郑国兴

七星电气股份有限公司，福建 泉州 362000

0 引言

智能环网柜作为保障电力系统稳定运行的一种终端供电设备，其运行的稳定性、连续性对电力行业的发展起到促进作用，为电网系统的整体稳定运行奠定基出。然而在实际运行中，智能环网柜由于存在设计缺陷，设备断电后会对电网系统的整体运行带来不利影响。在此背景下，带有太阳能光伏发电系统的节能环保智能环网柜的设计方案应运而生，主要用于保障供电和电网系统的稳定性。

1 技术实施背景

照射时长约40 min的太阳能便足以供全人类消费一年，可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。太阳能发电具有污染小、无公害的优点，被誉为理想能源，目前被应用于我国各个技术领域。

环网柜是电力系统工作运行的重要组成部分，根据使用方式可分为户内型和户外型，其中，户外型的环网柜需长期置于户外工作[1]。PT柜（电压互感器柜）是环网柜中必须配置的柜子，其主要用途是将高压电转换成低压电，以供给环网柜低压部分的负载使用。以往的环网柜都只通过PT柜为低压部分的负载供电，导致在实际使用中PT柜一旦被损坏，低压部分的负载就无法正常使用，这为环网柜的实际使用带来了极大不便。同时，如果环网柜通过外部电源供电，则会极大地增加电网系统的压力，无法达到环保节能的目的。文章对该问题进行研究，并提出相关设计课题。

2 智能环网柜的应用意义

环网柜是高压开关设备装在钢板金属柜体内或做成拼装间隔式环网供电单元的电气设备，其核心部分采用负荷开关和熔断器，具有结构简单、体积小、价格低，可提高供电性能及供电安全等优点，目前被广泛用于我国的10 kV电网系统建设中，如用于城市的小区住宅、大型公共建筑、工厂的建设中[2]。传统的环网柜是不具备智能化和自动化技术、不能实现远程操作的环网柜。随着我国经济的快速发展，社会用电需求量日益提升，使电力系统的运行负荷不断增加，传统的环网柜出现运行故障的概率增加，无法满足当前我国10 kV电网建设中对于环网柜灵活性及安全性的要求，对后期的维护、管理及更换等工作也造成了很大的不便。智能环网柜的使用极大地提升了10 kV电网系统的运行效率，可以为用户终端提供更加安全、可靠的电力能源输送服务[3]。

3 太阳能光伏系统概述

3.1 太阳能光伏系统的特点

太阳能光伏系统在实际应用中具有以下特点：没有转动部件，不会产生噪声；不会造成空气污染，不需要排放废水；在应用过程中没有燃烧过程，不需要燃料；维修保养较简单，维护成本低，且具有较好的可靠性和稳定性[4]。

3.2 太阳能光伏系统的组成

太阳能光伏系统主要由光伏组件、放电控制器、逆变器、测试仪表、计算机监控等电力电子设备和蓄电池等蓄能和辅助发电设备构成[5]。其中，重要部件的作用如下。

（1）光伏组件。光伏组件主要由太阳电池组件根据光伏系统的需求串并联而成，其经过太阳光的照射后，可以将太阳能转换成电能输出，是太阳能光伏系统的核心部件。

（2）蓄电池。蓄电池可以储存太阳电池组件产生的电能，在夜晚或者光照不足及负载需求大于太阳电池组件发电量时，可以释放储存的电能，以满足线路对负载的需求，是太阳能光伏系统的重要储能部件[6]。

（3）放电控制器。控制器主要控制蓄电池的充放电条件，并根据负载的电源需求输出太阳电池组件和蓄电池的电能，控制器是整个太阳能光伏系统的核心控制部分。太阳能光伏系统的基本工作原理是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器为蓄电池充电，或者在满足负载需求的情况下，太阳电池组件可以给负载直接供电；当日照不足或者在夜间时，由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电。光伏系统的应用形式多样，但基本原理大同小异。

（4）逆变器。太阳能光伏系统中如果含有交流负载，需要通过逆变器将太阳电池组件产生的直流电（或蓄电池释放的直流电）转化为负载需要的交流电，这是逆变器在太阳能光伏系统中起到的重要作用[7]。

