黃煒達

摘要：國內(nèi)分布有大量的變電站，站內(nèi)能耗問題不可忽視。然而，目前關(guān)于降低變電站站用電的研究還比較少。該文對當(dāng)前主流的光儲微電網(wǎng)組網(wǎng)策略和控制策略等關(guān)鍵技術(shù)的分析和總結(jié)，提出了一種利用光儲微電網(wǎng)為變電站部分負載供電的設(shè)計思路，依靠光伏發(fā)電和儲能電池維持部分站內(nèi)用電設(shè)備穩(wěn)定運行，實現(xiàn)變電站節(jié)能減排的目的。并結(jié)合案例分析，通過數(shù)據(jù)計算得出光儲微電網(wǎng)對減少站用電的作用大小，為新型綠色變電站的建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：光儲微電網(wǎng)??低變電站??站用電負荷??控制策略

中圖分類號：TM76???文獻標識碼：A

Research?on?Reducing?Station?Power?Consumption?in?Substations?by?Optical-Storage?Microgrid

HUANG?Weida

（Shanwei?Power?Supply?Bureau?of?Guangdong?Power?Grid?Co.，?Ltd.，?Shanwei，?Guangdong?Province，?516600?China）

Abstract：?There?are?a?large?number?of?substations?distributed?in?China，?and?the?problem?of?energy?consumption?in?the?substation?cannot?be?ignored.?However，?at?present，?research?on?reducing?the?station?power?consumption?of?substations?is?still?relatively?little.?This?paper?analyzes?and?summarizes?the?key?technologies?of?the?current?mainstream?optical-storage?microgrid?such?as?networking?strategies?and?control?strategies，?proposes?a?design?idea?of?using?optical-storage?microgrid?to?supply?power?for?partial?load?of?substations，which?depends?on?photovoltaic?power?generation?and?energy-storage?batteries?to?maintain?the?stable?operation?of?some?electrical?equipment?in?the?station?and?realizes?the?purpose?of?energy?conservation?and?emission?reduction?in?substations，?and?combined?with?case?analysis，?calculates?the?effect?of?optical-storage?microgrid?on?reducing?station?power?consumption?through?data，?so?as?to?provide?reference?for?the?construction?of?new?green?substations.

Key?Words：?Optical-storage?microgrid;?Low-voltage?substation;?Station?power?load;?Control?strategy

微電網(wǎng)技術(shù)是未來分布式電力能源供應(yīng)系統(tǒng)的重點發(fā)展方向，對于優(yōu)化電力系統(tǒng)具有重要意義，對于推進國家節(jié)能減排和實現(xiàn)碳達峰和碳中和目標具有重要意義[1]。近年來，光儲微電網(wǎng)成為了國內(nèi)外的重點研究對象之一，光儲微電網(wǎng)結(jié)合了光伏發(fā)電技術(shù)和儲能技術(shù)，具有綠色環(huán)保、可持續(xù)、無噪音等優(yōu)勢[2，3]。在太陽能資源比較豐富的地區(qū)，光儲微電網(wǎng)能夠就近消納光伏電池發(fā)出的電能，無需遠距離輸配電，能夠大大提升對電力資源的利用率[4]。變電站通常設(shè)置在空曠地區(qū)，日照情況良好，十分適合光儲微電網(wǎng)的建設(shè)和運行[5]。我國建設(shè)有大量的變電站，利用光儲微電網(wǎng)降低變電站的用電量，將有效地降低供電公司的用電損耗，提升經(jīng)濟效益。

1?光儲微電網(wǎng)設(shè)計

微電網(wǎng)系統(tǒng)是一套獨立的發(fā)供電系統(tǒng)，其在運行模式、拓撲結(jié)構(gòu)、電源配置、運行模式和控制策略等方面與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)相比具有顯著的差異。微電網(wǎng)通常主要由分布式電源（DG）、儲能單元、負荷和控制器組成，通過智能系統(tǒng)的控制實現(xiàn)功率平衡和電能質(zhì)量管理。與傳統(tǒng)的集中式高壓配電相比，微電網(wǎng)具有靈活高效、安全可靠等優(yōu)勢。

1.1?光儲微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其作用

1.1.1?光儲微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

光儲微電網(wǎng)的主要構(gòu)成部分包括光伏發(fā)電模塊、儲能模塊，以及能量管理系統(tǒng)和微電網(wǎng)控制系統(tǒng)。目前，儲能模塊主流的是電化學(xué)儲能，如磷酸鐵鋰電池。

