沈陽某66 kV變電站綜合能源技術改造方案分析

姚文強，林辛烔，車 嘉，劉 濤

(沈陽電力勘測設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110021)

本項目以原有66 kV變電站為依托，創新建設模式，實現變電站、數據中心站、綜合能源站集成融合與友好互動，實現能源流、數據流、業務流合一，提升電網綜合效率效益，滿足城市建設對能源、環境的綜合要求。

項目建設方案為在沈陽某66 kV變電站建設由分布式光伏、儲能電站等元素組成的微電網系統，結合5G基站，實現分布式光伏、儲能電站、充電樁和5G基站的一體化智能應用。

1 屋面分布式光伏工程建設方案

本方案光伏電站裝機容量為91.3 kWp，采用166塊單晶硅550 W光伏組件，按容配比1.3配置接入1臺70 kW組串式逆變器，以0.4 kV電壓等級并入變電站低壓母線[1]。

1.1 光伏系統整體方案

本方案裝機容量為91.3 kWp，18塊光伏組件1串，接入組串式逆變器，0.4 kV電壓等級并入變電站低壓母線。

本方案3樓屋面光伏采用固定傾角支架形式安裝，混凝土配重塊基礎。1樓采光棚以組件平鋪方式安裝光伏組件(見圖1、圖2)。

1.2 年發電量計算

圖3為光伏電站平面布置圖，根據光伏組件電池組件25年衰減率，綜合考慮陰影遮擋及系統損耗，計算得出25年分年發電量。年均發電量10.6×104kWh，25年總發電量265.07×104kWh。

2 儲能電站建設方案

2.1 儲能系統集成方案

儲能電站方案是以磷酸鐵鋰電池作為儲能器件，通過雙向變流器實現交/直流電能變換和電能流向控制[2]，圖4為儲能電站控制原理圖。

圖1 3樓屋面光伏安裝示意圖

圖2 采光棚改造后光伏安裝示意圖

圖3 光伏電站平面布置圖

儲能系統100 kW/400 kWh，安裝在室內，包含3個電池柜、1個變流器柜(PCS)及1個匯流柜。每個電池柜由1套電池管理系統來管理，每個電池箱由1個電池監測單元來管理，電池柜的高壓直流總線匯流到高壓電氣匯流柜上，控制柜為每個電池柜提供CAN通信匯總接口，同時也可以通過以太網向電站能源管理系統上傳電池數據和信息，也可接收電站能源管理系統下發的指令，并執行下發的指令[3]。

圖4 儲能電站控制原理

2.2 電芯設計

目前針對不同領域、不同需求，有多種儲能技術目前可選電池包括鉛酸電池、鈉硫電池、液流電

池和鋰離子電池等，鋰電池性能對比如表1所示。

由表1可知，磷酸鐵鋰電池作為鋰離子電池中的一種，具有能量和功率密度高、可靠性高、安全性高和沒有污染等特點。本方案采用成熟的由全自動生產線生產的標準230 Ah磷酸鐵鋰(LFP)方形鋁殼電芯為基本單元電芯，單體電池參數如表2所示。

表1 鋰電池性能對比

表2 單體電池參數

2.3 電池箱設計

電池箱的設計是進行電池串聯設計，根據電池箱的尺寸和所選的電芯，電池箱以16個電芯進行串聯，串聯后電池箱為1P16S，電壓為51.2 V。

2.4 電池柜設計

電池柜內部主要安裝電池箱、主控箱、配套電線電纜，主控箱包括電池管理系統、高低壓電器保護件等。電池柜的設計采用分組分層設計，機柜外觀采用免維護技術(見圖5)。

圖5 電池機柜組裝示意圖

2.5 BMS電池管理系統

圖6為儲能電站系統，圖7為儲能電站平面布置，400 kWh儲能單元配置一套電池管理系統(BMS)，與儲能變流器通信，對電池進行保護性充放電。BMS采用三級結構，包含電池系統管理單元(BAMS)、電池組管理系統(BCM)、電池檢測單元(BMM)、電流傳感器、繼電器及附件等。每個電池柜由14個磷酸鐵鋰電池箱串聯而成，由1套電池管理系統來管理。每個電池箱由16個230 Ah電芯通過1P16S方式進行成組，由1個電池監測單元來管理。3個電池柜的高壓直流總線匯流到高壓電氣匯流柜上。控制柜為每個電池柜提供CAN通信匯總接口，同時也可以通過以太網向上層管理系統上傳電池數據和信息，也可接收上級管理系統下發的指令，并執行下發的指令[4]。

