摘要：介绍目前光伏箱变分布式辅助电源的运行状况，对光伏箱变用电情况进行分析，指出目前光伏箱变辅助电源存在的缺陷，提出一种集中式辅助电源系统，并在经济性和可靠性方面对两者进行对比。
关键词：光伏；辅助电源；优化设计；
1 引言
近十多年来，我国光伏发电产业持续快速发展，2013 年至 2018 年，中国连续六年光伏发电新增装机容量世界排名第一。近年来为实现光伏发电平价上网，对光伏企业形成降本增效、降低光伏产品价格的倒逼机制，国家根据光伏发电发展规模、发电成本变化情况等因素，逐步调减光伏电站标杆上网电价。在全行业都在努力实现平价上网的时候，却因为一些小细节的忽略导致光伏企业的收益流失，对于一些净利率极低甚至亏损的企业来说，减少这部分损失意义重大。
光伏从业人员往往更加注重，如何提升光伏组件和逆变器的转换效率，较少考虑其他光伏设备的电量损耗及其维护成本。本文中笔者基于光伏箱变辅助电源的运行情况，提出一种新的供电模式。通过对比两种模式的经济性和可靠性，为光伏电站节能提效提供更多选择。
2 光伏箱变辅助电源介绍
2.1 光伏箱变低压侧电能特性
光伏箱变低压交流侧的电能，因技术和系统原因包含以下特性。
电压规格多：光伏逆变器生产厂家众多，技术更新速度快，逆变器的输出电压规格较多，额定电压从270~800V不等。
过电压高：光伏逆变器采用IGBT开关单元，导致交流侧输出电压的dv/dt值较高，实践及理论分析表明，较大的dv/dt值会导致长线传输时电缆内电压升高，对与PWM逆变器相连的元件的绝缘造成不良影响。
对地电压高：为减少光伏组件效率衰减，需要对光伏组件或逆变器的负极采用某种形式的负极接地，导致逆变器交流侧含有峰值高达1000V的对地电压。
故箱变的低压交流电源具有电压规格繁多，对地过电压超出民用电器标准，且电压的dv/dt值较高，影响用电设备的安全运行。
2.2 分布式辅助电源系统的构成与作用
箱变内部有智能测控、温度控制器、框架断路器、UPS等用电设备，这些设备的工作电源采用市电标准，对电能质量有较高的要求。而箱变低压侧与逆变器交流侧直连，电能质量不能被上述用电设备直接使用。为保证光伏箱变的正常运行，以及箱变故障或停电检修期间的用电，需配置辅助电源。常用的光伏箱变辅助电源系统见图1所示。这种每台箱变配置一套辅助电源系统，电源彼此独立，可以称为分布式辅助电源。
图1 分布式辅助电源系统
在分布式辅助电源系统中，辅助变压器能够将非标电压转换为220/380V，同时能隔离线路上的过电压，保证用电设备的安全运行。在箱变发生故障或停电检修期间，UPS能够提供监控、照明和操作用电。根据箱变的自用电情况和日常维护需要，通常辅助变压器容量为3~30kVA，UPS容量为1kVA，后备时间1小时。
3分布式辅助电源系统存在的问题
3.1 故障多和维护工作量大
大中型地面光伏电站一般设置在边远地区，北方地区面临严寒、沙尘、风雪侵入，南方地区面临潮湿、暴雨侵袭。在夏天高温季节，强烈的太阳辐射加上变压器自身热量，箱变仓体内部温度可高达60℃以上，而UPS的正常工作温度为0～40℃。在恶劣的运行环境下，分布式辅助电源系统故障频发，严重影响正常发电运营。据统计主要有以下故障：
a．辅助变压器因潮气和风沙侵入而烧毁；
b．UPS因高温烧毁或不能正常工作；
c．UPS的蓄电池寿命严重缩短，电池需两年更换一次；
d． UPS的蓄电池存在漏液和火灾隐患；
分布式辅助电源系统布置于单台箱变内，缺少远程监控和齐全的保护系统，不能做到集中管理。箱变之间相隔几十米，需要逐台巡检，增加维护工作量。
3.2 辅助变压器的利用率低
辅助变压器绝大部分为轻负荷运行，年负荷率不到5%，但在维护或应急抢修时，用电量剧增，变压器负荷率增加。典型的辅助变压器负载类型见表1所示。
表1 典型辅助变压器负载类型
从表中可以看出，需要系数不小于0.05的负载总功率仅为350W,变压器长期负荷率只有3%，极少出现满负荷运行，绝大部分容量得不到利用，浪费大量有色金属和绝缘材料。
3.3 辅助变压器的效率低
辅助变压器容量小，箱变的主变压器容量较大。往往业主和制造厂家更重视提升主变压器的工作效率，而忽视辅助变的工作效率。辅助变压器属于非标类产品，因容量较小和工作环境恶劣，与船舶变压器类似，故损耗标准采用CB/T 4388-2013《船用变压器》中的相关规定。其损耗大小见表2所示。
表2 三相辅助变压器的空、负载损耗数据
以西北地区50MW光伏电站为例，配置50台1000kVA箱变，每台箱变装有一个5kVA的辅助变压器，在25年运行期间，消耗空载电量计算公式为
Q=NP0T （1）
式中：Q-电量（kW·h）；
N-变压器台量；
P0-空载损耗（kW）；
T-时间（h）；
则 Q=50×0.095×24×365×25
=1040250kW·h。
由此可见整个电站的辅助变压器，在全生命周期消耗空载电量达一百万度以上。与此同时辅助变压器的长期负荷率极低，用电量小，空载损耗占比较大，造成工作效率偏低。变压器的效率计算公式为：
η=(1-
