智慧能源站“多站融合”工程中交直流微網(wǎng)系統(tǒng)研究

周星，劉江敏，褚農(nóng)，高亞靜，宋祺鵬

(1.中電聯(lián)電力發(fā)展研究院，北京 100053; 2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192)

0 引 言

為建設(shè)“三型兩網(wǎng)”企業(yè)，加快推進(jìn)世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)建設(shè)，建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，國家電網(wǎng)有限公司提出“探索利用變電站資源建設(shè)運(yùn)營(yíng)充換電(儲(chǔ)能)站和數(shù)據(jù)中心站新模式”，并在部分地區(qū)推行“統(tǒng)一規(guī)劃、功能整合、模塊建設(shè)、共享共贏”的智慧能源站建設(shè)模式，開展變電站、數(shù)據(jù)中心、儲(chǔ)能站、充(換)電站、光伏站等“多站融合”試點(diǎn)工作，發(fā)揮電網(wǎng)樞紐作用，充分利用網(wǎng)絡(luò)屬性，以能源互聯(lián)網(wǎng)為支撐，樹立“共建、共治、共贏”的共享理念。

現(xiàn)階段，智慧能源站“多站融合”試點(diǎn)工程在江蘇、河南、上海、湖南等省正陸續(xù)開展，相關(guān)設(shè)計(jì)方案尚處于研究階段，各試點(diǎn)工程對(duì)交直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)框架、電壓等級(jí)、系統(tǒng)配置等進(jìn)行了深入研究。文中通過分析變電站、數(shù)據(jù)中心、儲(chǔ)能站、充(換)電站、光伏站等傳統(tǒng)供電方式和負(fù)荷特性，研究了站內(nèi)備用電源、直流電源及UPS系統(tǒng)優(yōu)化整合配置方案，選取適宜的微網(wǎng)電壓等級(jí)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨?，提出智慧能源站“多站融合”工程中交直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在保證可靠性的前提下，提高交直流系統(tǒng)的綜合能效，降低建設(shè)成本和運(yùn)維成本，為今后智慧能源站“多站融合”試點(diǎn)工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。本方案已在某試點(diǎn)工程中應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)交直流供電系統(tǒng)

1.1 變電站站用電系統(tǒng)

220 kV及以下變電站內(nèi)站用變壓器一般從兩臺(tái)主變壓器低壓側(cè)分別引接電源，每臺(tái)工作變壓器按全所計(jì)算負(fù)荷選擇，為防止站用變壓器因故障退出運(yùn)行，站用電系統(tǒng)采用單母線分段接線[1]。

站用電負(fù)荷主要為變壓器冷卻裝置、浮充電裝置、生活和消防水泵、斷路器和隔離開關(guān)操作、加熱，以及變電站內(nèi)的照明、空調(diào)、加熱等。

1.2 數(shù)據(jù)中心交流系統(tǒng)

由于試點(diǎn)工程中多以B級(jí)數(shù)據(jù)中心為研究和建設(shè)對(duì)象，因此文中以B級(jí)數(shù)據(jù)中心為例，說明數(shù)據(jù)中心交流系統(tǒng)的供電特點(diǎn)。

B級(jí)數(shù)據(jù)中心通常引接2路電源，并配以備用電源(見圖1)。兩路工作電源經(jīng)過自動(dòng)切換開關(guān)轉(zhuǎn)換為一路輸出至饋電母線上，備用電源處于熱備用狀態(tài)[2]。

圖1 B級(jí)數(shù)據(jù)中心典型供電系統(tǒng)圖

數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)負(fù)責(zé)為空調(diào)、風(fēng)機(jī)、照明等系統(tǒng)提供電源，同時(shí)為各種計(jì)算機(jī)負(fù)載、服務(wù)器、應(yīng)急照明等系統(tǒng)供電[3]。

1.3 電化學(xué)儲(chǔ)能電站和充(換)電站交流系統(tǒng)

