光伏儲(chǔ)能供電系統(tǒng)在天然氣管道閥室的應(yīng)用

董飛（大慶油田天宇工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司）

閥室在天然氣長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)中具有重要作用，其主要功能是可截?cái)鄟?lái)氣，并放空特定管段內(nèi)天然氣，出事故時(shí)可防止管道事故擴(kuò)大、減少環(huán)境污染，在維護(hù)改造時(shí)可保障施工操作安全進(jìn)行。長(zhǎng)輸管道每間隔一定距離設(shè)置1座截?cái)嚅y室，因此多數(shù)情況下閥室都往往位于偏僻的野外環(huán)境，電力依托條件較差，采用傳統(tǒng)的10 kV供電方案，存在供電線路距離長(zhǎng)、線損高、變壓器空載率高等諸多問(wèn)題[1-2]。利用光伏儲(chǔ)能供電系統(tǒng)，不僅可以保障閥室的供電，而且節(jié)省了長(zhǎng)距離電力線路的工程投資和征地費(fèi)用[3-4]。目前光伏儲(chǔ)能供電系統(tǒng)已應(yīng)用在西氣東輸管道、西部管道、蘭鄭長(zhǎng)管道、陜京線、廣東管網(wǎng)2021工程等多個(gè)長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目中[5]。

1 系統(tǒng)組成

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

光伏陣列：由太陽(yáng)能板組成光伏陣列，每3塊串聯(lián)為一組，再由5或6組經(jīng)匯流箱并聯(lián)匯總，送到逆變控制一體配電柜中的光伏充電控制器，經(jīng)最大功率跟蹤后對(duì)電池組陣列進(jìn)行充電。發(fā)電系統(tǒng)電壓盡量接近48 V直流儲(chǔ)能額定電壓，有利于提高轉(zhuǎn)換效率，而且電壓低有利于保障維護(hù)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(shí)現(xiàn)每組光伏太陽(yáng)能板的匯流功能，以方便檢修測(cè)量斷電。

光伏充電控制器：主要實(shí)現(xiàn)每組太陽(yáng)能板的最大功率點(diǎn)的跟蹤功能，以實(shí)現(xiàn)最高效率為蓄電池提供充電電能。另外，可實(shí)現(xiàn)相關(guān)的保護(hù)功能，如電池反接、短路反向放電等。

逆變器：主要實(shí)現(xiàn)直流/交流的轉(zhuǎn)換，將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，以滿足交流負(fù)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(fā)電機(jī)的功能。

交流輸出配電及控制：主要是實(shí)現(xiàn)交流/直流回路的各分支輸出、開關(guān)控制等。采用二次下電控制，當(dāng)電池放電到設(shè)定容量（如：60%）以下時(shí)，關(guān)閉非重要負(fù)荷，容量恢復(fù)到設(shè)定值（如：90%）時(shí)恢復(fù)非重要負(fù)荷供電。

儲(chǔ)能柜：將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)起來(lái)，以備供電不足時(shí)使用。

圖1 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of photovoltaic energy storage system

2 閥室的用電需求和負(fù)荷

閥室的主要用電設(shè)備有：遠(yuǎn)程控制單元RTU、通信光端機(jī)、安防系統(tǒng)、陰極保護(hù)設(shè)備以及照明燈具等[8]。設(shè)備選型盡量選用低功耗，高功率因數(shù)的節(jié)能型設(shè)備，從而可以降低光伏陣列的裝機(jī)功率和儲(chǔ)能電池的容量，節(jié)省投資。另外，在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)需按照設(shè)備的重要性分類，儲(chǔ)能電池容量的計(jì)算原則一般為可保證連續(xù)1 d陰雨天為滿負(fù)荷供電，之后連續(xù)4 d陰雨天為重要負(fù)荷供電。

典型閥室的用電負(fù)荷計(jì)算詳見表1。該閥室內(nèi)用電設(shè)備有功功率合計(jì)3.75 kW，其中重要負(fù)荷0.95 kW，每天實(shí)際負(fù)載耗電量約為90 kWh，其中22.8 kWh為重要負(fù)荷，67.2 kWh為非重要負(fù)荷。經(jīng)計(jì)算，儲(chǔ)能蓄電池容量需求為181.2 kWh。

3 閥室獨(dú)立光儲(chǔ)系統(tǒng)工作原理

太陽(yáng)能板選用了單晶硅太陽(yáng)能板，具有發(fā)電效率高，發(fā)電穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。太陽(yáng)能板3塊串聯(lián)為1組，6組經(jīng)匯流并聯(lián)匯總后為一臺(tái)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(jù)當(dāng)前光照以及太陽(yáng)能板的光伏特性，進(jìn)行最大功率跟蹤，保證當(dāng)前光照條件下光電的轉(zhuǎn)換效率最高。光伏充電部分共由3臺(tái)6 kW光伏充電控制器組成，完成整個(gè)光儲(chǔ)系統(tǒng)的充電功能。光伏充電控制器的輸出接儲(chǔ)能陣列柜，為儲(chǔ)能柜中的鋰電池提供電能。

