基于國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“低碳冬奧”項(xiàng)目的智能電網(wǎng)分布式電源案例分析

李 麗，張 楠

（1.北京京電電力工程設(shè)計(jì)有限公司，北京 豐臺(tái) 100070；2.北京電力工程有限公司，北京 豐臺(tái) 100070）

隨著電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展，分布式發(fā)輸儲(chǔ)放技術(shù)、智能電網(wǎng)建設(shè)、及新能源交易方式的廣泛應(yīng)用，基于物聯(lián)網(wǎng)的綜合能源服務(wù)近年來(lái)在全社會(huì)迅速發(fā)展，引發(fā)了能源系統(tǒng)的深刻變革，進(jìn)而成為各企業(yè)新的發(fā)展戰(zhàn)略與合作焦點(diǎn)。

國(guó)網(wǎng)北京電力公司示范工程應(yīng)用可移動(dòng)電力適配器、寬電壓范圍高效率DC/DC充電機(jī)、能量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)等項(xiàng)目研發(fā)的新裝置和新技術(shù)，同時(shí)配置光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)。綜合實(shí)現(xiàn)交直流配網(wǎng)、分布式能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的互動(dòng)融合與靈活調(diào)配，借助冬奧平臺(tái)向全社會(huì)示范推廣。

此外，分布式電源由于其固有特點(diǎn)隨機(jī)性和波動(dòng)性，使得其自身也存在諸多問(wèn)題。如何協(xié)調(diào)電網(wǎng)與分布式電源接入間的矛盾，進(jìn)一步提升分布式電源的可控性，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，是示范工程須解決的重點(diǎn)。

1 分布式發(fā)電技術(shù)

1.1 分布式電源

分布式發(fā)電（distributed generation, DG）是指直接布置在配電網(wǎng)或分布在負(fù)荷附近的發(fā)電設(shè)施。[1]分布式電源（distributed generating source,DGS）包括燃料電池、可再生能源光伏電池和風(fēng)力發(fā)電等。

1.1.1 燃料電池技術(shù)[2]

燃料電池的工作原理是富含氫的燃料與空氣中的氧氣結(jié)合生成水，氫氧離子的定向移動(dòng)在外電路形成電流，類(lèi)似于電解水的逆向過(guò)程，它并不燃燒燃料，而是通過(guò)電化學(xué)的過(guò)程將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。目前已研究開(kāi)發(fā)了5種燃料電池：聚合電解質(zhì)膜電池（PEM）、堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、固體電解質(zhì)燃料電池（SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（SOFC），其中磷酸型燃料電池（PAFC）是技術(shù)成熟且已商業(yè)化的燃料電池。

1.1.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、逆變器、配電箱及計(jì)量等相關(guān)附件構(gòu)成。其工作原理是太陽(yáng)能電池方陣在光照的條件下產(chǎn)生直流電，直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電后并入低壓或高壓電網(wǎng)。目前屋頂式光伏發(fā)電技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。圖1 為海坨110 kV變電站光伏項(xiàng)目效果圖。

圖1項(xiàng)目效果圖

海坨110 kV變電站光伏項(xiàng)目就是采用分布式屋頂光伏電站技術(shù)的應(yīng)用。它采用薄膜Miasole120 W柔性電池板組件，根據(jù)延慶當(dāng)?shù)厝照涨闆r項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)容量為59.76 kWp。光伏電站通過(guò)2個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)并網(wǎng)，容量均為29.88 kWp，峰值出力均約為29.88 kW。光伏電站發(fā)電量消納方式為全部自用。推薦光伏電站接入海坨110 kV 變電站站用變380 V 母線(xiàn)。圖2為接入系統(tǒng)示意圖。

圖2 接入系統(tǒng)示意圖

2 示范工程應(yīng)用分析

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

冬奧延慶專(zhuān)區(qū)交直流混合配網(wǎng)示范工程的設(shè)計(jì)遵循安全可靠、綠色低碳的原則。

通過(guò)直流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩條10 kV 交流線(xiàn)路在低壓側(cè)的合環(huán)，提高配電網(wǎng)系統(tǒng)潮流可控性，兩條交流線(xiàn)路間可進(jìn)行能量互濟(jì)，降低系統(tǒng)備用容量、提高設(shè)備利用率。

可移動(dòng)電力適配器具備多電壓端口，在負(fù)荷中心提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐、接入應(yīng)急電源、臨時(shí)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)緊急功率支援。

采用直流供電技術(shù)，不存在無(wú)功和諧波等方面的問(wèn)題，降低電網(wǎng)網(wǎng)損，提高電能質(zhì)量。

在低壓側(cè)，通過(guò)光伏、儲(chǔ)能、負(fù)荷間的協(xié)調(diào)控制，可以更好地接納分布式電源、緩解負(fù)荷波動(dòng)對(duì)交直流配電系統(tǒng)的沖擊。

2.2 示范工程電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 場(chǎng)址選擇

示范工程位于山地媒體中心附近的永久停車(chē)場(chǎng)西南角如圖3所示。

圖3 示范工程位置及位置及周邊設(shè)施

2.2.2 負(fù)荷預(yù)測(cè)