電化學(xué)儲(chǔ)能電站交流系統(tǒng)配置與變電站類似，高壓側(cè)采用單母線分段接線。低壓側(cè)為單母線分段接線[4]。主要負(fù)荷包括電池艙內(nèi)空調(diào)、通風(fēng)、照明，PCS和升壓變室(艙)內(nèi)通風(fēng)、加熱、照明，以及生產(chǎn)、生活等其他負(fù)荷。

充(換)電站交流系統(tǒng)中，屬于二級(jí)用戶的充換電站宜采用雙回路供電；屬于三級(jí)普通用戶的充換電站可采用單回路供電。文中考慮為二級(jí)用戶的充換電設(shè)施供電，采用雙回路供電方式，不配置備用電源。用電負(fù)荷主要為充電樁，以及站內(nèi)照明、監(jiān)控、辦公等。

2 交直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)分析

2.1 交直流微網(wǎng)設(shè)計(jì)原則

為實(shí)現(xiàn)變電站、數(shù)據(jù)中心、儲(chǔ)能站、充(換)電站、光伏站一體化有效融合，智慧能源站通過中低壓交/直流母線，引入光伏電源及儲(chǔ)能電源構(gòu)建“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的交直流微網(wǎng)系統(tǒng)[5]。

智慧能源站交直流微網(wǎng)系統(tǒng)是由站內(nèi)電源、站外電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、站用變壓器、保護(hù)測(cè)控、低壓配電屏、交直流供電網(wǎng)絡(luò)等組成的系統(tǒng)，能夠給智慧能源站提供可靠的交直流電源，變電站、數(shù)據(jù)中心、儲(chǔ)能站、充(換)電站合用一套交直流微網(wǎng)系統(tǒng)[6-8]。交直流微網(wǎng)系統(tǒng)作為智慧能源站重要基礎(chǔ)輔助設(shè)施，是全站安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。交直流微網(wǎng)設(shè)計(jì)的主要原則包括：

(1)整合站內(nèi)直流負(fù)荷和傳統(tǒng)交流負(fù)荷，尋求分布式能源最優(yōu)化途徑消納方案，實(shí)現(xiàn)交直流負(fù)荷統(tǒng)籌就地平衡消納，同時(shí)保證系統(tǒng)的供電可靠性[9]；

(2)充分利用儲(chǔ)能雙向變壓器，優(yōu)化常規(guī)站用變壓器，整合UPS電源，通過交直流微網(wǎng)，形成交直互備模式[10-11]；

(3)最大限度發(fā)揮儲(chǔ)能作用，高峰時(shí)，由儲(chǔ)能單元支撐全站負(fù)荷，剩余電量流入電網(wǎng)；低谷時(shí)，由電網(wǎng)支撐全站負(fù)荷，同時(shí)為儲(chǔ)能單元充電。同時(shí)考慮儲(chǔ)能單元為微網(wǎng)提供備用電源支撐，提高微網(wǎng)供電可靠性，為數(shù)據(jù)中心提供優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定、高效的供電服務(wù)[12-16]。

本試點(diǎn)工程交直流微網(wǎng)系統(tǒng)采用10 kV供電，分交流側(cè)和直流側(cè)兩部分。

2.2 微網(wǎng)交流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

交流系統(tǒng)分為10 kV和400 V兩部分，兩部分經(jīng)兩臺(tái)雙分裂儲(chǔ)能兼站用變壓器連接。

10 kV配電裝置采用單母線分段接線，10 kV站用變壓器從變電站兩臺(tái)主變低壓側(cè)分別引接2回10 kV電源，另引接1回10 kV站外電源作為備供電源。為防止1臺(tái)站用變壓器因故障退出運(yùn)行降低供電可靠性，兩臺(tái)雙分裂變壓器分別接至10 kV兩段母線，同時(shí)帶電分列運(yùn)行。