表1 典型閥室的負(fù)荷計(jì)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(jù)閥室的總體布局，確定可排布光伏陣列的區(qū)域，在選定安裝區(qū)域時(shí)注意以下幾點(diǎn)：周邊物體對(duì)光伏陣列產(chǎn)生的陰影區(qū)域要排除[9]；布置區(qū)域要避開有爆炸危險(xiǎn)的工藝裝置區(qū)、放空區(qū)以及其它障礙物；在可利用區(qū)域內(nèi)盡量提高光伏陣列的總體面積，以滿足閥室內(nèi)設(shè)備的用電需求[9-10]。

以上述典型閥室為例，經(jīng)計(jì)算，該閥室光伏太陽(yáng)能板安裝總功率需求為17 kWp，需安裝315 Wp單晶硅太陽(yáng)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(xiǎn)區(qū)以及遮擋陰影區(qū)，故可采用金屬支架將太陽(yáng)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(yáng)能板安裝總功率，又合理避開設(shè)備、圍墻等產(chǎn)生的陰影區(qū)。

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(chǔ)能系統(tǒng)的防雷

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、安裝位置和周圍環(huán)境的特殊性，容易遭受雷電所引起的損害。一般而言，對(duì)于閥室光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的雷電危害主要有直擊雷、感應(yīng)雷、傳導(dǎo)雷等。太陽(yáng)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(yīng)雷侵襲。逆變器、電控柜等電氣設(shè)備易遭受感應(yīng)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(nèi)危及人身安全或損壞設(shè)備，嚴(yán)重的雷電襲擊會(huì)對(duì)整個(gè)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)造成極大的破壞。

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

內(nèi)部防雷系統(tǒng)由防雷電電磁脈沖措施組成，內(nèi)部防雷電電磁脈沖的基本方法是：在入侵通道上將雷電過(guò)電壓、過(guò)電流泄放入地，將雷電電磁脈沖屏蔽濾除，從而達(dá)到保護(hù)閥室內(nèi)重要電子設(shè)備的目的。從外部進(jìn)入閥室光伏發(fā)電小屋及儲(chǔ)能柜的所有導(dǎo)電部件均需要接入等電位連接系統(tǒng)中，所有不帶電的金屬部件直接連接到等電位連接系統(tǒng)，帶電部件則通過(guò)安裝電涌保護(hù)器間接接入等電位連接系統(tǒng)。通過(guò)在帶電電纜上安裝浪涌保護(hù)器，減少電涌和雷電過(guò)電壓對(duì)電子設(shè)備造成損壞。

6 經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

以典型閥室為例，以管道設(shè)計(jì)壽命20 a為周期，從建設(shè)成本、維護(hù)費(fèi)用、節(jié)能效益等方面，對(duì)比10 kV變壓器供電方式與光伏儲(chǔ)能供電系統(tǒng)。

10 kV變壓器供電方式的建設(shè)成本主要包括10 kV架空線路（以3 km計(jì)）、箱式變電站、征地費(fèi)、安裝費(fèi)等，合計(jì)約61.9萬(wàn)元。運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用主要包括：電費(fèi)約1.6萬(wàn)元/a、維修費(fèi)用約0.5萬(wàn)元/a。20 a建設(shè)成本及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用合計(jì)109.9萬(wàn)元。

光伏儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的建設(shè)成本主要包括單晶硅太陽(yáng)能電池板、逆變控制柜、儲(chǔ)能電池柜等，合計(jì)約37.72萬(wàn)元。每五年更換一次儲(chǔ)能蓄電池，投資約20萬(wàn)元。20 a建設(shè)成本及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用合計(jì)97.72萬(wàn)元。

在20 a周期內(nèi)，光伏儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的建設(shè)成本及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用合計(jì)比10 kV變壓器供電方式節(jié)省約12.18萬(wàn)元。

另外，在節(jié)能效益方面，光伏儲(chǔ)能供電系統(tǒng)20 a累計(jì)發(fā)電量約49.6×104kWh，與燃煤電廠相比，折合節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約157.4 t，可相應(yīng)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(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能是一種清潔的可再生能源，提高太陽(yáng)能的利用率有利于保護(hù)環(huán)境。當(dāng)天然氣管道閥室位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，外引電源困難時(shí)，采用光伏儲(chǔ)能供電系統(tǒng)是一種安全可靠解決方案。光伏儲(chǔ)能供電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的10 kV變壓器供電方式相比建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用更低，節(jié)能減排效果更好。