1.1.2?光儲微電網(wǎng)各模塊作用

光儲微電網(wǎng)各個功能模塊的作用具體敘述如下。

（1）光伏發(fā)電模塊。依靠太陽能光伏板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，既可以直接輸出直流電，也可以通過光伏逆變器將光伏組件發(fā)出的直流電改變?yōu)榻涣麟姡@些電能能夠直接給用電設(shè)備供電或儲存在儲能電池中備用。（2）儲能模塊。儲能模塊能夠?qū)⒐夥l(fā)電產(chǎn)生的多余的電能進行存儲，由于太陽光在不同時間段的強度不同會使得光伏發(fā)電的功率產(chǎn)生較大的差異，儲能模塊能夠起到調(diào)峰作用，特別是夜間沒有太陽光時，光伏發(fā)電設(shè)備無法提供電能，而儲能電池能夠利用白天存儲的電量為用電負荷繼續(xù)供電。（3）能量管理系統(tǒng)。監(jiān)控整個微電網(wǎng)的負荷、電壓、電流情況，控制微電網(wǎng)的運行，保持微電網(wǎng)正常工作。（4）微電網(wǎng)控制系統(tǒng)。保證微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行，調(diào)控微電網(wǎng)的運行狀態(tài)。

1.2?光儲微電網(wǎng)的控制策略

光儲微電網(wǎng)由多個不同類型的微電網(wǎng)單元組成，通過合理設(shè)計控制策略能夠讓這些微電網(wǎng)單元協(xié)調(diào)運行，從而實現(xiàn)整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡、電壓穩(wěn)定、損耗降低等目標。對光儲微電網(wǎng)的控制可以分為設(shè)備級控制和系統(tǒng)級控制兩個層次。設(shè)備級控制是對發(fā)電模塊、儲能模塊和負荷模塊進行直接控制，在本地能量管理系統(tǒng)上實現(xiàn)功率監(jiān)控、充放電控制、優(yōu)化SOC等目標。系統(tǒng)級控制則是通過調(diào)節(jié)母線電壓、設(shè)備運行模式和功率分配等指標對微電網(wǎng)系統(tǒng)進行集中式管理。其中設(shè)備級控制能夠單獨處理各個設(shè)備上的反饋信息，并通過能量管理系統(tǒng)將處理后的結(jié)果發(fā)送到各個模塊，用于調(diào)控每個模塊的運行，這種調(diào)控方式具有更高的可靠性、經(jīng)濟性和效率等優(yōu)點。

1.3?光儲微電網(wǎng)穩(wěn)定性調(diào)控方式

光儲微電網(wǎng)的電力來源依靠光伏電池產(chǎn)生。光伏電池是一種通過光電效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的元器件。光伏電池的工況受到光伏電池面積、太陽能輻照強度和環(huán)境溫度等的影響。光伏發(fā)電受到太陽輻照改變的影響具有間歇性和波動性等特點，并且負荷消耗的功率也存在不穩(wěn)定性。這種供電和負荷不匹配的問題容易導(dǎo)致系統(tǒng)功率失衡，這時就需要儲能模塊參與進行能量調(diào)節(jié)，依靠儲能電池的蓄放電過程對系統(tǒng)功率進行再平衡。目前，主流的儲能模式是將能量型儲能裝置和功率型儲能裝置結(jié)合的混合儲能模式。利用能量型儲能裝置進行電能存儲實現(xiàn)削峰填谷和平衡功率；功率型儲能裝置則用于提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，平抑系統(tǒng)波動。兩種儲能模式優(yōu)勢互補，確保微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

1.4?功率分配控制

在光儲微電網(wǎng)運行時，不同時刻和工況條件下微電網(wǎng)的負載功率通常都處于動態(tài)變化中，這就需要DG和儲能模塊的功率控制根據(jù)實際情況進行調(diào)整。根據(jù)工作模式的不同，對功率分配的控制策略可以分為恒功率控制、恒壓控制以及下垂控制。下垂控制一般被用于具有多個儲能單元的系統(tǒng)中，F(xiàn)/P和V/Q下垂控制法能夠依靠功率變化改變頻率和電壓，而P/F和Q/V法則與之正好相反。使用下垂控制閥時需要簡歷一個下垂系數(shù)得到虛擬阻抗效果，母線電壓因此實現(xiàn)了線性變化，功率實行動態(tài)分配。P/V下垂表達式為?????（1）

