毛卓越

(浙江華云清潔能源有限公司，浙江 杭州 310010)

智慧能源站以新建變電站為依托，創(chuàng)新建設(shè)模式，實(shí)現(xiàn)變電站、數(shù)據(jù)中心站、綜合能源站集成融合與友好互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能源流、數(shù)據(jù)流、業(yè)務(wù)流合一，提升電網(wǎng)綜合效率效益，滿足城市建設(shè)對(duì)能源、環(huán)境的綜合要求[1-4]。智慧能源站可為供電區(qū)域或用戶提供高品質(zhì)綜合能源供應(yīng)，是政府引領(lǐng)，多方投資建設(shè)模式的具體實(shí)踐，是響應(yīng)智慧城市、智慧園區(qū)建設(shè)的智慧能源關(guān)鍵環(huán)節(jié)，亦是國家電網(wǎng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分。

1 建設(shè)多站融合智慧能源站的意義

建設(shè)多站融合智慧能源站的意義具體如下。

(1)具有削峰填谷功能，優(yōu)化負(fù)荷曲線，緩解該區(qū)域峰谷差過大帶來的運(yùn)行壓力。

(2)城市新開辟土地建設(shè)充電站難度較大，充電樁與變電站融合可以減少配電網(wǎng)線路及減少線損。

(3)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心面臨運(yùn)營成本、能源消耗、使用效率等諸多問題，企業(yè)構(gòu)建新一代綠色數(shù)據(jù)中心或選擇第三方專業(yè)綠色數(shù)據(jù)中心，是企業(yè)信息化發(fā)展到一定階段的必然要求，數(shù)據(jù)中心靠近變電站或儲(chǔ)能電站，可以靠近電源中心，供電可靠性高。

對(duì)多站融合智慧能源站電氣主接線與低壓交直流微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用基于多端口能源路由器構(gòu)建交直流一體微電網(wǎng)，統(tǒng)籌多站合一電源和負(fù)載，通過梳理智慧能源站的負(fù)荷容量、負(fù)荷特性，對(duì)交、直流電壓進(jìn)行分析，選擇以交流400 V作為數(shù)據(jù)中心、變電站交流負(fù)荷的主供電源(雙重化供電)，以光伏、儲(chǔ)能直流±375 V作為變電站直流控制的主供電源(雙重化供電)、作為數(shù)據(jù)中心的備用電源。智慧能源源規(guī)模情況見表1。

表1 智慧能源源規(guī)模情況

2 智慧能源站交直流一體化電源配置

智慧能源站由變電站、儲(chǔ)能站、綜合能源站(光伏電站、數(shù)據(jù)中心)等組成，常規(guī)各站均有一套一體化電源系統(tǒng)。

2.1 變電站交直流一體化電源

變電站站用電源交直流一體化系統(tǒng)在電氣方面主要由交流電源系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)、逆變電源系統(tǒng)、通信電源系統(tǒng)這四項(xiàng)分系統(tǒng)組成。

2.1.1 交流電源

變電站站用交流電源系統(tǒng)根據(jù)變電站無人值班要求，采用雙電源智能化自動(dòng)切換開關(guān)(ATS)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電源進(jìn)線的監(jiān)測(cè)和控制。ATS開關(guān)不僅兩路交流電源進(jìn)線開關(guān)分合實(shí)現(xiàn)電氣閉鎖，而且還實(shí)現(xiàn)機(jī)械閉鎖，這從根本上保證了電源的安全可靠切換，并且站用變備自投保護(hù)裝置可取消[5-8]。交流進(jìn)線模塊集電源智能監(jiān)控單元、進(jìn)線開關(guān)、ATS開關(guān)、電流互感器、智能電路于一體；交流饋線模塊集開關(guān)、電流傳感器、智能電路于一體。供電電源為AC400V。