圖6 儲能電站系統

圖7 儲能電站平面布置圖

3 充電樁工程建設方案

3.1 主要技術原則

a.直流充電機功率為15 kW，1機1充。

b.乘用車車位按長6 m、寬2.8 m設計，通道尺寸應符合相關規范要求。

c.車位采用單列式布置。

d.充電樁優先使用光伏發電，其次由儲能電站供電，當儲能電站處于欠電狀態時，由變電站站用變提供電源。

3.2 充電系統布置

本方案配置4臺15 kW直流充電機，1機1充，同時為4輛電動乘用車進行充電。

3.3 供配電系統布置

配置1臺0.4 kV分線箱(1進5出)，布置于變電站靠近圍墻處。

充電樁電源引自儲能電站交流母線，采用ZC-YJV22-0.6/1 kV-4x35+1x16 mm2交流電纜，經過1進5出0.4 kV交流出線箱，選用4根ZC-YJV22-0.6/1 kV-4x25+1x16 mm2電纜分別接至4臺直流充電樁。充電樁平面布置圖如圖8所示。

圖8 充電樁平面布置圖

4 5G通信基站建設方案

5G基站架構體系圖如圖9所示，本方案配置1套5G基站設備，天線等室外設備布置在變電站樓頂屋面上，其他室內設備布置在變電站1樓空余房間內，設備電源由變電站低壓側提供[5]。

5G基站是5G網絡的核心設備，本方案配置的5G基站主要為變電站及對外設備提供無線覆蓋服務，確保有線通信網絡和無線終端的無線信號傳輸。

圖9 5G基站架構體系圖

圖10 系統組網圖

5 智慧能源綜合服務平臺建設方案

5.1 系統組網方案

本項目智慧能源綜合服務解決方案包括智慧能源綜合服務平臺、能源管理機、智能監測終端等，系統組網如圖10所示。

智慧能源綜合服務解決方案主要實現以下三大功能：①基于全方位綜合能源監控；②安全生產、高效運維；③能量管理。

5.2 光伏電站部分平臺管理方案

a.光伏電站概況及狀態展示，圖11為光伏系統顯示頁面示意圖。

圖11 光伏系統顯示頁面示意圖

b.光伏電站告警管理。

c.智能診斷。

5.3 儲能電站部分平臺管理方案

a.儲能數據采集

本方案通過RS485實現儲能系統中PCS、BMS等設備、系統的運行數據和狀態參數采集[6]，并實現PCS充放電控制。將PCS雙向變流器的信息上傳至智慧能源綜合管理系統，并對故障信息進行記錄和告警提示。將電池信息上傳至智慧能源綜合管理系統，并對故障信息進行記錄和告警提示。圖12為儲能系統顯示頁面示意圖。

圖12 儲能系統顯示頁面示意圖

b.儲能設備管理

將儲能設備中電池運行狀態、電池SOC、電池SOH、充放電模式、額定充電功率、電池SOC告警、當日充放電電量等信息進行實時數據展示。

將儲能設備中儲能逆變器：包括運行狀態、電壓值、電流值、頻率、有功充放電功率、無功功率、功率因數、效率、充放電量統計及告警信息等進行展示。

根據儲能運行情況，計算與展示儲能充放電情況以及儲能收益。

c.儲能優化策略

綜合分析光伏出力特性、負荷特性以及儲能系統特性，分布式光伏儲能的收益受其調度策略的影響。在每個時段，光伏功率首先供給負荷，建議經開儲能充放電大致策略如下：①光伏出力充足且蓄電池處于欠電狀態，剩余功率先給儲能充電，如有多余則向電網售電；②光伏出力不足且是高峰時段，儲能向負荷放電，如不足從電網購電；③光伏出力不足且是平或谷價時段，儲能從電網購電。

5.4 充電樁部分平臺管理方案

本方案通過RS485實現充電樁數據采集，實時監測、顯示充電樁運行狀態，同時對運行狀態、充電歷史數據進行存儲。

5.5 站用變部分平臺管理方案

本方案智慧能源綜合服務平臺可對站用變用能能效進行分析，智能分析功能主要針對站用變用能能效情況，給出一定的分析建議。

圖13為統計峰谷平時間段用電量以及電費，錯峰后節約用電以及電費顯示。

圖13 站用變用能能效分析示意圖

6 低壓并網接入系統

本項目分布式光伏、儲能電站和充電樁通過并網柜接入變電站站用變0.4 kV母線側。圖14為66 kV智慧能源站系統。

圖14 66 kV智慧能源站系統

7 結語

本項目充分利用現有變電站基礎設施，實現可再生能源的就地消納。通過示范項目探索一條充電場站、儲能電站、5G基站與傳統變電站有機融合的發展路徑，打造可復制推廣的節地、高效、綠色、友好的智慧能源站模式，將會產生顯著的社會效益與經濟效益。智慧能源站多能互補供能形式對國內其他變電站有著良好的示范作用，同時加快推動新能源汽車產業的發展。