初步擬建設(shè)6 臺(tái)7 kW 交流充電樁、4 臺(tái)60 kW直流充電樁和2 臺(tái)180 kW 直流充電樁，為山地媒體中心落客區(qū)的電動(dòng)大巴車(chē)和電動(dòng)乘用車(chē)供電。直流充電樁總?cè)萘?00 kW，考慮電動(dòng)車(chē)同時(shí)滿(mǎn)功率充電的情況較少且直流充電機(jī)具備限功率功能，充電同時(shí)系統(tǒng)取0.9，直流充電設(shè)備負(fù)荷為540 kW；交流充電樁總?cè)萘繛?2 kW；監(jiān)控系統(tǒng)、空調(diào)等站用負(fù)荷約58 kW；總負(fù)荷為640 kW?？紤]變流器的自身?yè)p耗，充電負(fù)荷預(yù)計(jì)為700 kW，如圖4所示。

圖4 負(fù)荷預(yù)測(cè)圖

2.2.3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

示范工程兩路10 kV 線(xiàn)路來(lái)自山地媒體中心10 kV 電纜分界室不同10 kV 母線(xiàn)。一路10 kV 線(xiàn)路經(jīng)箱變降壓到380 V 后，向交流母線(xiàn)和交直流雙向變流器供電；另一路直接接入可移動(dòng)電力適配器，轉(zhuǎn)換為380 V交流和750 V直流為交流母線(xiàn)和直流母線(xiàn)供電。系統(tǒng)在交流側(cè)接入6套7 kW交流充電樁和1 套1 MWh 儲(chǔ)能系統(tǒng)，在直流側(cè)接入4 臺(tái)60 kW 直流充電樁、2臺(tái)180 kW直流充電樁和1套9 kW光伏系統(tǒng)。直流線(xiàn)路兩端通過(guò)兩臺(tái)交直流換流器與交流線(xiàn)路相連，構(gòu)成交直流背靠背系統(tǒng)?？傮w框架詳如圖5所示。

圖5 方案的系統(tǒng)總體框架

示范工程電氣系統(tǒng)包括示范工程區(qū)域內(nèi)的外電源模塊、直流模塊、儲(chǔ)能模塊、光伏模塊和換流器模塊。其中：直流模塊為直流充電樁設(shè)備；分布式能源光伏系統(tǒng)安裝在可移動(dòng)電力適配器、充電站變流器和儲(chǔ)能系統(tǒng)3個(gè)集裝箱箱頂，總?cè)萘? kW。光伏組件采用薄膜光伏，便于拆裝、對(duì)集裝箱箱頂稱(chēng)重要求較小且不會(huì)破壞箱體的防護(hù)等級(jí)。儲(chǔ)能模塊采用東杏園變電站的1輛移動(dòng)儲(chǔ)能車(chē)，1組500 kWh電池經(jīng)儲(chǔ)能變流器接入交流系統(tǒng)，1 組500 kWh 電池經(jīng)儲(chǔ)能DC/DC接入直流系統(tǒng)。

2.3 工程建設(shè)方案

2.3.1 預(yù)期建設(shè)效果

示范工程的設(shè)計(jì)效果圖如圖6 所示，示范工程主要包括可移動(dòng)電力適配器集裝箱、變流器集裝箱和儲(chǔ)能集裝箱3臺(tái)集裝箱、1臺(tái)箱變、6個(gè)直流充電樁和6個(gè)交流充電樁。

圖6 效果圖

2.3.2 總平面布置

充電站地面積約為300 m2，平面布局如圖7 所示，其中可移動(dòng)電力適配器占地13.5 m×4.1 m、總重量約20 t，變流器集裝箱占地11 m×4.2 m、總重約15 t，儲(chǔ)能集裝箱占地12.5 m×2.5 m、總重約25 t；箱變占地7 m×5 m；大巴車(chē)停車(chē)區(qū)占地21 m×13.5 m（6車(chē)位）、乘用車(chē)占地21 m×13.5 m（6車(chē)位）。

圖7 平面布置圖

3 效益與展望

本項(xiàng)目建設(shè)將實(shí)現(xiàn)延慶東奧專(zhuān)區(qū)內(nèi)電力消費(fèi)100%來(lái)自可再生能源，供電可靠性≥99.99%，將為2022 年北京冬季奧運(yùn)會(huì)提供可靠、綠色的電力供應(yīng)。未來(lái)分布式能源供應(yīng)將引領(lǐng)21世紀(jì)電力工業(yè)發(fā)展的方向，建立新型電力公司與用戶(hù)的關(guān)系體系，妥善研究和制定與分布式發(fā)電有關(guān)的法律、法規(guī)和技術(shù)規(guī)范，推動(dòng)清潔能源上網(wǎng)發(fā)電。當(dāng)前分布式發(fā)電技術(shù)研究已進(jìn)入深水區(qū)，今后的研究重點(diǎn)集中在如何將分布式電能平穩(wěn)上網(wǎng)，進(jìn)一步提升其可控性，是每一位電力技術(shù)人員認(rèn)真思考的課題。