2.1.2 直流電源

直流系統(tǒng)可分為充電模塊、直流母線絕緣監(jiān)測(cè)模塊、帶絕緣監(jiān)測(cè)的直流饋線模塊、蓄電池監(jiān)測(cè)模塊、直流總監(jiān)控模塊、直流蓄電池。供電電壓為DC±220/110 V。

2.1.3 逆變電源系統(tǒng)

逆變電源模塊由整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)、手動(dòng)維修旁路開關(guān)、調(diào)壓變壓器、本機(jī)液晶監(jiān)視器、本機(jī)診斷系統(tǒng)構(gòu)成。常規(guī)變電站有監(jiān)控逆變電源與事故照明逆變電源，供電電源為AC220V。

2.1.4 通信電源系統(tǒng)

通信電源系統(tǒng)由DC/DC電源模塊、直流饋線模塊構(gòu)成。部分變電站自帶通信蓄電池，常規(guī)通信電源系統(tǒng)供電電壓為DC±48 V。

2.2 儲(chǔ)能電站交直流一體化電源

儲(chǔ)能電站站用交直流一體化系統(tǒng)在電氣方面主要由交流電源系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)。交流電源系統(tǒng)主要于用照明、動(dòng)力空調(diào)等負(fù)荷，供電電源為AC400V。直流電源用于控制系統(tǒng)，可選為DC±220/110 V。

2.3 數(shù)據(jù)中心一體化電源

數(shù)據(jù)中心根據(jù)現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定劃分為A，B，C三類等級(jí)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心的使用性質(zhì)、管理要求及其在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)中的重要性確定所屬級(jí)別。交流電源系統(tǒng)主要于用照明、動(dòng)力空調(diào)等負(fù)荷，供電電源為AC400V。

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)包括：配變電系統(tǒng)、備用電源系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)等。本文為B級(jí)數(shù)據(jù)中心，根據(jù)T/CECS 486—2017《數(shù)據(jù)中心供配電設(shè)計(jì)規(guī)程》供配電系統(tǒng)應(yīng)按冗余要求配置電源。UPS的自帶蓄電池，B級(jí)數(shù)據(jù)中心機(jī)房放電時(shí)間應(yīng)不小于15 min。

數(shù)據(jù)中心電源常規(guī)有交流或直流供電方式，交流較為常見，根據(jù)數(shù)據(jù)中心的等級(jí)，A級(jí)數(shù)據(jù)中心供電多采用2路市電(帶UPS供電)+1路油機(jī)的供電模式。本文為B級(jí)數(shù)據(jù)中心采用2路市電并帶UPS供電的方式，放電時(shí)間按不小于30 min考慮。

3 智慧能源站交直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

3.1 變電站負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

變電站站用電源規(guī)劃常規(guī)采用2臺(tái)站用變壓器，分別引自10 kVⅢ段母線和站外電源。1臺(tái)站用變從10 kVⅢ段母線引接，另一臺(tái)站用變電源引自站外10 kV線路，兩臺(tái)站用變互為備用，站用電采用380/220 V單母線分段接線。

變電站負(fù)荷常規(guī)有動(dòng)力負(fù)荷、電熱負(fù)荷、照明負(fù)荷，根據(jù)計(jì)算220 kV變電站負(fù)荷為400 kVA。

3.2 儲(chǔ)能站負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

儲(chǔ)能站負(fù)荷主要為空調(diào)、照明負(fù)荷，常規(guī)由于儲(chǔ)能DC/AC經(jīng)400 V升壓至10 kV或是直接通過400 V并網(wǎng)，常規(guī)的站用變電電源采用400/230 V。根據(jù)儲(chǔ)能電站的規(guī)模，負(fù)荷各不相同，根據(jù)以往工程可根據(jù)儲(chǔ)能站的容量按2.5～3%的站用率估算，本期儲(chǔ)能站的容量為8.4 MW/16.8 MWh，根據(jù)負(fù)荷計(jì)算需要站用電約200 kW，主要為空調(diào)負(fù)荷。

