基于多站融合的綜合能源站交直流微網(wǎng)設(shè)計(jì)

董美玲

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司常州供電分公司，江蘇 常州213000)

綜合能源站的核心思想是多站融合，即基于變電站在能源匯集傳輸和轉(zhuǎn)換利用中的樞紐作用，通過(guò)對(duì)變電站、儲(chǔ)能站、數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵設(shè)施資源的合理整合，實(shí)現(xiàn)能量流、數(shù)據(jù)流、業(yè)務(wù)流的“三流合一”[1]。多站融合一方面創(chuàng)新建設(shè)模式，通過(guò)資源的就近融合和運(yùn)行上的協(xié)調(diào)互補(bǔ)，有助于減少建設(shè)及運(yùn)行成本，節(jié)約土地資源；另一方面將傳統(tǒng)變電站升級(jí)為信息能源樞紐，可以更好地支撐信息通信技術(shù)及新能源發(fā)電技術(shù)在配電網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展，提升電網(wǎng)綜合效率效益。

基于110 kV智能變電站模塊化建設(shè)通用設(shè)計(jì)110-A2-6方案[2]，合理利用站區(qū)資源，基于建筑融合、能源融合、通信融合、數(shù)據(jù)融合的設(shè)計(jì)思路，打造集變電、儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心、分布式光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車充換電等功能于一體的智慧綜合能源站。針對(duì)智慧綜合能源站各類設(shè)施的負(fù)荷容量及負(fù)荷性質(zhì)，統(tǒng)籌規(guī)劃，對(duì)站內(nèi)交直流微網(wǎng)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 各站間的用能關(guān)系分析

各站間的用能關(guān)系如圖1所示，變電站為充電站和數(shù)據(jù)中心提供電源；儲(chǔ)能電站利用峰谷電價(jià)政策，為充電站和邊緣數(shù)據(jù)中心提供移峰填谷服務(wù)，減少其運(yùn)行電費(fèi)，同時(shí)儲(chǔ)能電站還具備消納分布式清潔能源，削減電網(wǎng)尖峰負(fù)荷，優(yōu)化負(fù)荷曲線，減少配電容量，提高設(shè)備利用率，延緩電網(wǎng)投資建設(shè)的功能[3-4]。

圖1 各站間用能關(guān)系

2 綜合能源站規(guī)模

基于110 kV智能變電站模塊化建設(shè)通用設(shè)計(jì)110-A2-6方案，優(yōu)化場(chǎng)地布置，整體規(guī)模為地上2層，地下一層。地下一層布置儲(chǔ)能，消防水池移至道路下方，原消防水池區(qū)域布置電動(dòng)汽車充電樁，配電裝置樓二層布置數(shù)據(jù)中心機(jī)房，屋頂布置分布式光伏。綜合能源站規(guī)模如表1所示。

表1 綜合能源站規(guī)模情況

3 綜合能源站負(fù)荷分析與統(tǒng)計(jì)

3.1 變電站負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

變電站站用電源通常采用2臺(tái)站用變壓器，分別引自10 kV不同段母線。所用變低壓側(cè)進(jìn)線采用雙電源智能化自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)ATS開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)兩路交流電源進(jìn)線的自動(dòng)投切，保證供電可靠性。變電站負(fù)荷分交流負(fù)荷和直流負(fù)荷，交流負(fù)荷有動(dòng)力負(fù)荷、加熱負(fù)荷、照明負(fù)荷，直流負(fù)荷有保護(hù)測(cè)控裝置、通信模塊等。根據(jù)計(jì)算110 kV智能變電站負(fù)荷約為200 kVA。