4 设计方案

设计人员想要设计一种带有太阳能光伏发电系统的节能环保智能环网柜，通过此项设计解决现有的PT柜损坏导致低压部分的负载无法正常使用的问题，确保在PT柜损坏后可以对低压部分的负载进行正常供电，且具有良好的环保节能效果[8]。

4.1 环网柜的主要结构

环网柜的主要结构如图1所示。

图1 新型节能环保智能环网柜的结构示意图

4.2 环网柜的电路构成

新型节能环保智能环网柜的组成结构主要包括环网柜本体、太阳能电池板组件、蓄电池组、充放电控制器、逆变器和第一继电器。环网柜本体内预留有独立安装柜，蓄电池组、充放电控制器、逆变器均固设于独立安装柜上，蓄电池组和逆变器均与充放电控制器电连接，逆变器通过第一继电器与交流负载电连接；太阳能电池板组件固设于环网柜本体的顶部，太阳能电池板组件与充放电控制器电连接。智能环网柜的电路原理如图2所示。

图2 新型节能环保智能环网柜的电路原理框图

环网柜本体需设置柜门，且在柜门上设有滚动式LED显示屏，并将显示屏与充放电控制器电连接。电源通过第二继电器与交流负载连接，而太阳能电池板的组件、蓄电池组、逆变器、显示屏和视频显示装置均通过接线箱与充放电控制器连接。在安装线箱、逆变器、视频显示装置、充放电控制器时，需遵从由下至上的顺序依次固定安装在支架上。

4.3 部件的安装位置

各部件的安装位置如图3所示。

图3 新型节能环保智能环网柜的部件安装位置示意图

环网柜本体的顶部应加固设置顶棚，顶棚的长度和宽度应大于环网柜本体顶部的长度和宽度，并在顶棚的侧壁设置密闭式防水型线槽。太阳能电池板组件安装于环网柜的顶棚，顶棚上端需设置第一斜面和第二斜面，并从两个斜面的中间沿着侧端向下倾斜铺设太阳能电池板，构成太阳能电池板组件。

4.4 太阳能光伏系统的设置

太阳能光伏系统根据其应用形式和应用规模一般分为独立系统、并网系统和混合系统三种。综合考虑光伏系统的应用形式、应用规模及负载类型，文章设计的智能环网柜采用小型太阳能供电系统（Small DC），考虑到系统中只有直流负载且负载功率比较小，使用小型太阳能供电系统可以使整个系统的结构简单，便于操作，可用于一般的户用系统，可以为各种民用的直流产品或者相关电气设备提供负载，具有一定的经济价值。

5 带有光伏发电系统的智能环网柜的应用优势

（1）充放电控制器的作用。在环网柜本体的顶部设置太阳能电池板组件，并通过充放电控制器将太阳能电池板组件采集的太阳能转换成电能存储到蓄电池组中，再由充放电控制器控制蓄电池组，可以为智能环网柜的负载供电。当PT柜损坏后，无法为低压部分的交流负载供电时，可以由充放电控制器控制蓄电池组放电，并经由逆变器转换后，提供给低压部分的交流负载使用，保证低压部分的交流负载能够正常工作，并方便检修人员对PT柜损进行检修。

充放电控制器还可以控制蓄电池组放电，为直流负载直接供电。在节能环保智能环网柜上安装直流负载，可以实现更多功能，使节能环保智能环网柜更加智能。

（2）太阳能发电的作用。由于太阳能是取之不尽、用之不竭的能源，利用太阳能发电来辅助供电，能够起到节能、环保的作用。

（3）LED显示屏的作用。在节能环保智能环网柜的柜门上设置了滚动式LED显示屏，可在滚动式LED显示屏上进行广告宣传，具有一定的经济价值。

（4）顶棚和斜面的作用。在顶棚的上端构造第一斜面和第二斜面，可以保证雨水、树叶等不会滞留在顶棚上，防止影响太阳能电池板组件采集太阳能，不仅可以提高对太阳能的采集效果，且便于对设备的维护。

6 结束语

综上所述，太阳能是目前分布较广泛的可再生资源，随着近年来我国对新能源的开发，新能源产业得到快速发展，太阳能光伏发电是目前广泛使用的一种新型发电技术。

在10 kV电网系统中使用带有太阳能光伏发电系统的智能环网柜，在安全性、稳定性及经济性方面都具有明显优势，对电力企业的稳定发展也起到了良好的促进作用。