3.3 數(shù)據(jù)中心負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)中心負(fù)荷主要為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、空調(diào)、照明負(fù)荷，本文為B級(jí)數(shù)據(jù)中心，根據(jù)《數(shù)據(jù)中心供配電設(shè)計(jì)規(guī)程》T/CECS 486—2017 供配電系統(tǒng)應(yīng)按冗余要求配置電源。UPS的自帶蓄電池，B級(jí)數(shù)據(jù)中心機(jī)房放電時(shí)間應(yīng)不小于15 min。

根據(jù)數(shù)據(jù)中心的規(guī)模，本期部署2個(gè)微模塊(每個(gè)微模塊包含216臺(tái)服務(wù)器)，終期按部署9個(gè)微模塊考慮，功率密度為10 kW/Rcak。

每面機(jī)柜可布置15～18臺(tái)服務(wù)器，即每個(gè)微模塊12～15面機(jī)柜，每個(gè)微模塊約需要150 kW的負(fù)荷。另根據(jù)空調(diào)制冷比率，風(fēng)冷機(jī)房一般PUE為1.6～1.7，所以總的機(jī)柜負(fù)載=1.7×150 kW×9=2 295(kW)。其中，服務(wù)器功率150 kW×9=1 350(kW)，此部分負(fù)荷需要兩路供電，并帶蓄電池不間斷UPS電源；空調(diào)制冷功率為0.7×150 kW×9=945(kW)，此部分負(fù)荷需要采用雙路電源供電，不需不間斷UPS電源。

4 智慧能源站一體化電源研究方案

4.1 直流電壓的選擇

220 kV智慧能源站工程包含的工程由變電站、儲(chǔ)能站、數(shù)據(jù)中心、充電站以及分布式光伏部分等組成。Q/GDW480—2010《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中分布式電源接入系統(tǒng)原則指出，分布式電源接入電壓等級(jí)宜按照：200 kW及以下分布式電源接入380 V電壓等級(jí)電網(wǎng)。

GB/T35727—2017《中低壓直流配電網(wǎng)電壓導(dǎo)則》征求意見稿中低壓直流配電系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓優(yōu)選值分別為3 000，1 500和750 V。在選擇直流配電電壓等級(jí)時(shí),應(yīng)綜合考慮多方面因素,不能選擇過高的電壓等級(jí),增加電氣絕緣成本和降低兼容性。同時(shí)，選擇的電壓等級(jí)也不能太低,以免造成配電距離過短。

由于光伏為屋頂分布式光伏，每個(gè)屋頂?shù)墓夥萘烤∮?00 kW，結(jié)合其發(fā)出的為直流電，本文考慮采用DC±375并網(wǎng)。

充電樁分交流充電樁與直流充電樁。交流充電樁體積一般比直流充電樁小，因?yàn)樗某潆娝俣缺戎绷髀稽c(diǎn)，也就是說交流充電樁只提供電力輸出功能，而沒有充電功能，連接時(shí)候與車上面的充電機(jī)為汽車充電。也就是說它需要借助車載充電機(jī)來充電，因此它的功率一般不會(huì)很大，一般為3.5，7，15 kW等。直流充電樁由于輸出功率大，一般規(guī)格有30，60，80，120，150 kW等，常規(guī)輸入為AC380V經(jīng)整流為400～750VDC可調(diào)的電壓。智慧能源站由于儲(chǔ)能電池及光伏，可以采用DC±375 V作為輸入電壓，直流充電樁可減少AC/DC輸入模塊。

電站控制及保護(hù)直流電壓目前有兩種，分別為110 V直流系統(tǒng)與220 V直流系統(tǒng)，根據(jù)智慧能源式的情況，由于配電裝置相對(duì)較遠(yuǎn)，為滿足控制操作回路的允許電纜壓降值，不必增加直流電纜的截面，本文采用DC/DC模塊通過變換至負(fù)荷中心。本文220，110 kV的開關(guān)設(shè)備為GIS，其操作機(jī)構(gòu)為彈簧機(jī)構(gòu)或液壓機(jī)構(gòu)，10 kV真空開關(guān)也采用彈簧操作機(jī)構(gòu)，因此沒有直流動(dòng)力負(fù)荷、也沒有沖擊負(fù)荷。

