光伏儲能供電系統在天然氣管道閥室的應用

董飛（大慶油田天宇工程設計有限責任公司）

閥室在天然氣長輸管道系統中具有重要作用，其主要功能是可截斷來氣，并放空特定管段內天然氣，出事故時可防止管道事故擴大、減少環境污染，在維護改造時可保障施工操作安全進行。長輸管道每間隔一定距離設置1座截斷閥室，因此多數情況下閥室都往往位于偏僻的野外環境，電力依托條件較差，采用傳統的10 kV供電方案，存在供電線路距離長、線損高、變壓器空載率高等諸多問題[1-2]。利用光伏儲能供電系統，不僅可以保障閥室的供電，而且節省了長距離電力線路的工程投資和征地費用[3-4]。目前光伏儲能供電系統已應用在西氣東輸管道、西部管道、蘭鄭長管道、陜京線、廣東管網2021工程等多個長輸管道項目中[5]。

1 系統組成

光伏儲能供電系統主要由光伏陣列、光伏防雷匯流箱、逆變控制一體配電柜、儲能柜等組成[6]。光伏儲能系統組成見圖1。各部分主要功能如下：

光伏陣列：由太陽能板組成光伏陣列，每3塊串聯為一組，再由5或6組經匯流箱并聯匯總，送到逆變控制一體配電柜中的光伏充電控制器，經最大功率跟蹤后對電池組陣列進行充電。發電系統電壓盡量接近48 V直流儲能額定電壓，有利于提高轉換效率，而且電壓低有利于保障維護人員的安全。

光伏防雷匯流箱：可承受20 kA 8/20 uS的雷擊電流沖擊，以保證極端條件下控制器及逆變器免遭雷擊影響。另外，可實現每組光伏太陽能板的匯流功能，以方便檢修測量斷電。

光伏充電控制器：主要實現每組太陽能板的最大功率點的跟蹤功能，以實現最高效率為蓄電池提供充電電能。另外，可實現相關的保護功能，如電池反接、短路反向放電等。

逆變器：主要實現直流/交流的轉換，將直流電能轉換成交流電能，以滿足交流負載的供電需求[7]。另外，逆變器還具有交流輸入充電端口，滿足緊急條件下接入備用發電機的功能。

交流輸出配電及控制：主要是實現交流/直流回路的各分支輸出、開關控制等。采用二次下電控制，當電池放電到設定容量（如：60%）以下時，關閉非重要負荷，容量恢復到設定值（如：90%）時恢復非重要負荷供電。

儲能柜：將光伏發電系統輸出的電能轉化為化學能存儲起來，以備供電不足時使用。

圖1 光伏儲能系統組成Fig.1 Composition of photovoltaic energy storage system

2 閥室的用電需求和負荷

閥室的主要用電設備有：遠程控制單元RTU、通信光端機、安防系統、陰極保護設備以及照明燈具等[8]。設備選型盡量選用低功耗，高功率因數的節能型設備，從而可以降低光伏陣列的裝機功率和儲能電池的容量，節省投資。另外，在進行負荷計算時需按照設備的重要性分類，儲能電池容量的計算原則一般為可保證連續1 d陰雨天為滿負荷供電，之后連續4 d陰雨天為重要負荷供電。

典型閥室的用電負荷計算詳見表1。該閥室內用電設備有功功率合計3.75 kW，其中重要負荷0.95 kW，每天實際負載耗電量約為90 kWh，其中22.8 kWh為重要負荷，67.2 kWh為非重要負荷。經計算，儲能蓄電池容量需求為181.2 kWh。

3 閥室獨立光儲系統工作原理

太陽能板選用了單晶硅太陽能板，具有發電效率高，發電穩定等優點。太陽能板3塊串聯為1組，6組經匯流并聯匯總后為一臺6 kW的光伏充電控制器提供光伏電能。光伏充電控制器具有最大功率跟蹤功能，能夠根據當前光照以及太陽能板的光伏特性，進行最大功率跟蹤，保證當前光照條件下光電的轉換效率最高。光伏充電部分共由3臺6 kW光伏充電控制器組成，完成整個光儲系統的充電功能。光伏充電控制器的輸出接儲能陣列柜，為儲能柜中的鋰電池提供電能。