400 V配電裝置采用單母線分段接線，電源取自兩臺(tái)雙分裂變壓器低壓側(cè)，同時(shí)滿足供電和儲(chǔ)能接入要求，為變電站、數(shù)據(jù)中心輔助設(shè)備、儲(chǔ)能站輔助設(shè)備、變電站通信設(shè)備、保護(hù)控制設(shè)備、充換電站提供電源，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入與其他用電負(fù)荷采用隔離變進(jìn)行隔離。

2.3 微網(wǎng)直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

直流系統(tǒng)分為750 V、220 V和48 V三部分。DC 750 V采用單母線接線，電源經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換后，取自交流400V兩段母線。DC 750 V母線經(jīng)DC/DC變換后，為數(shù)據(jù)中心、直流照明、充電樁等直流負(fù)荷供電。

DC 220 V采用單母線分段接線，一路電源經(jīng)DC/DC變換后取自DC 750 V母線，另一路電源取自400 V交流母線，為48 V通信電源、全站保護(hù)和測(cè)控電源等供電。

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器采用直流供電，一路電源引接至DC 750 V母線，另一路來自400 V交流母線。

2.4 交直流微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

交直流微網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖詳見圖2。

圖2 交直流微網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

拓?fù)鋱D中包含交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)兩部分，儲(chǔ)能電池經(jīng)變流器后直接接入交流系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心、直流照明、直流充電樁和光伏系統(tǒng)，以及變電站保護(hù)、測(cè)控電源等直接接入直流系統(tǒng)。

3 數(shù)據(jù)中心服務(wù)器供電研究

3.1 數(shù)據(jù)中心服務(wù)器供電型式

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50174-2017)[2]，B級(jí)數(shù)據(jù)中心應(yīng)由雙重電源供電，并應(yīng)配置備用電源。當(dāng)正常電源發(fā)生故障時(shí)，備用電源應(yīng)承擔(dān)數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行所需要的用電負(fù)荷[17]。

為提升數(shù)據(jù)中心的供電可靠性，直流微網(wǎng)采用雙回路電源供電模式，同時(shí)重要負(fù)荷采用“雙冗余”模式(模塊冗余、電源冗余)，考慮到傳統(tǒng)交流UPS供電方案能耗高、可靠性低、維護(hù)擴(kuò)容難度大、建設(shè)成本高，同時(shí)柴油發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期處于冷備用狀態(tài)，UPS蓄電池長(zhǎng)期處于浮充電狀態(tài)，每年需要花費(fèi)大量成本進(jìn)行維護(hù)，因此取消傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)供電模式。本節(jié)對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源的接入型式、電壓等級(jí)、可靠性等進(jìn)行深入分析，提出數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的供電方案。

由于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器設(shè)備由電子元器件組成，實(shí)際均為直流負(fù)荷，設(shè)備電源模塊支持交直流輸入，通過直流供電可減少電能轉(zhuǎn)換次數(shù)，提高能源利用率和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)整體可靠性，因此在智慧能源站中推薦采用直流供電方式，同時(shí)將儲(chǔ)能電池替代數(shù)據(jù)中心UPS鉛酸蓄電池，利用儲(chǔ)能電站剩余電量提供應(yīng)急供電，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站和數(shù)據(jù)中心的電池融合。

3.2 儲(chǔ)能接入電壓等級(jí)研究

本節(jié)提出儲(chǔ)能單元參與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器供電的3種模式：模式1為儲(chǔ)能單元直接連接至10 kV母線(見圖3)；模式2為儲(chǔ)能單元直接連接至400 V母線(見圖4)。模式1和2中，儲(chǔ)能單元均作為數(shù)據(jù)中心的備用電源，替代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)，但仍保持傳統(tǒng)的UPS供電方式；模式3為儲(chǔ)能單元直接連接至400 V母線，取消傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)和UPS系統(tǒng)，采用直流微網(wǎng)方式(見圖5)。