本文綜合考慮分布式電源光伏接入、充電樁和負(fù)荷需求，低壓直流電壓定為DC±375 V。

4.2 交流電壓的選擇

一般交流電常用的電壓有：110 V，220 V，380 V，3 kV，6 kV，10 kV，由于智慧能源式，主變低壓側(cè)為10 kV，而交流低壓電壓常規(guī)均采用220/380 V，即低壓400 V，因此交流電壓采用AC400V。

儲(chǔ)能電池采用串并聯(lián)至DC：600 V-876 V(額定電壓750 V或±375 V)再經(jīng)PCS裝置DC/AC至交流400 V后通過升壓變壓器至AC10 kV與電網(wǎng)相連。

4.3 PCS與儲(chǔ)能變壓器的選擇

儲(chǔ)能變流器(Power Conversion System，簡稱PCS)可控制蓄電池的充電和放電過程，進(jìn)行交直流的變換，在無電網(wǎng)情況下可以直接為交流負(fù)荷供電。PCS由DC/AC雙向變流器、控制單元等構(gòu)成。PCS控制器通過通信接收后臺(tái)控制指令，根據(jù)功率指令的符號(hào)及大小控制變流器對(duì)電池進(jìn)行充電或放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)有功功率及無功功率的調(diào)節(jié)。PCS控制器通過CAN接口與BMS通信，獲取電池組狀態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)性充放電，確保電池運(yùn)行安全。目前市場(chǎng)上有250，500，600，1 000 kW各種類別，本文選擇1 000 kW的規(guī)格。

儲(chǔ)能變壓器常規(guī)采用SCB3-2500/10，電壓比為10/0.4 kV，容量2 500 kVA，阻抗值為6%。對(duì)于經(jīng)濟(jì)性來說，采用的變壓器容量應(yīng)該越大越好，減少變壓器的數(shù)量，減少高壓開關(guān)柜等一次設(shè)備。如采用3 150 kVA容量變壓器，采用10/0.4 kV，那么低壓側(cè)額定電流有4 547 A。根據(jù)斷路器的選擇情況，需采用6 300 A斷路器，市場(chǎng)上成熟產(chǎn)品很少、廠家定制價(jià)格也高，且在短路阻抗6%情況，低壓側(cè)短路電流達(dá)75.7 kA(若需采用高阻抗變壓器，則變壓器損耗大，不經(jīng)濟(jì))，若考慮0.4 kV有并列情況，則短路電流達(dá)151.4 kA，總進(jìn)線開關(guān)需要配置分?jǐn)嗦纺芰?00 kA以上的開關(guān)，出線斷路器的極限分?jǐn)嗄芰σ?50 kA，成本也很高。

綜上所述，儲(chǔ)能變壓器主要受限于低壓側(cè)容量，變壓器容量在2 500 kVA基本是極限容量。若想考慮采用大容量變壓器需要另辟蹊徑，比如采用特殊變壓器——分裂變壓器。分裂式繞組變壓器是指每相由一個(gè)高壓繞組與兩個(gè)或多個(gè)電壓和容量均相同的低壓繞組構(gòu)成的多繞組電力變壓器。分裂變壓器正常的電能傳輸僅在高、低壓繞組之間進(jìn)行，而在故障時(shí)則具有限制短路電流的作用。幾個(gè)分支容量相同，額定電壓相等或接近，可以單獨(dú)運(yùn)行或并聯(lián)運(yùn)行，可以承擔(dān)相同或不同負(fù)載。當(dāng)某一個(gè)低壓繞組上所連接的負(fù)荷或電源發(fā)生故障時(shí)，其余低壓繞組仍能正常運(yùn)行。各分裂繞組之間沒有電的聯(lián)系，磁的耦合也相對(duì)較弱。分裂支路之間應(yīng)具有較大的阻抗，而分裂支路與不分裂繞組之間應(yīng)具有相同的阻抗。

