（坤能电力工程设计（上海）有限公司200001）
摘要：太阳作为万物之源，一直在源源不断的为我们其提供能量。人类发展至今，在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为能源的重要组成部分，并不断得到发展。其发展和应用将对人类改善地球环境有重大意义。
关键词：太阳能；变电站；逆变系统；微电网
引言：光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。
本文通过对光伏发电的全方位了解，提出了变电站的光伏发电方案：
（1）在建筑物屋顶安装太阳发电系统，对其它电气设备无影响；
（2）使用了组串式逆变器，无需配置独立的逆变屏，节省空间；
（3）配置一定功率的光伏板，用于变电站的常用负荷。
一、太阳能发电的优缺点
1.太阳能的优点
（1）普遍：无地域限制，便于采集，可直接开发和利用。
（2）无害：清洁、环保，在环境污染严重的今天，这是极其宝贵的。
（3）巨大：每天到达地球表面上的能量约相当于3562亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。
（4）长久：在地球几十亿年的寿命期间可以说太阳能是用之不竭的。
2.太阳能的缺点
（1）分散性：能量密度很低。因此，得到一定量的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集装置和转换设备，造价较高。
（2）不稳定性：受昼夜、季节、纬度和海拔以及天气等自然条件的影响，到达某一地面的太阳辐照度是间断的和极不稳定的。
二、太阳能发电的系统组成
1.光伏板组件以及选用原则
光伏板组件，即光伏电池。是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，几乎由全部为半导体物料（例如硅）的固体光伏电池组成。
光伏板组件从材料上可分为两类：硅体材料和薄膜材料。硅体材料电池具有代表性的有硅电池、化合物电池和薄膜电池。
（1）单晶硅电池是出现最早、工艺最成熟的光伏电池，但受硅单晶棒形状的限制，单晶硅电池须做成圆形，对光伏组件布置有一定的影响。多晶硅电池使用了铸锭工艺取代单晶硅硅棒生长工艺，降低了生产成本。与单晶硅电池相比，多晶硅电池节约能源，节省硅原料，可以更好的平衡工艺成本和效率。
（2）非晶硅电池和薄膜光伏电池
非晶硅电池是在不同衬底上附着非晶态硅晶粒制成的，工艺简单，硅原料消耗少，并且衬底廉价，方便制成薄膜，弱光性好，受高温影响小。但其转换效率低于晶体硅太阳能光伏电池。
总的来说非晶硅电池和薄膜光伏电池虽成本低廉，但是其寿命较短且效率低。当前，在各类太阳能光伏发电技术中，晶硅太阳能电池仍然占主导地位，但薄膜太阳能电池的出货量比例不断增加。各类太阳能电池的主要性能参数见下表1。
光伏组件的选用原则：在产品技术成熟度高、运行可靠的前提条件下，结合变电站环境和施工条件等，选用行业内主导的光伏组件。在考虑土地成本或因为场地有限时，尽量选用效率较高的光伏电池。
（1）单晶硅与多晶硅对比
由于转换效率相当，对于同等容量的光伏发电系统而言，这两种光伏电池占地面积差别不大。但多晶硅光伏电池比单晶硅光伏电池产能要大，且有价格优势。因此，多晶硅电池比单晶硅电池更占优势。
（2）多晶硅与非晶硅对比
虽然非晶硅太阳能电池成本低廉但其转换效率很低，对于同等容量的光伏发电系统而言，其基础、支架及土地成本增加。另外非晶硅具有致命的光致衰退问题，使电池性能不稳定，这也直接影响了它的实际应用。
从以上比较结果可以看出，多晶硅光伏电池的性价比最高，单晶硅次之。综合考虑成本以及性能稳定等因素，变电站光伏系统推荐使用多晶硅电池组件。
2.逆变系统
逆变系统是指可以将光伏电池输出的直流电转换为交流电以便升压和并网的系统。根据逆变器输出交流电压的相数，可分为单相逆变器和三相逆变器；根据逆变器使用的半导体器件类型不同，又可分为晶体管逆变器、晶闸管逆变器及可关断晶闸管逆变器等。根据变电站的特点，这里仅推荐组串式逆变器。
组串逆变器是在模块化概念的基础上，每个光伏组串(1-5kw)通过一个逆变器，在直流端具有最大功率峰值跟踪，在交流端并联并网，是现在国际市场上最流行的逆变器。
在实际应用中，组串式逆变器较集中式逆变器具有较为明显的优势：
（1）组串式逆变器结构简单，可分散室外就近安装，根据屋顶面积选择合适的逆变器灵活组合，充分利用屋顶面积，增加投资收益。
（2）设备种类简单，节省投资。无需直流汇流箱、直流配电柜、隔离变压器、机房和相关配套工程，同时降低施工难度、缩短工期。
（3）自身消耗低，效率高。每台逆变器具备3路独立MPPT，对每一路单独跟踪，单路故障影响小，全系统发电量高。
（4）组串式逆变器设备模块化，现场安装调试简单，无需专业工程师维护，能在雨水，风沙和盐雾环境下可靠运行；
3.光伏阵列安装方式
光伏阵列的安装方式有简单的固定式、倾角可调固定式和复杂自动跟踪系统三种类型。目前，太阳能跟踪系统尚不完善，转动系统出错或机械故障都会使发电量大大降低。同时需要技术人员维护，运行成本投入较大，收益风险大。而倾角可调固定式方式下，光伏系统的发电量较固定式提高较小，并且其支架价格较贵，占地面积较大，性价比较差。相对而言，固定支架则结构简单，安装维护方便，收益比较稳定。
经过初步比较，考虑到常规变电站的现状，本文推荐变电站中的光伏板全部采用最佳倾角33°固定式支架。
4.微网运行方式
（1）并网运行
当光伏发电系统发电量大于变电站内负荷的需求时，多余的电能可用于给电池储能系统充电或馈入电网；当光伏发电系统和储能系统发出的电能尚不能满足负荷的需求时，由变电站内的站用变补充不足部分。
（2）孤岛运行
当主网故障，微网断开与主网的连接，孤立运行，单独给站内负荷供电，并根据发电量和负荷情况对自身所带负荷进行投切控制，必要时可通过变电站监控系统和智能辅控系统对其他负荷进行投切控制。当主网故障排除后，微网从独立运行模式重新切换回并网模式。
三、太阳能在变电站的应用
本文以某220kV变电站为例来研究太阳能发电在变电站中的实际应用。在某变电站楼顶布置太阳能光伏板，以20块太阳能光伏板为一个安装单元，每块光伏板发电功率为250W，故单个发电模块发电功率为5kW。
整个屋面共布置10个模块，光伏板分为两组，每组25kW，功率总共50kW。使用组串式逆变器逆变为三相380V，经汇流箱汇流、隔离变压器隔离调相接入站用电I、II段母线。设备布置于屋面，根据设备高度计算，无需加设防雷设备，借用原出线的避雷线即可。
[1]常永远.太阳能光伏技术的研究与发展[J].中国科技博览，2011（17）：304.
[2]王斯成.国内外光伏发电现状及趋势.《中国电力发展与改革研究》2009年第12期22-25页.