式（1）中：為個儲能單元的輸出電壓；為母線標準電壓；為下垂系數(shù)；為輸出功率。

對于微電網(wǎng)來說，單一模塊的控制無法滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，需要在系統(tǒng)中合理協(xié)調(diào)各單元的運行模式，才能確保微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的功率平衡。如圖1所示，系統(tǒng)各層級間的協(xié)調(diào)配合是進行微電網(wǎng)運行策略優(yōu)化的基礎(chǔ)，不論是系統(tǒng)層級的控制還是設(shè)備層級的控制都十分重要，各單元設(shè)備實時采集的數(shù)據(jù)需要及時反饋給能量管理系統(tǒng)，通過系統(tǒng)層控制的協(xié)調(diào)，確?？傮w輸入和輸出功率的穩(wěn)定。

1.5?光儲微電網(wǎng)關(guān)鍵組件選擇

光儲微電網(wǎng)需要將光伏組件發(fā)出的電能并入電網(wǎng)中或者存儲在儲能電池中，這對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制都提出了較高的要求。為了確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定，必須保證在為負載供電和為電池充電的過程中不過充、不過放、不過流，并且進行合理的熱管理。

使用MPPT跟蹤和控制微電網(wǎng)系統(tǒng)，完成太陽能到電能的轉(zhuǎn)換，并最大程度地將電能輸送到用電負荷和儲能電池中；為了延長儲能電池壽命，優(yōu)化輸電環(huán)境，使用帶有數(shù)字智能控制的自適應(yīng)式三階段充電模塊對儲能電池模塊的充電模式進行控制，避免過充和過放情況的產(chǎn)生；逆變器的選擇需要根據(jù)光伏電池和儲能電池的額定電壓范圍進行選擇。光儲微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)需要保證供電的可靠性。采用新一代變電站的通信協(xié)議，保證數(shù)據(jù)通信的通暢和穩(wěn)定?？紤]到變電站人員少，需要設(shè)置意見啟停功能，提升微電網(wǎng)系統(tǒng)的便捷性和自動化程度。為了防止微電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生意外故障之后無法及時處理造成大的后果，在微電網(wǎng)控制器中添加定時停USP的功能。一旦發(fā)生意外，要延時停止UPS，在設(shè)定延時時間結(jié)束后仍沒有人工檢修，則自動停止UPS等待運維人員處理。配置手機遠程監(jiān)控功能，通過手機App遠程監(jiān)控和操作，方便管理人員的管理。

2?案例分析

變電站的節(jié)能改造是目前經(jīng)常被忽視的領(lǐng)域，隨著微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，利用光儲微電網(wǎng)為變電站的部分用電設(shè)施供電既可以降低變電站能耗，也能夠提升變電站應(yīng)對突發(fā)情況的應(yīng)急能力。

2.1?站用負荷分析

以廣州某220?kV變電站為例，對該變電站的負荷進行分析。變電站內(nèi)的主要負荷包括直流及UPS系統(tǒng)、設(shè)備加熱驅(qū)潮設(shè)備、照明器材、空調(diào)、風(fēng)機以及室內(nèi)辦公設(shè)施。結(jié)合站用電負荷的重要性和運行特點進行分類和分析，可以得到以下結(jié)果。

（1）直流及UPS系統(tǒng)屬于自動不間斷運行的站用負荷，這類設(shè)備用電質(zhì)量及安全性要求性較高，使用大電網(wǎng)供電。（2）照明、空調(diào)和驅(qū)潮設(shè)備耗能較大，其運行狀況受到時間、天氣、溫度等環(huán)境因素影響，屬于人工控制的設(shè)備，具有較大的節(jié)能空間，因此適合接入微電網(wǎng)。（3）辦公設(shè)備等站用負荷耗電量低，數(shù)量較多，節(jié)能空間較小，并且使用頻率較高，接入微電網(wǎng)會增加微電網(wǎng)控制復(fù)雜程度，增加投入成本，不建議接入微電網(wǎng)。

眾多研究表明，空調(diào)和除濕是站用負荷中耗電最大的，綜上所述，在建設(shè)變電站光儲微電網(wǎng)時優(yōu)先設(shè)計為空調(diào)、除濕和照明設(shè)備供電。

2.2?光儲微電網(wǎng)工況分析

在站用供電正常時，太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電一部分為站內(nèi)用電設(shè)備供電，其余部分將使用儲能電池進行存儲；在夜間光伏發(fā)電模塊停止發(fā)電時，則需要通過儲能電池為站內(nèi)設(shè)備供電。而一旦站內(nèi)發(fā)生突發(fā)事故停電，太陽能發(fā)電設(shè)備和儲能電池構(gòu)成的光儲微電網(wǎng)還需要并網(wǎng)為站內(nèi)重要負荷供電。該220?kV變電站內(nèi)的光儲微電網(wǎng)存在兩種工作狀態(tài)，如圖2所示。