通常把低壓繞組作為分裂繞組，分裂成2個(gè)或4個(gè)支路，線端標(biāo)志為小寫字母加數(shù)字。不分裂的高壓繞組由兩個(gè)并聯(lián)支路組成，線端標(biāo)志不變。各分裂繞組的總?cè)萘烤褪窃摲至炎儔浩鞯念~定容量。具有兩個(gè)低壓繞組的分裂變壓器通常稱為雙分或四分裂變壓器，其低壓繞組的布置方式有輻(徑)向分裂和軸向分裂兩種。

與普通變壓器相比，分裂變壓器有如下特點(diǎn)。

(1)限制短路電流的作用顯著。當(dāng)分裂繞組一個(gè)支路短路時(shí)，短路電流經(jīng)過半穿越阻抗。半穿越阻抗等于高壓繞組和一個(gè)分支短路阻抗之和，等于一加上四分之一倍的分裂系數(shù)，乘以穿越阻抗。也就是說半穿越阻抗比穿越阻抗大了四分之一分裂系數(shù)倍的穿越阻抗，也就是比普通變壓器的短路阻抗大，因此短路電流小。

(2)有利于電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)條件的改善及損耗低。分裂變壓器的穿越阻抗比普通變壓器的短路阻抗小，所以流過起動(dòng)電流時(shí)變壓器的電壓降要小些，允許電動(dòng)機(jī)起動(dòng)容量大些，變壓器損耗低。

(3)當(dāng)分裂繞組一個(gè)支路發(fā)生短路故障時(shí)，另一個(gè)支路的母線電壓降很小，即殘壓較高，這是分裂變壓器的主要優(yōu)點(diǎn)。分裂變壓器相比2臺(tái)變壓器，造價(jià)較低，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

綜上所述，采用SCB13-5000 kVA/10 kV，D/y11×4,Ud=6%,10±2×2.5%/0.4。采用2臺(tái)5 000 kVA的容量四分裂變壓器與本期儲(chǔ)能電池的8 MW剛好匹配，變壓器的容量匹配儲(chǔ)能電池與數(shù)據(jù)中心、充電樁和變電站的負(fù)荷。

5 交直流混合配電網(wǎng)方案

交直流配電網(wǎng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 交直流配電網(wǎng)架構(gòu)圖

在統(tǒng)計(jì)各子站負(fù)荷、梳理電源需求的基礎(chǔ)上，提出基于四分裂變壓器、多端口能量路由器構(gòu)建交直流一體化微網(wǎng)系統(tǒng)，統(tǒng)籌配置站用電系統(tǒng)。構(gòu)建站級(jí)UPS電源，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器采用“三雙接線”供電，雙電源、雙線路、雙接入，實(shí)現(xiàn)N-2情況下無縫切換不停電。

(1)采用四分裂變壓器，減少變壓器與開關(guān)柜，限制短路電流。本站交直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)情況如圖2所示，遠(yuǎn)期交直流負(fù)荷超2 500 kVA?？紤]單臺(tái)站用變帶全部負(fù)荷情況，優(yōu)化選用5 000 kVA站用變帶四分裂繞組，限制低壓側(cè)短路電流到59 kA以內(nèi)(并列運(yùn)行)，低壓空開選取2 500 A。相比可研，本期減少變壓器和高壓開關(guān)柜各2臺(tái)，節(jié)約投資60萬元人民幣。

圖2 交直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)圖

(2)利用儲(chǔ)能電池搭建站級(jí)UPS電源，顯著提高供電可靠性。取消變電站和數(shù)據(jù)中心的蓄電池，采用儲(chǔ)能電池作為智慧能源站的不間斷電源，搭建站級(jí)UPS電源系統(tǒng)(交直流雙路交叉供電)，實(shí)現(xiàn)N-2情況下無縫切換不停電，顯著提高供電可靠性，減少項(xiàng)目投資180萬。

