相间过电压进行保护，以保证设备可根据需要安全地进行切合操作，夜间将光伏箱体变压器退出主电网避免空载损耗，达到节能目的。 2.

系统设计原理与技术特点系统设计原理

图 1. 系统总体框图图 2.. 系统工作原理示意图

如图 1 所示，控制单元主要实现对电池板发电电流的监测以及对

高压开关 1 和高压开关 2 的控制。图 2 中光伏专用智能节电柜位于光伏箱变输出端与 35kV 电网之间，控制装置检测系统电压、电流及接触器状态信号。启动光伏并网发电时，装置先检测主接触器Jz1，确保 主接触器 Jz1 处于分闸状态，闭合辅接触器 Jz2，此时因串接在辅接触器 Jz2 上的大功率电阻 R 的作用，抑制投入空载变压器时的操作过电压和励磁涌流，然后安全闭合主接触器 Jz1，再分断辅接触器Jz2，完成系统的软启动操作。

夜间光伏系统停止发电，将光伏箱体变压器脱离主电网，此时先闭合辅接触器 Jz2，使主接触器 Jz1 上并入与辅接触器 Jz2 串联的大功率高压电阻后，再安全分开主接触器 Jz1，然后分辅接触器 Jz2，由于大功率电阻 R 及组合式过电压保护器的作用，抑制了励磁涌流和操作过电压，完成系统的软停止操作。

技术特点

1) 按照用户设定的动作时间安全完成自动启动与停止，并记录系统分 / 合闸状态累计时间；同时增设了 GPS 校时功能，保证了分 /合闸时刻的准确性；

2) 由于分 / 合闸电阻及组合式过电压保护器的作用，可有效抑制分 / 合闸时的操作过电压及励磁涌流，保证系统可安全可靠地进行频繁分/ 合闸操作；

3) 控制器采用先进的微处理器核心，抗干扰能力强，控制大功率接触器，实现光伏系统的软启动控制功能，控制器具有 32 个事件顺序记录且掉电不丢失功能，并自带标准的 RS485 接口，实现各种状态的远程监控, 实现与其他设备互联； 4) 根据需求，可配置节电计量装置，计量累计节省的电能； 5) 具有就地应急操作功能。 3.

仿真模拟与分析

利用PISPICE 软件对以上原理进行仿真验证，仿真结构如图3 所示。光伏发电系统，逆变器输出的电压由升压变压器升压到 35KV，5台升压变压器经一台断路器与 35KV 电网系统相连。升压变压器 T1、T2、T3、T4、T5 容量均为 1000KVA，Dy11 连接，升压变压器 35KV高压侧额定电流为 16.5A。光伏柜内限流电阻 R1、R2、R3 均为 1000Ω， 功率 2500W。

图 4. 变压器合闸涌流仿真波形图

比较两光伏节电柜限制变压器合闸涌流仿真波形图，可知光伏柜 的使用具有明显抑制涌流的效果，光伏节电柜投入使用后使得励磁涌流降低到原来的十分之一，甚至更低，从而大大减少变压器绝损伤， 减少了设备故障发生率，提高设备的使用寿命。以 1MW 光伏并网发电系统为例，配置一台容量为 1000kVA 的 35kV 变压器，其空载损耗约为 2700W，每年的耗电量约为 12000 度。若光伏节电柜投入使用可将这些电量全部节约回收，效果显著。 4.

