关于太阳能的散文(一)
关于太阳能光伏并网发电发电技术 在青藏铁路车站的设计分析
高 佳 鲁延武 （北京日佳新能源发电系统规划设计院，北京市） 摘 要 本文通过对青藏铁路工程应用太阳能光伏发电系统的理论技术分析，介绍太阳能光伏发电技术在高海拔地区应用时带来的影响，为太阳能光伏发电系统设计提供一些技术依据。
关键词 青藏铁路 太阳能光伏发电 发电量 海拔 并网技术
前言
在我国，太阳能光伏发电技术应用起步较晚，早期应用都是停留在极为重要的场合，例如航空卫星、重要的通讯基站等等。在阳光资源丰富的高海拔、高温差的地区大量应用太阳能光伏发电技术尚属起步阶段，在系统的设计上有许多特殊要求，所以从技术上需要解决很多的问题来满足高原地区的应用。
1. 青藏铁路概要
青藏铁路工程是我国西部大开发过程中的重点工程项目，它从青海省的西宁市至西藏自治区的拉萨市，全长1956公里。其中由西宁市至格尔木路段长814公里，于1979年建成通车，在1984年正式投入运营。从格尔木至拉萨市路段，由青海省的格尔木南下沿青藏公路，经纳赤台、五道梁、沱沱河、雁石坪、唐古拉山,再经西藏自治区安多、那曲、当雄、羊八林、马乡，最后到达西藏自治区的首府拉萨市，全线新建路段长1110公里。
2. 青藏铁路太阳能电站试验站供电概述
由于青藏铁路是建设在青藏高原上，它是世界巨川大河的发源地，也是世界山地生物物种的一个重要起源和分化中心，生态环境原始、独特而脆弱。在铺设青藏铁路的同时，沿线本身有一路35kV输电线路，为保护好当地的生态环境，决定采用清洁、环保的太阳能作为车站重要用电设备（例如通信和信号设备）的备用电源，以保证铁路可靠的运行。
并网应急型太阳能光伏电站应用在国家重点工程——青藏铁路还是首次，用太阳能试验站作为备用电源。以试验的形式来实际验证建设太阳能电站的可行性，来验证具有高科技含量的并网应急型太阳能光伏发电技术是否可以应用在环境如此恶劣的高海拔地区。此地区虽然环境恶劣，但是这里是地球上太阳能资源
最丰富的地区，太阳能光伏发电的实际发电量远高于其他任何地方。
青藏铁路太阳能光伏发电系统均为无人职守站，这就要求太阳能发电系统能够在无人看管的情况下安全可靠自动运行，并且还能将运行的数据和故障情况及时地通过通信接口传递到远方的后台计算机，实现远方监视控制功能。此工程中运行最早的光伏电站成功并网运行至今已有3年多的时间，在运行期间光伏发电设备稳定可靠，为青藏铁路的安全运行奠定了坚实基础。
3. 太阳能光伏系统工作方式
图1（青藏铁路工程太阳能光伏系统图）
并网应急型太阳能光伏发电系统主要是由太阳电池方阵及支架、接线箱和功率调节器柜、交流配电柜、蓄电池组，以及设备之间的连接电缆线等组成。
正常情况下，白天并网应急型太阳能光伏发电系统将太阳能光伏电池方阵中产生的直流电（由太阳光转换为电能是纯物理的光电反应，不会产生任何有害气体及噪音，因此称为清洁能源）通过接线箱进行汇总，汇总后的直流电通过电缆线送至室内的功率调节器柜，再由其内置的并网光伏逆变器将直流电变换为与市电同频率、同相位、同电压等级的交流电，最后通过交流配电柜送入到低压交流电网，并网的光伏逆变器具有最大功率跟踪的功能（可将当时太阳电池方阵能够产生的最大电量全部抽取）。在夜间，交流电再通过功率调节器柜内具有双向运行功能逆变器的将市电整流成直流电向蓄电池组进行充电，用以保证蓄电池组总是处于满容量的状态。当电网停电时，蓄电池组储存的电能随时可以经过逆变器逆变后向外部重要负荷提供电能。
异常情况下，当白天交流电网停电时，光伏并网逆变器将断开与市电电网连接的回路，不能再并网发电，但是功率调节器可以将太阳电池方阵发的电给蓄电池组充电，同时还能通过逆变器的给交流用电设备供电；当夜间或白天阴雨天、
交流电网停电，太阳能光伏电池不能发电，此时由蓄电池组通过热备份运行的逆变器向重要用电设备进行供电，从而满足设备不间断供电的使用要求。
4. 系统方案设计说明
4.1 环境因素
青藏铁路是世界范围内海拔最高、线路最长的高原铁路干线，平均海拔约4000米以上，其中唐古拉山的铁路最高点海拔5072米，经过海拔4000米以上地区960公里，连续多年冻土地区在550公里以上。其环境温度最高温度+55ºC，最低温度-30ºC，最大日温差30ºC；风速不超过40m/s；覆冰厚度l0mm；地震裂度为8级；太阳直接辐射最大强度1260W/㎡；太阳紫外线直接辐射最大强度94W/㎡；污秽等级3级；雨季8月；年日照时数≥2700h；年平均辐射量：5600～8000J/㎡。由以上可以看出这一地区的气候及环境条件极为恶劣，但是日照强度的对应用太阳能光伏发电技术提供了自然环境优势。
4.2 系统设计