(3)采用能源路由器技術(shù)，構(gòu)建交直流柔性混合網(wǎng)。多端口能量路由器相比常規(guī)PCS逆變單元增加一級(jí)DC-DC環(huán)節(jié)，在站用電失去后克服電池放電后期端電壓下降的缺點(diǎn)，始終保證直流母線電壓恒定。同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式電源、柔性負(fù)荷友好接入，具備柔性切換離并網(wǎng)功能。

(4)優(yōu)選交直流母線電壓，減少能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。調(diào)研各類負(fù)荷、電池、光伏等出口電壓(見圖3和圖4)，結(jié)合GB∕T35727—2017《中低壓直流配電網(wǎng)電壓導(dǎo)則》的標(biāo)稱電壓值，優(yōu)選直流電壓DC±375 V，交流電壓～230/400 V。優(yōu)點(diǎn)：減少能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、限制短路電流、減小電壓降，同時(shí)兼顧絕緣成本、提高廣適性。

圖3 直流電壓等級(jí)統(tǒng)計(jì)示意圖

圖4 交流電壓等級(jí)統(tǒng)計(jì)示意圖

(5)高可靠性交直流微網(wǎng)配置方案。

儲(chǔ)能單元：一臺(tái)站變對(duì)應(yīng)2個(gè)儲(chǔ)能模塊(4.2 MW)，其中3個(gè)電池倉(1 MW/倉)通過能量路由器接入3個(gè)分裂繞組，一個(gè)倉通過PCS接入第4個(gè)分裂繞組。數(shù)據(jù)中心雙路交叉供電系統(tǒng)如圖5所示。

數(shù)據(jù)中心：采用分屬不同站用變下的交流400 V(常供)和直流±375 V(后備)雙路供電，在兩臺(tái)站變同時(shí)故障，或一臺(tái)站變及下屬儲(chǔ)能單元同時(shí)故障，可實(shí)現(xiàn)無縫切換不停電。儲(chǔ)能電池備用時(shí)間為120 min(N-2系統(tǒng))。

負(fù)荷分配：Ⅲ級(jí)負(fù)荷采用單路供電，Ⅱ級(jí)負(fù)荷采用交直流雙路供電，I級(jí)負(fù)荷采用交直流雙路交叉供電，滿足各類負(fù)荷需求。

圖5 數(shù)據(jù)中心雙路交叉供電系統(tǒng)

6 結(jié)語

基于多端口能源路由器構(gòu)建交直流一體微電網(wǎng)，統(tǒng)籌多站合一電源和負(fù)載，通過梳理智慧能源站的負(fù)荷容量、負(fù)荷特性，對(duì)交流電壓、直流電壓進(jìn)行分析，選擇以交流400 V作為數(shù)據(jù)中心、變電站交流負(fù)荷的主供電源(雙重化供電)，以光伏、儲(chǔ)能直流±375 V作為變電站直流控制的主供電源(雙重化供電)、作為數(shù)據(jù)中心的備用電源。

取消變電站原有的站用交直流一體化電源，取消站用蓄電池組，取消儲(chǔ)能站的一體化電源，對(duì)三站進(jìn)行合并及融合一體化電源。特別是對(duì)數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器采用兩供兩備用站級(jí)UPS供電方式確保數(shù)據(jù)中心高可靠供電，儲(chǔ)能電池兼UPS蓄電池功能，蓄電池按30 min放電時(shí)間考慮，對(duì)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)制冷等負(fù)荷和站內(nèi)重要負(fù)荷的雙路400 V高可靠供電；同時(shí)接入光伏、直流充電樁，促進(jìn)多站融合，微網(wǎng)控制器接受智慧站調(diào)度指令，微網(wǎng)控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)智慧站潮流合理及供電可靠。通過采用四分裂變壓器、大功率儲(chǔ)能PCS，即可限制短路電流，又能減少變壓器臺(tái)數(shù)，達(dá)到減資增效的效果。