通常變電站采用交直流一體化電源系統(tǒng)，交直流一體化電源系統(tǒng)由交流電源、直流電源、交流不間斷電源（UPS）、通信電源（DC/DC）等裝置組成，各電源一體化設(shè)計(jì)、一體化配置、一體化監(jiān)控，其運(yùn)行工況和信息數(shù)據(jù)能夠上傳至遠(yuǎn)方控制中心，實(shí)現(xiàn)就地和遠(yuǎn)方控制功能。站用交流電采用380/220 V單母線分段或單母線接線形式。直流電源系統(tǒng)用于站內(nèi)一、二次設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)、系統(tǒng)通信設(shè)備的供電。直流可分為充電模塊、直流母線絕緣監(jiān)測(cè)模塊、蓄電池監(jiān)測(cè)模塊、直流總監(jiān)控模塊、蓄電池。110 kV智能站通常采用直流系統(tǒng)電壓為DC 220 V，充電模塊電流為(6×20+1×20)A。采用1組220 V、400 Ah閥控式密封鉛酸蓄電池，每組104只，每只2 V。

通信電源系統(tǒng)由DC/DC電源模塊、直流饋線模塊構(gòu)成。直流系統(tǒng)通過(guò)DC 220 V/DC 48 V電源模塊提供通信用48V直流電源，不設(shè)通信專用蓄電池組。110 kV智能站一般配置4套DC/DC變換裝置，每套30 A。

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，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，儲(chǔ)能站負(fù)荷可根據(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4.2 MW、8.4 MWh，根據(jù)負(fù)荷計(jì)算需要站用電約120 kW，主要為空調(diào)負(fù)荷。儲(chǔ)能站交流電源系統(tǒng)主要于用照明、動(dòng)力空調(diào)等負(fù)荷，供電電源為AC 380 V。直流電源用于控制系統(tǒng)，供電電壓為DC 220 V。

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。根據(jù)數(shù)據(jù)中心的規(guī)模，本期部署6面機(jī)柜，終期按部署10面機(jī)柜考慮，單柜功率按10 kW考慮。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170 kW。其中，服務(wù)器功率100 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70 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[5]。

4 綜合能源站交直流微網(wǎng)優(yōu)化方案

4.1 融合儲(chǔ)能升壓變與站用變

充分考慮電網(wǎng)峰谷運(yùn)行、儲(chǔ)能及綜合能源站的特性，將儲(chǔ)能變壓器與站用變壓器合二為一，取消專用站用變，減少設(shè)備投資。

本期儲(chǔ)能規(guī)模（4.2 MW）接入系統(tǒng)需要2臺(tái)2500 kVA雙向變壓器，且儲(chǔ)能電池在低功率充放電或不充不放的工況下，儲(chǔ)能變壓器閑置容量過(guò)大，造成設(shè)備浪費(fèi)。若儲(chǔ)能變壓器與站用變?nèi)诤希筛侠砀咝Ю秒p向變壓器容量。

本期全站最大站用交直流負(fù)荷約為1000 kW，將儲(chǔ)能變壓器與站用變壓器融合后，在保證最大站用負(fù)荷情況下，仍可將剩余1500 kVA容量對(duì)電池進(jìn)行充電，完全可保證電池在谷時(shí)段（8 h）內(nèi)將電量充滿。在峰時(shí)段，儲(chǔ)能電池滿功率放電，同樣在滿足站用負(fù)荷情況下，將剩余功率放向主網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”。在極端事故狀態(tài)下，即使變電站所有進(jìn)線失電，單靠一個(gè)儲(chǔ)能模塊也足以保證全站所有負(fù)荷供電。

本工程采用2臺(tái)2500 kVA的容量雙分裂變壓器與本期儲(chǔ)能電池4.2 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。

4.2 優(yōu)化數(shù)據(jù)中心供電方案

數(shù)據(jù)中心電源常規(guī)有交流或直流供電方式，考慮到直流供電能效更高，本數(shù)據(jù)中心的ⅠT設(shè)備采用240 V高壓直流2N供電方式，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[6～7]，利用由電網(wǎng)+光伏構(gòu)成的站用交直流提供主供電源，交直流雙路交叉供電保證可靠性，同時(shí)利用儲(chǔ)能提供后備電源，將數(shù)據(jù)中心的供電等級(jí)提高到了A級(jí)；數(shù)據(jù)中心空調(diào)電源則由交流微網(wǎng)提供。全程取消了數(shù)據(jù)中心由市電供電的情況。