圖3 儲(chǔ)能單元接入數(shù)據(jù)中心供電模式1

圖4 儲(chǔ)能單元接入數(shù)據(jù)中心供電模式2

圖5 儲(chǔ)能單元接入數(shù)據(jù)中心供電模式3

文中首先通過蒙特卡洛模擬法得出各鏈路供電可靠性[17-20]，然后計(jì)算得出不同模式的供電可靠性。

(1)

式中T(ei)為元件ei的閥級(jí)；ψcmax為交直流微網(wǎng)供給的總能量，ψicmax為某元件ei故障后，系統(tǒng)所能供給的最大總能量。元件ei的可靠性定義為：

(2)

式中M表示所有元件的集合。

不同元件故障率以及修復(fù)時(shí)間的輸入量詳見表1。

表1 不同元件的故障率以及修復(fù)時(shí)間

經(jīng)計(jì)算，儲(chǔ)能單元接入10 kV母線的供電可靠性為84%，接入0.4 kV母線的供電可靠性為92%，因此推薦采用儲(chǔ)能單元接入0.4 kV母線的方式。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心供電模式中，柴油發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期處于冷備用狀態(tài)，UPS蓄電池長(zhǎng)期處于浮充電狀態(tài)，每年需要花費(fèi)大量成本進(jìn)行維護(hù)。

近年來，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器負(fù)荷趨向采用直流供電模式，模式3推薦接入數(shù)據(jù)中心直流負(fù)載的儲(chǔ)能單元采用交流400 V輸入、低壓750 V(220 V)直流輸出形式，可保證數(shù)據(jù)中心的供電可靠性，同時(shí)提高了電源系統(tǒng)使用效率，減少柴油發(fā)電機(jī)和UPS蓄電池配置，因此推薦采用模式3。

表2 3種供電模式優(yōu)缺點(diǎn)分析

4 直流微網(wǎng)接線形式研究

直流微網(wǎng)中，直流接線形式分單極接線和雙極接線兩種。

雙極直流系統(tǒng)含正極、負(fù)極和零極3條母線，采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，電源和負(fù)荷一般分別平均分步在正極或負(fù)極母線上。一般情況下，正負(fù)極分別與零極母線構(gòu)成回路獨(dú)立運(yùn)行，供電可靠性相對(duì)較高，但對(duì)直流系統(tǒng)的控制和保護(hù)策略要求較高，相關(guān)設(shè)備價(jià)格較高，適用于高電壓、大功率、大容量，特別是需要長(zhǎng)距離輸送功率的多電壓等級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景。

單極直流系統(tǒng)含正極、零極2條母線，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略均較為簡(jiǎn)單，適用于規(guī)模容量相對(duì)較小，負(fù)荷相對(duì)集中的場(chǎng)景。

根據(jù)負(fù)荷分析，智慧能源站中直流電壓主要為750 V、240 V(220 V)，電壓等級(jí)需求簡(jiǎn)單，容量較小，單極直流母線結(jié)構(gòu)可滿足應(yīng)用需求，因此推薦采用單極直流母線接線形式。

5 結(jié)束語

文中通過分析變電站、數(shù)據(jù)中心、儲(chǔ)能站、充(換)電站等傳統(tǒng)供電方式和負(fù)荷特性，研究出智慧能源站“多站融合”工程中交直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過研究交直流微網(wǎng)中儲(chǔ)能單元與數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的深度融合、電網(wǎng)與用戶的深度合作，提出了儲(chǔ)能單元應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器供電的3種模式，并研究確定了直流微網(wǎng)的單極直流母線接線形式，優(yōu)化了柴油發(fā)電機(jī)的配置和儲(chǔ)油時(shí)間，以及UPS蓄電池的配置和運(yùn)行方式，在保證各系統(tǒng)供電可靠性的基礎(chǔ)上，降低了建設(shè)成本和運(yùn)維成本，提高了電源系統(tǒng)的綜合能效，為后續(xù)智慧能源站“多站融合”試點(diǎn)工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。