當(dāng)微電網(wǎng)獨立運行狀態(tài)時，儲能PCS在U/f控制模式下工作，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并入交流母線；光伏逆變器進入MPPT控制模式。儲能模塊和光伏發(fā)電模塊的逆變器在輸出交流側(cè)進行并聯(lián)操作，形成交流母線系統(tǒng)。此時微電網(wǎng)系統(tǒng)特點有：（1）光伏發(fā)電模塊產(chǎn)生的電能優(yōu)先為站用電設(shè)備供電，只有當(dāng)用電負荷小于發(fā)電負荷時才將多余電能存儲進低電量的儲能電池；（2）當(dāng)儲能模塊的蓄電量達到滿電量時，限制光伏發(fā)電模塊的并網(wǎng)電量或完全關(guān)閉光伏發(fā)電模塊，優(yōu)先使用儲能電池中的電能，以保證微電網(wǎng)系統(tǒng)功率穩(wěn)定。

2.3?節(jié)能效果分析

根據(jù)資料顯示廣州地區(qū)年平均氣溫為22?℃，年平均日照時長約為1?800～2?100?h，變電站區(qū)域的太陽年輻照總量約為1?230.5?kWh/m2，太陽能資源較為豐富，適合建設(shè)太陽能光伏發(fā)電項目[6]。220?kV配電裝置室屋頂面積及周圍空余土地總面積約2?000?m2，安裝800塊275?W多晶硅光伏組件，系統(tǒng)總裝機容量為0.22?MW。在《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（GB?5097-2012）中計算光伏年發(fā)電量的方法如下。

式（2）中：為上網(wǎng)發(fā)電量，kWh；為水平太陽能總輻照量，kWh/m2；為組件安裝容量，kWp；為標準條件下的輻照度，常數(shù)=1?kWh/m2；為綜合效率系數(shù)。

使用公式（2）可以計算出光儲微電網(wǎng)的年發(fā)電量預(yù)測值為。

通過計算可得，220?kV變電站通過建設(shè)光儲微電網(wǎng)能夠減少在站設(shè)備耗電量21.6?萬kWh，按照保守計算方式，全年可以節(jié)省電費216000×0.588=127008元。

從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，光儲微電網(wǎng)每年可以為變電站提供大量的綠色電能，從而減少變電站的用電成本。并且由于采用了太陽能，間接性地減少了碳排放，同樣在“碳經(jīng)濟”方面具有了巨大的潛力。因此，不論是從經(jīng)濟效益，還是從社會效益來看，光儲微電網(wǎng)都為變電站的發(fā)展提供了一條嶄新的道路。

2.4?展望分析

光儲微電網(wǎng)用于變電站的節(jié)能改造能夠充分利用變電站的現(xiàn)有資源，利用太陽能發(fā)電為站用負荷提供電能可以大大降低變電站對電能的消耗，也能夠為應(yīng)對站內(nèi)突發(fā)停電事故提供可選方案。隨著微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，如何提升光儲微電網(wǎng)的可靠性，還需要從控制策略，系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選擇等多維度開展深入研究。

目前，為了提高微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和靈活性，儲能電池模塊在其中起到了至關(guān)重要的作用。但是，現(xiàn)階段大規(guī)模儲能電池的投入成本依然較高，在微電網(wǎng)設(shè)計時需要考慮經(jīng)濟因素，并且光儲微電網(wǎng)受到太陽能的能源屬性的影響具有不穩(wěn)定性和周期性，這也會嚴重影響儲能電池的使用壽命。結(jié)合多種儲能模式，采用合理的控制策略，在微電網(wǎng)的經(jīng)濟性和系統(tǒng)穩(wěn)定性中探索平衡點，才能實現(xiàn)微電網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢的最大化。

3?結(jié)語

近年來，隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，以光伏發(fā)電作為主要手段的分布式能源系統(tǒng)受到了越來越多的重視，在電力系統(tǒng)優(yōu)化、微電網(wǎng)改造升級等領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用效果。微電網(wǎng)對于節(jié)能減排，提升用電安全性具有重要的意義。該文討論了光儲微電網(wǎng)的設(shè)計方法、控制策略和穩(wěn)定運行條件，并結(jié)合微電網(wǎng)優(yōu)勢和站用電負荷特性探索了光儲微電網(wǎng)在變電站內(nèi)的運行模式。以廣州某220?kV變電站為案例探討了光儲微電網(wǎng)對減少站用電的作用。通過分析目前光儲微電網(wǎng)存在的問題，展望了未來光儲微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向。希望為建設(shè)低碳、環(huán)保、節(jié)能和安全的新型變電站提供一定的參考。

參考文獻

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