结论

本文提出了一种新的光伏并网发电系统的节电装置，相比较于市 场上传统的发电系统，该装置可在光伏并网发电系统在不发电时，切除变压器的空载损耗。仿真实验结果表明，该新型节电装置能够安全 操作使用，有效避免了变压器空载损耗，具有明显抑制涌流的效果，达到了节电的目的；有效的保护了相关设备装置，且结构简单、成本 相对低廉。该装置为光伏并网发电系统降低空载损耗的实现提供了一种新的思路，同时为光伏并网发电系统提供了新的应用场景。辅助系统的故障问题

虽然辅助系统的结构较为简单，但是在运行的过程中起到了不可 分割的作用。引发辅助系统故障问题的主要原因为以下内容：第一，弱电半导体器件故障。辅助系统中弱电半导体器件占绝大部分，一旦 该器件发生故障，将对辅助系统产生严重影响。目前，造成弱电半导体故障的主要原因为以下两方面：一种是弱电半导体处于长期的工作 状态，其运行的可靠性大幅度下降。一种是一些外部环境的影响因素对弱电半导体产生损伤，进而导致辅助系统失效。第二，电力半导体 器件故障。辅助系统除了会发生弱电半导体器件故障外，还可能会引发电力半导体器件故障。由于逆变器经常处于强烈电流的工作环境中， 如果设计师没有充分考虑到这一因素，则很有可能会导致电力半导

体 器件故障。第三，辅助系统电容器故障。逆变器可以为地铁的设备提 供稳定的交流电，在稳定的电压作用下电容器表面会产生氧化铝薄膜。 虽然这种薄膜能够自行恢复，但是在地铁的长期运行过程中，其破坏 的速度会变大，氧化铝薄膜损伤则会引起电容器故障。 三、地铁电气系统中牵引与辅助系统的故障检修

牵引系统故障检修

通过对地铁电气系统的研究不难发现。大多数地铁牵引系统故障 多发生在距离牵引变电所较远的地方。因此，在近距离的分析过程中， 采用故障仿真系统进行更为方便，通过仿真能够快速识别出馈线电流。 通过对电流的观察，能够找出牵引系统中故障的位置。仿真的检修模 式还能够有效避免暂态过程的干扰。通过相关参数可以十分精准的进 行模拟故障，这样可以对故障问题做出精准的定位，找出故障引发的 原因，进行科学的检修。

辅助系统故障检修

目前，地铁管理人员对地铁电气系统中的辅助系统检修主要采用的是神经网络诊断方案。通过在地铁电气系统网格中输入辅助系统样本信息，经过大量的训练，从而获得目标诊断网络。然后提取出故障诊断的特征，进行故障的预处理，在神经的网络中进行故障检测。通过检测的结果找出故障的原因，采取有效的检修方案，进行科学的维修。 四、结束语

目前，地铁的正常运行能够大幅度减轻城市交通堵塞的问题，在我国的一些较大的城市中得到良好的应用。本文通过对地铁电气系统中系统故障的问题进行深入的研究，并提出科学的检修措施，希望能够帮助地铁管理人员在处理地铁故障问题时能够做出正确的应对方案， 从而减少地铁故障问题的发生，保证我国地铁能够有效的运营。 参考文献

[1] 孙磊 . 地铁直流牵引供电系统车网保护配合研究 [D]. 北京交通大学,2019. [2] 曾成 . 地铁车辆可靠性评估与维修决策技术研究 [D]. 广东工业大学,2019.

统[J]. 西华大学学报( 自然科学版)，159X.2014.06.

[8] 史健芳, 陈惠英, 李凤莲. 电路分析基础[M]. 人民邮电出版社， 第1 版第1次.

[9] 李平 , 宋晓 . 基于改进串联合闸电阻的变压器励磁涌流抑制研究[J]. 工矿自动化，2013.04.017. [10] 吴佐民 , 全恒立 , 杜永红 . 串联合闸电阻的变压器励磁涌流抑制策略研究[J]. 电气应用，2011-15-017.

[11] RaulFizesan,OvidiuPop.ParameterizedPISPICEplatformsforACandti me-domainsimulations[J].IEEEXplore,10.1109/UPEC.2014.02. [12] 杨永东, 曾庆立, 唐圣学.OrCAD/pispice 在自动控制系统仿真中的应用[J]. 矿业工程研究，09-2015. 作者简介

葛绍伟，男，1981，本科，硕士学位，研发工程师，主要从事于 配电及用电领域产品开发、研究。