表1 典型閥室的負荷計算Tab.1 Load calculation of typical valve chamber

4 閥室光伏陣列的布置

閥室光伏陣列的布置需要根據閥室的總體布局，確定可排布光伏陣列的區域，在選定安裝區域時注意以下幾點：周邊物體對光伏陣列產生的陰影區域要排除[9]；布置區域要避開有爆炸危險的工藝裝置區、放空區以及其它障礙物；在可利用區域內盡量提高光伏陣列的總體面積，以滿足閥室內設備的用電需求[9-10]。

以上述典型閥室為例，經計算，該閥室光伏太陽能板安裝總功率需求為17 kWp，需安裝315 Wp單晶硅太陽能電池板54塊，需占地面積約96.9 m2，考慮到需避開爆炸危險區以及遮擋陰影區，故可采用金屬支架將太陽能板支起，典型閥室的光伏陣列布置圖見圖2，典型閥室的光伏支架見圖3，整體安裝于撬裝小屋上方，既提高了太陽能板安裝總功率，又合理避開設備、圍墻等產生的陰影區。

圖2 典型閥室的光伏陣列布置Fig.2 Photovoltaic array layout of typical valve chamber

圖3 典型閥室的光伏支架Fig.3 Photovoltaic bracket of typical valve chamber

5 閥室光伏儲能系統的防雷

由于光伏發電系統的系統結構、安裝位置和周圍環境的特殊性，容易遭受雷電所引起的損害。一般而言，對于閥室光伏儲能系統的雷電危害主要有直擊雷、感應雷、傳導雷等。太陽能電池板是由真空鋼化玻璃夾層和四周的鋁合金框架做成，鋁合金框架與金屬支架連接，電池板易遭受直擊雷侵襲，也易遭受感應雷侵襲。逆變器、電控柜等電氣設備易遭受感應雷和雷電波的侵入，另外，在雷電的作用下，雷電波也可能侵入閥室內危及人身安全或損壞設備，嚴重的雷電襲擊會對整個光伏儲能系統造成極大的破壞。

外部防雷系統由防直擊雷的系統組成，主要依靠合格的接閃針（帶、網、線）系統。由于光伏太陽能板均布置于閥室站場內，故應優先考慮利用站場內的外部防雷系統，如果光伏設備處于保護范圍內，則可以不用加裝外部防雷系統，反之則要另外加裝外部防雷系統。避雷針的布置，要考慮光伏設備在保護范圍內又要盡量避免陰影投射到光伏組件上。

內部防雷系統由防雷電電磁脈沖措施組成，內部防雷電電磁脈沖的基本方法是：在入侵通道上將雷電過電壓、過電流泄放入地，將雷電電磁脈沖屏蔽濾除，從而達到保護閥室內重要電子設備的目的。從外部進入閥室光伏發電小屋及儲能柜的所有導電部件均需要接入等電位連接系統中，所有不帶電的金屬部件直接連接到等電位連接系統，帶電部件則通過安裝電涌保護器間接接入等電位連接系統。通過在帶電電纜上安裝浪涌保護器，減少電涌和雷電過電壓對電子設備造成損壞。

6 經濟對比分析

以典型閥室為例，以管道設計壽命20 a為周期，從建設成本、維護費用、節能效益等方面，對比10 kV變壓器供電方式與光伏儲能供電系統。

10 kV變壓器供電方式的建設成本主要包括10 kV架空線路（以3 km計）、箱式變電站、征地費、安裝費等，合計約61.9萬元。運行維護費用主要包括：電費約1.6萬元/a、維修費用約0.5萬元/a。20 a建設成本及運行維護費用合計109.9萬元。

光伏儲能供電系統的建設成本主要包括單晶硅太陽能電池板、逆變控制柜、儲能電池柜等，合計約37.72萬元。每五年更換一次儲能蓄電池，投資約20萬元。20 a建設成本及運行維護費用合計97.72萬元。

在20 a周期內，光伏儲能供電系統的建設成本及運行維護費用合計比10 kV變壓器供電方式節省約12.18萬元。

另外，在節能效益方面，光伏儲能供電系統20 a累計發電量約49.6×104kWh，與燃煤電廠相比，折合節約標準煤約157.4 t，可相應減少多種大氣污染物的排放，其中減排碳粉塵為100 t、CO2為366 t、SO2為11 t。

7 結束語

太陽能是一種清潔的可再生能源，提高太陽能的利用率有利于保護環境。當天然氣管道閥室位于偏遠地區，外引電源困難時，采用光伏儲能供電系統是一種安全可靠解決方案。光伏儲能供電系統與傳統的10 kV變壓器供電方式相比建設成本和運行維護費用更低，節能減排效果更好。