摘要：针对现有变电站预制舱在全站停电的情况下，仅能依靠舱门采光的问题。本文以预制舱电气照明节能设计要求及其标准为基础，针对站用电单一照明技术的缺陷，提出了光电互补技术应用方案。按该方案实施优化改造后，二次设备预制舱照明系统基本满足了预定的各项需求，并兼顾了动力系统在突发情况下的供电需求。
关键词：预制舱；照明；光电互补技术。
前言
目前，智能变电站在低碳环保、交互性强与高集成度以及提供优质电力等方面已愈来愈显现其优势，但存在非标准构件多、建设周期长、不能形成工业化生产和标准化设计以及一些高级应用功能不能得到有效实施等不足。因此，智能变电站建设需要注入新的“基因”，实现建设模式的进一步深化，以提升“两型一化”的建设目标。智能变电站正是在上述背景下为提高智能变电站标准化建设水平、工程安全和工艺质量，缩短建设周期，追求效益最大化而诞生的一种新的建设模式，预制舱的应用成为其最重要的建设亮点之一。
1预制舱的结构及照明系统
1.1预制舱结构
变电站预制舱采用型钢梁柱构造，可为单个舱体，也可为多个分舱体拼接而成。舱内根据需要配置消防、安防、暖通、照明、通信和集中配线架等辅助设施，环境满足变电站二次设备运行条件及调试维护人员现场作业的需求，其标准尺寸如表1所示。根据变电站建设规模和配置设备数量的多少，灵活配置舱体。
表1预制舱标准尺寸
1.2预制舱内柜体结构
预制舱内屏柜尺寸推荐采用2260* 800* 600 mm规格。为适应预制舱结构的特殊性需求，放在舱内的柜体需要采用前接线方式，屏柜前面朝向舱内，取消后门，屏柜后部紧贴舱壁，因此屏体结构需要改进。如图1所示。
图1 舱内前接线柜体布局俯视图
采用前接线柜体的优点是屏柜双列布置，可有效利用舱内空间，屏柜数量可满足工程要求，屏柜内接线、调试与操作维护均在机柜前面完成。
1.3预制舱照明动力系统
预制舱内照明满足《火力发电厂和变电站照明设计技术规定》DL/T 5390-2007、《建筑照明设计标准》GB50034-2004、《低压配电设计规范》GB50054-2011、《消防应急灯具》GB17945-2010 等相关规程规范的要求，舱内0.75米水平面的照度不小于300lx。灯具采用嵌入式LED灯具，均匀布置在走廊及屏后顶部，各照明开关设置于门口处，方便控制。照明箱安装于门口处，底部距地面高度为1.3m；照明开关面板底部距地面1.5m，侧边距门框200mm，采用嵌入式安装。灯带布置情况如图2所示。
图2预制舱灯带布置情况
正常舱内照明为间隙性负荷，并非长期性负荷，即当舱内有人员工作时该负荷才会开启。且使用站内公用电源作为照明动力系统的备用，蓄电池容量按满足正常照明连续工作2小时配置。
1.4站用电源供电照明技术
目前，大部分变电站预制舱内照明系统由正常照明和应急照明组成。如图3所示，正常照明采用站内AC220V电源直接供电，应急照明则取自站内UPS事故照明电源。
图3站用电源照明技术原理
站用电源照明可满足基本条件下的工作人员维护，但是当整个变电站停电时，预制舱只能通过舱门进行采光，舱内二次设备大都处于无照明情况。
2光电互补技术
太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连，类似一个小型发电场；另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。
并网发电系统通过光伏数组将接受来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、通相的正弦交流电。
独立式太阳能发电系统是通过硅光电池，把太阳能转换成电能，电能通过太阳能控制器对储能装置充电，转换为化学能，当需要用电时，化学能再转换成电能供给负载。而光伏照明动力系统便是独立式太阳能光伏发电系统的一种具体运用。
基于上述站用电源供电照明技术的缺陷，二次设备预制舱采用结合太阳能光伏与站用电源供电照明的技术，即光电互补技术。太阳能光电互补技术原理如图4所示，通过控制器对电源进行选择，当蓄电池电量充足时，选择太阳能电源；当蓄电池放电电压达到最低值时，自动切换至公用电源。
图4 光电互补技术原理图
3技术应用分析
以某220kV变电站工程实例分析光电互补技术的应用。
220kV变电站根据二次设备集成优化后，共配置3个预制舱式二次组合设备模块。3个预制舱分别为公用设备预制舱、220kV及主变间隔预制舱、110kV间隔预制舱。公用设备预制舱、220kV及主变间隔预制舱均为Ⅲ型预制舱，尺寸（长×宽×高）均为12200mm×2800mm×3133mm。110kV间隔预制舱（长×宽×高）为Ⅱ型预制舱，尺寸为9200mm×2800mm×3133mm。三个预制舱分散布置于户外高压场地。该地区光照适宜，无冰雹等灾害性天气且周围无遮挡性山体及建筑。站内二次设备预制舱作为户外独立的预制设施，其照明动力系统可采用太阳能光电互补技术设计。
3.1蓄电池
能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多，目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉电池三种。国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池，因为其固有的免维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统，特别是无人值守的工作站。
蓄电池的容量，对保证连续供电是很重要的。蓄电池容量BC的计算公式为：
BC=AC×QL×NL×TO/CC
式中：AC为安全系数，取1.1～1.4之间；
QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；
NL为最长连续阴雨天数
TO为温度修正系数，一般0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；