此外，由儲(chǔ)能提供數(shù)據(jù)中心的后備電源，可削減數(shù)據(jù)中心的UPS電源系統(tǒng)和后備蓄電池配置，通過(guò)減少電能轉(zhuǎn)換次數(shù)，提高能源利用率，提升供電系統(tǒng)的整體可靠性。數(shù)據(jù)中心采用240 V高壓直流系統(tǒng)，不僅降低了ⅠT設(shè)備本身的功耗（1%～2%），并且由于較UPS系統(tǒng)少了直流—交流的逆變環(huán)節(jié)，由此帶來(lái)的制冷需求也同步降低。根據(jù)相關(guān)ⅠDC項(xiàng)目改造實(shí)測(cè)，全年能耗可減低10%～20%，節(jié)能效果十分明顯，同時(shí)最大限度地就地消納以光伏為代表的清潔能源。

4.3 交直流電壓選擇

4.3.1 直流電壓的選擇

Q/GDW 480—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)[8]。GB/T 35727—2017《中低壓直流配電網(wǎng)電壓導(dǎo)則》征求意見(jiàn)稿中低壓直流配電系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓優(yōu)選值分別為3000、1500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，選擇過(guò)高的電壓等級(jí)會(huì)增加電氣絕緣成本和降低兼容性，選擇的電壓等級(jí)過(guò)低會(huì)造成配電距離過(guò)短[9]。由于光伏為屋頂分布式光伏，經(jīng)計(jì)算，本工程屋頂光伏容量約為150 kW，結(jié)合其發(fā)出的為直流電，本文考慮采用DC 750 V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，充電速度慢，需要借助車載充電機(jī)來(lái)充電，輸出功率一般為3.5、7、15 kW等。直流充電樁輸出功率大，一般規(guī)格有30、60、80、120、150 kW等，充電速度快，綜合考慮，本文采用的是直流充電樁。綜合能源站由于接入儲(chǔ)能電池及光伏，可以采用DC 750 V作為輸入電壓，直流充電樁可減少AC/DC輸入模塊，并有助于光伏的就地消納。

數(shù)據(jù)中心采用交直流雙路交叉供電，由DC 750 V主母線通過(guò)DC/DC模塊和AC 380 V母線通過(guò)AC/DC模塊變換至DC 240 V供電。

變電站控制及保護(hù)直流電壓采用220 V，本文采用將直流母線750 V電壓通過(guò)DC/DC模塊以及兩路AC 380 V經(jīng)AC/DC模塊變換至站用DC 220 V饋線。

4.3.2 交流電壓的選擇

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380 V。儲(chǔ)能電池經(jīng)PCS裝置DC/AC至交流380 V后通過(guò)升壓變壓器至AC 10 kV與電網(wǎng)相連。

4.4 “兩交一直混合微網(wǎng)”

通過(guò)梳理多站融合的綜合能源站的負(fù)荷特性和容量，分析站用交直流電壓，統(tǒng)籌多站合一的電源和負(fù)載，本文建立了“兩交一直微電網(wǎng)”體系，如圖2所示。