针对高原气候特点,在分析气候对电气设备工作影响的基础上,从电气绝缘、电器分断性能、电器温升、低温材料的选用、电器的耐低温性、耐电晕、导体的爬电间隙、绝缘材料温度补偿等方面,对高原电气设备选型提出了设计要求。
太阳能光伏发电并网系统设计比独立光伏系统相对简单，由于并网发电是按照最大功率跟踪方式运行的。给蓄电池组充电是对自漏电的补充充电，而且电网和太阳电池都可以为蓄电池充电。
4.2.1 太阳电池方阵设计
电池组件的设计参数
KC158G组件在标准条件下（组件芯片温度25℃，辐照度为AM1.5，1000W/m2）的电气特性如下表：
表1
型号 开路 短路 最大输出 电压 电流 工作电压
Voc（V） Isc（A） Vpm（V）
23.20 最大输出工作电流Ipm（A）最大 功率 Pm（W）最大系 统电压 （V） 组件 效率 （％）
此项工程的太阳电池方阵的总容量为13272Wp，方阵的设计形式是158Wp的组件采用14串联6并联的结构（太阳电池组件采用当时世界产量排名第四的日本京瓷公司生产的KC158G型多晶硅太阳电池组件），为日本一级产品，太阳电池组件的平均寿命为25年。组件基本参数如下表：
表2
型号
KC158G 晶体类型 外形尺寸（mm）重量 （kg）风压 （Pa）固定螺栓 （mm） M6 芯片 构成 多晶硅×990×
4.2.2 方阵架台的设计
太阳电池方阵支架设计为槽钢材质，根据铁道部的要求，支架的防腐措施采用钢制并在表面涂防锈漆的处理方式。型钢的强度经过计算满足当地最大风速及积雪荷重的要求，支架的强度可以最大限度的承受自重和风压相加后的荷重，同时考虑温度变化对方阵架台应力的要求。为了取得太阳电池方阵的最大发电量，通过统计和计算得出使方阵的方位角（方阵的朝向）为0°（朝向正南方），倾斜角为35°左右可以获得较好的发电效果。用在地理位置差别不大的地方架台其倾斜角度稍有不同，因此设计的太阳电池方阵板的倾斜角度完全可调，可调的角度是±5°。
由于太阳电池方阵的占地面积较大，考虑到当地会有瞬时的大风，将方阵分成若干个单元（由6块组件按照上、下顺序摆成1列构成），单元之间留有较大的通风间隙，这样可以将方阵的受力减轻，在单元与单元之间的偏上部有连接横梁，使整个太阳电池方阵形成一个整体来增加其稳固性。通过计算确定选用材料的材质及强度规格，其中每条腿上的锚固板有10mm厚，可以适合于钢筋混凝土基础垫层或其它钢结构支架和安装直径为12mm的锚固螺栓，通过计算得出架台的抗风等级为60米/秒。保证太阳电池方阵安全与可靠地使用，确保太阳电池方阵的使用寿命达到预期的要求。
4.2.3 功率调节器的设计
并网光伏发电功率调节器的主要用途:它是光伏发电系统中最主要的平衡设备之一,在并网光伏发电系统中,可与电力系统并网使用,也可以独立发电使用。既有效地利用太阳电池的输出电功率,又能稳定地向用电负荷供电。当太阳电池的输出功率超出负荷所需电功率时,剩余电功率又可反向流入到电力系统中。同时,在交流电力系统停电时,它还可作为应急电源使用。而功率调节器本身的主要作用是把太阳电池的直流电转变成交流电，并能与电网并联运行。
功率调节器柜内的逆变器容量设计时，重点考虑海拔高度为5000m时情况，由于上述原因，逆变器内功率元器件的载流量和散热受到影响，应降容设计。采用的逆变器为三相四线输出类型，额定容量为20KW，配置13.27KWp的太阳能电
池板可以满足功率使用要求。功率调节器柜和交流配电柜柜体尺寸规格、颜色应—致。
4.2.3.1并网保护功能
1）检测出系统电压过低或过高，频率过低或过高时，断开与电力系统的联系，安全地停止下来；交流电源恢复的时候，确认安全并经过一定的时间后，自动的再开始并网运行。
2）电压自动调节功能；
连接到（电力）系统中的光伏发电设备，出现剩余电功率的逆潮流的时候，系统阻抗高，受电点的电压升高，往往会超过电力公司的使用值。为避免于此，有如下电压自动调整功能：
A、相位超前无功功率控制
系统电压相位超前无功功率控制的设定值，从功率因数为1过渡到超前无功功率控制，供超前电流给系统，控制电压升高，电流超前为最大值时，功率因数约达到0.85，抑制电压升高的效果在额定输出电压的1－3％的程度。过渡到这种控制方式时，因为逆变器的视在功率增加，变换效率略微降低。
B、控制输出功率
当用控制相位超前无功功率后，对电压升高的抑制达到了临界值时，系统电压转到由输出功率控制的设定值，限制逆变器的输出功率，防止电压升高。例如，太阳电池的发电功率即使在额定值，也要限制逆变器的输出功率在其以下，这时候太阳电池的发电功率的利用率降低了。再者，系统的电压不会逆潮流升高，而按照供给侧为主要考虑因素，最大限度地缩小输出功率。
3）防止直流接地、直流注入电网、单独运行功能等。
一方面在逆变器内部加入直流接地检测的分流