)×100% （2）
式中：η-变压器效率；
P0-空载损耗（W）；
Pk-负载损耗（W）；
β-负载系数，取值为3%；
SN-变压器容量（VA）；
-功率因素，取值为1；
查询表2，5kVA辅助变压器的空载损耗P0为95W，负载损耗Pk为175W，将数值代入式（2）可得，5kVA辅助变压器的长期工作效率为61%。通常电力变压器的效率一般都较高，大多数在97%以上，大型变压器效率可超过99%。对比电力变压器，辅助变压器的工作效率非常低下，能效等级不能满足国家要求。
3.4 增加初始成本
分布式辅助电源系统包括辅助变压器和UPS两个主要的元件，根据当前的市场价格，5kVA辅助变压器单价约1800元，1kVA后备1小时的UPS单价约2500元。UPS和辅助变压器需占据一定空间，导致箱变前仓面积增大，成本增加约500元。三项合计4800元，占箱变成本约3%，又因辅助电源系统的各种故障带来的售后服务成本，严重降低生产厂家的利润水平。
4 集中式辅助电源系统的构成
分布式辅助电源系统存在较多的缺点，迫切需要一种新的供电模式替代目前的供电方案。在现供电方案中，单台箱变用电量长期负荷仅350W左右，绝大部分的容量属于故障检修备用容量。而光伏电站工作人员逐一检修各台箱变，不会出现所有箱变同时需要检修的用电现象，故单台辅助变压器的备用容量可供所有箱变检修所用。
分布式辅助电源系统的UPS分布于单台箱变中，不利于集中管理，且在恶劣的环境中故障频发。可考虑取消UPS，后备电源可用变电站集控室的市电代替，该电源更加稳定、续航能力更强。按上述原理设计集中式辅助电源系统，其系统拓扑图见图2。
注：1-受电箱变；2-供电母线；3-馈电支线；4-集中式电源柜；5-馈电母线；6-馈电箱变
图2 集中式辅助电源系统
在光伏发电场中部位置，设置一台集中式电源柜，柜内包含辅助变压器、双电源自动投切开关、微型断路器、保护设备等，并取消了UPS电源。集中式电源柜从就近的箱变低压侧取电，通过辅助变压器转换成合适的电压，沿馈电母线和馈电支线，将电能送往各个箱变。当馈电箱变需维护而不能供电时，双电源自动投切开关切换到集控室220/380V市电，保证供电的不间断性。
5 两种模式经济性和可靠性对比
5.1初始投资成本对比
以西北地区50MW光伏电站为例，包含50台1MW的箱式变压器。按分布式辅助电源系统的要求，每台箱变配置1台5kVA的辅助变压器，1个1kVA的UPS，后备时间为1小时。
单台箱变长期自用电负荷为350W，则全部箱变的总自用电，长期负荷为17.5kW，另加备用检修容量为5kVA。当变压器的负荷率50~70%时效率最高，故集中式辅助电源系统，可配置一台30kVA的辅助变压器。供电母线和馈电母线可选4×6mm2电缆线，总计长度约2000m。馈线支路可选4×2.5mm2电缆线，单台箱变需要约50m馈电电缆线。按目前市场价格计算两种供电模式的初始投资成本，如表3所示。集中式初始成本比分布式初始成本低17.55万元，每千瓦投资成本可降低3.51元。
表3 初始投资成本对比
5.2 运行费用对比
分布式辅助电源系统的辅助变压器效率、利用率都不高，长期运行空载电量损耗较大，在恶劣的环境中UPS电池每隔两年需更换。集中式辅助电源系统只有一个电源变压器，其利用率和工作效率高，又因用双电源自动投切开关代替UPS，无电池更换和维护成本。故后者较前者的运行费用和维护成本有巨大的优势，可节约费用142.22万，具体费用对比如表4所示。
表4 25年运行费用对比
5.3 可靠性对比
分布式辅助电源系统的元件置于箱变内部，工作环境恶劣，导致辅助变压器和UPS故障较多，如果箱体内部元件布局不合理，缺少保护系统，导致故障扩大化，引起箱变短路烧毁等严重事故，造成严重的经济损失。
分布式辅助电源系统安装在各个箱变中，数量庞多，不便于安装远程监控，现场巡检工作量大，不能及时发现潜在的隐患，可靠性能较差。
集中式辅助电源系统只有一个电源装置，可以提供完善的监控和保护装置，能够安装空调和除尘系统，故工作环境优良。并且巡检工作量少，能提供完善的保养服务，尽早消除隐患。并且集中式电源柜与箱变分离，其故障不会造成箱变短路。由此可见新的供电模式的可靠性和安全性明显高于目前的供电模式。
6 结束语
笔者通过分析光伏箱变分布式辅助电源系统的具体负载和工况，系统总结分布式电源模式存在的各种问题和缺陷。针对辅助电源的运行特点，提出集中式供电模型，对比前者模式，有巨大的经济优势，并且可靠性和安全性更高，能够提升光伏发电企业的利润水平。
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作者简介：
刘卓昌（1987-），男，湖南衡阳人，工程师。
论文作者:刘卓昌1,卢冬华2,高伟3
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
标签：变压器论文; 电源论文; 光伏论文; 分布式论文; 系统论文; 电压论文; 集中式论文; 《电力设备》2019年第5期论文;