圖2 “兩交一直微電網(wǎng)”體系

“兩交一直微電網(wǎng)”由兩個(gè)交流子微網(wǎng)，一個(gè)直流子微網(wǎng)混聯(lián)形成。直流子微網(wǎng)采用雙層結(jié)構(gòu)，直流主母線采用750 V電壓等級(jí)，單母線接線；同時(shí)為滿足變電站站用直流的負(fù)荷需求，構(gòu)建次級(jí)220 V直流母線，分兩個(gè)母線段，每個(gè)母線段均采用單母線接線，其中一個(gè)220 V直流母線段通過(guò)DC/DC裝置與直流750 V主母線連接；另一個(gè)220 V直流母線段通過(guò)AC/DC模塊與交流子微網(wǎng)連接，兩段母線間用隔離開(kāi)關(guān)連接。直流子微網(wǎng)涵蓋站內(nèi)數(shù)據(jù)中心、變電站站內(nèi)控制、通信、充電樁等全站直流負(fù)荷，并承擔(dān)光伏能源接入功能。兩個(gè)交流子微網(wǎng)沿用傳統(tǒng)變電站站用電系統(tǒng)接線方式，采用380 V電壓等級(jí)、單母線分段接線。由于儲(chǔ)能變壓器低壓側(cè)為三相三線制接線，為方便交流380 V（220 V）負(fù)荷用電，通過(guò)隔離變壓器將交流系統(tǒng)變換為三相四線制（星型接線），同時(shí)隔離交流與直流系統(tǒng)，防止交流直流系統(tǒng)互竄影響供電質(zhì)量。交流子微網(wǎng)涵蓋變電站傳統(tǒng)交流負(fù)荷、數(shù)據(jù)中心空調(diào)、儲(chǔ)能系統(tǒng)空調(diào)等全站所有交流負(fù)荷。

兩個(gè)交流子微網(wǎng)分別與直流子微網(wǎng)連接，形成混聯(lián)微網(wǎng)群的互聯(lián)互備，實(shí)現(xiàn)了全站交直流負(fù)荷就地統(tǒng)籌平衡和分布式能源最優(yōu)化消納，為全站交直流負(fù)荷提供安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的供電，保證微網(wǎng)在孤島情況下也能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

相較于其他智慧能源站微網(wǎng)解決方案[10]，“兩交一直微網(wǎng)群”方案具備4大明顯優(yōu)點(diǎn)。一是可靠性高，兩個(gè)交流子微網(wǎng)與直流子微網(wǎng)互聯(lián)互備，實(shí)現(xiàn)交直流混合供電。二是覆蓋面廣，將全站交直流負(fù)荷統(tǒng)籌納入微網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)“一體構(gòu)建、統(tǒng)一管理”，優(yōu)選站用交直流供電電壓，減少能源變換環(huán)節(jié)，同時(shí)為清潔能源營(yíng)造優(yōu)質(zhì)消納環(huán)境。三是融合度深，整合儲(chǔ)能變壓器與站用變壓器，整合站內(nèi)常規(guī)直流電源系統(tǒng)，取消變電站、數(shù)據(jù)中心常規(guī)配置的UPS電源，最大化利用設(shè)備，提高能效，減少投資。四是經(jīng)濟(jì)性優(yōu)，考慮到目前微網(wǎng)設(shè)備參數(shù)型號(hào)單一，能源路由器等設(shè)備造價(jià)偏高的問(wèn)題，為提高微網(wǎng)系統(tǒng)的普適性，所有微網(wǎng)設(shè)備均選用較為常規(guī)的參數(shù)形式和規(guī)格，既滿足多種功能需求，也能在實(shí)際工程中落地運(yùn)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在統(tǒng)籌分析綜合能源站電源及負(fù)荷特性、容量的基礎(chǔ)上，優(yōu)選站用交直流供電電壓，建立了“兩交一直微電網(wǎng)”，在保證全站供電可靠性的同時(shí)最大程度地消納可再生能源。該微網(wǎng)系統(tǒng)融合了儲(chǔ)能變壓器和站用變壓器，提高設(shè)備利用率；利用儲(chǔ)能電池搭建綜合能源站的不間斷電源系統(tǒng)，取消變電站和數(shù)據(jù)中心的蓄電池，減少項(xiàng)目投資。數(shù)據(jù)中心采用交直流雙路交叉供電，實(shí)現(xiàn)N-2情況下無(wú)縫切換不停電，供電可靠性得到了顯著提高。本方案具有可靠性高、覆蓋面廣、融合度深、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)的優(yōu)勢(shì)，可在綜合能源站的建設(shè)中實(shí)際應(yīng)用。