CC为蓄电池放电深度，一般铅酸电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。
3.2太阳能电池方阵
多晶硅的光电转化率略低于单晶硅，但是材料制造便捷，节约电耗，总的生产成本较低，从资源节约的角度考虑，推荐使用多晶硅太阳能电池。
（1）太阳能组件串联
将太阳能电池组件按一定数目串联起来，就可获得需要的工作电压，但是，太阳能电池组件的串联数必须适当。串联数太少，串联电压低于蓄电池浮充电压，方阵就不能对蓄电池充电。如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时，充电电流也不会有明显的增加。因此，只有当太阳能电池组件串联电压等于合适的浮充电压时，才能达到最佳的充电状态。太阳能组件串联数量Ns的计算方法如下：
Ns=UR/Uoc=(Uf+UD+Uc)/Uoc
式中：UR为太阳能电池方阵输出最小电压；
Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压；
Uf为蓄电池浮充电压；
UD为二极管压降，一般取0.7V；
Uc为其他因素引起的压降。
蓄电池的浮充电压与所选的蓄电池参数有关，应等于最低温度下所选蓄电池单体最大工作电压乘以串联的电池数。
（2）太阳能组件并联
确定太阳能组件并联数量前，先确定其相关量的计算方法。
1）将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht,转换成在标准光强下的平局日辐射时数H：
H=Ht×2.778/10000
式中：2.778/10000为将日辐射量换算为标准光强（1000W/m2）下的平均日辐射时数的系数。
2）太阳能电池组件日发电量Qp
Qp=Ioc×H×Kop×Cz
式中：Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流；
Kop为斜面修正系数；
Cz为损失修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般为0.8。
3）两组连续最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw,主要考虑要在此段时间内将亏损的电量补充起来，需补充的电量为BCb：
BCb=A×QL×NL
式中：A为安全系数，取1.1～1.4之间；
QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；
NL为最长连续阴雨天数
4）太阳能电池组件并联数Np的计算方法如下：
Np=(BCb+Nw×QL)/(Nw×Qp)
式中表达的意为：并联太阳能电池组组数，在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅供负载使用，还需不足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。
（3）太阳能电池方阵的功率计算
根据太阳能电池组的串联并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率P：
P=Po×Ns×Np
式中：Po为太阳能电池组件的额定功率。
3.3预制舱照明动力系统设计
基于预制舱内照明系统需满足的各种规程规范的要求，预制舱内照明系统由正常照明和应急照明组成。正常照明采用光电互补式220V交流电，应急照明则取自站内UPS事故照明电源。舱体设置机械通风装置，设一个自吹式百叶窗排气扇，在其对侧设一自吹式进气百叶窗形成通风回路，当需要人员进入舱体维护时，由舱外控制启动通风装置进行换气。
由于正常照明和风机动力负荷，均为间隙性负荷，并非长期性负荷，即当舱内有人员工作时该负荷才会开启。再者，有站内公用电源作为照明动力系统的备用，因此，光伏电池组件及蓄电池的选择可以不按常规的方法来配置，处于经济性的角度考虑，蓄电池容量按满足正常照明和风机负荷能连续工作2小时配置。根据由此确定的蓄电池容量，配置太阳能电池方阵。
（1）Ⅱ型预制舱光伏系统配置
Ⅱ型舱内的正常照明负荷共240W，风机动力负荷400W。为了蓄电池满电能保证2小时640W负荷的供电，推荐配置200W太阳光伏发电系统。太阳能电池方阵由4块50W多晶硅电池板串联组成。蓄电池配2块12V/100AH免维护铅酸蓄电池。逆变器配12V/1500W纯正弦逆变器。控制器配置充放电控制器和光电互补控制器。
（2）Ⅲ型预制舱光伏系统配置
Ⅲ型舱内的正常照明负荷共360W，风机动力负荷400W。为了蓄电池满电能保证2小时760W负荷的供电，推荐配置250W太阳能光伏发电系统。太阳能电池方阵由5块50W多晶硅电池板串联组成。蓄电池配2块12V/120AH免维护铅酸蓄电池。逆变器配12V/2000W纯正弦逆变器。控制器配置充放电控制器和光电互补控制器。
（3）预制舱光伏设备布置
太阳能电池板朝南与地面呈30°倾角，均匀布置于预制舱的顶部。蓄电池组与太阳能控制器、光电互补控制器、逆变器共同组成蓄电池控制柜，置于正对舱门的角落，预制光伏设备布置效果如图5所示。
图5 预制光伏设备布置效果图
光电互补技术的使用，极大的解决了照明电源单一，无备用的情况。
4总结
本文以220kV变电站为例，二次设备预制舱照明动力系统采用光电互补设计。通过置于舱顶的太阳能电池板以及舱内的蓄电池控制柜组成太阳能发电系统，为舱内的正常照明与风机提供额外的电源，并与站用电源形成互补，从而提高供电可靠性，同时达到节能减排的目的，在变电站运行过程中达到了很好的运行效果。
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论文作者:陈家健,傅裕
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/15
标签：蓄电池论文; 太阳能电池论文; 太阳能论文; 系统论文; 变电站论文; 舱内论文; 光电论文; 《电力设备》2018年第26期论文;