基于光伏發(fā)電的配電站房所用電供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

錢衛(wèi)良　孫琦　丁律　陳超杰

摘 要：所用電供電系統(tǒng)是配電站房重要的組成部分，其可靠性直接影響到配電站房?jī)?nèi)設(shè)備的正常運(yùn)行。為進(jìn)一步提升配電站房?jī)?nèi)所用電供電系統(tǒng)的可靠性及智能化水平，提出一種基于光伏發(fā)電的配電站房所用電供電系統(tǒng)，通過(guò)配電站房負(fù)荷分析，制定所用電供電系統(tǒng)控制策略，通過(guò)持續(xù)檢測(cè)光伏儲(chǔ)能器電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換和站內(nèi)負(fù)載供電方式的切換功能，以解決光伏發(fā)電所產(chǎn)生的電能運(yùn)用不夠充分的問(wèn)題，并通過(guò)配電智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)配電站房的實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，是新型電力系統(tǒng)在所用電供電系統(tǒng)領(lǐng)域的有效實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：所用電；光伏；供電系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM727.4? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）13-0047-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.012

0? ? 引言

隨著國(guó)家新型城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，中低壓配電網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，配網(wǎng)線路電纜化率也越來(lái)越高，配電站房的數(shù)量也會(huì)越來(lái)越多。配電房、開(kāi)關(guān)站等站房在整個(gè)配電網(wǎng)中扮演著電能分配及轉(zhuǎn)換的重要角色，而配電站房的所用電通常采用PT柜引出AC220 V電源，并以備用蓄電池作為專用UPS電源[1-2]，這種供電方式雖然能實(shí)現(xiàn)主備供電源自動(dòng)切換，但可靠性較低，備用蓄電池需定期運(yùn)維，且往往會(huì)導(dǎo)致線路線損率較高，不利于碳達(dá)峰、碳中和的盡早實(shí)現(xiàn)。隨著新型電力系統(tǒng)的提出與不斷發(fā)展，綠色環(huán)保、可就地消納、技術(shù)成熟的光伏發(fā)電應(yīng)用越來(lái)越廣泛[3]，把光伏發(fā)電與配電站房所用電供電系統(tǒng)結(jié)合，將是一種新的嘗試。

本文提出了一種基于光伏發(fā)電的配電站房所用電供電系統(tǒng)，包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、交直流電源切換系統(tǒng)、負(fù)載設(shè)備、配電智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)，由光伏儲(chǔ)能模塊、交流電輸入模塊、輸電模塊組成。該系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)光伏儲(chǔ)能器的電壓，判斷光伏儲(chǔ)能器內(nèi)儲(chǔ)存的能源的量，當(dāng)光伏儲(chǔ)能器儲(chǔ)能完成時(shí)，通過(guò)光伏儲(chǔ)能器為負(fù)載供電，而當(dāng)光伏儲(chǔ)能器還處于充電過(guò)程中時(shí)，通過(guò)交流電為負(fù)載供電，在保證負(fù)載正常工作的情況下，充分運(yùn)用光伏儲(chǔ)能器中儲(chǔ)存的能源，提高能源的利用效率。

1? ? 配電站房負(fù)載分析

由于配電站房?jī)?nèi)的負(fù)載大多為電子類產(chǎn)品，電子類產(chǎn)品工作電源為直流電源，而國(guó)內(nèi)普遍采用交流供電體系，所以為適應(yīng)國(guó)內(nèi)的供電方式，需要在每種電子產(chǎn)品本身的體系中增加開(kāi)關(guān)電源，用于將交流電源轉(zhuǎn)化成適應(yīng)本體工作的直流電源。本著最優(yōu)供電、最少耗電的原則，可以采用鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)直接對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，減少負(fù)載前端交流變直流的電源轉(zhuǎn)換部分，節(jié)省設(shè)備成本的同時(shí)，也大大提高了電能的利用率，為后續(xù)直流供電體系的設(shè)計(jì)提供了一種新思路、新理念。

根據(jù)配電站房的負(fù)載類型，本次規(guī)劃可以將負(fù)載設(shè)備分為兩路供電系統(tǒng)供電，一路為交流供電，一路為直流供電。其中能耗大的負(fù)載，如除濕系統(tǒng)由于沒(méi)有直流供電，只能采用交流供電，即交流AC220 V/50 Hz；其他負(fù)載，如風(fēng)機(jī)、照明、輔控類、傳感器類，特別是傳感器類電子設(shè)備，本身為直流工作電源，采用直流供電模式，直流供電電壓為DC200 V，在負(fù)載端根據(jù)設(shè)備額定電壓，通過(guò)降壓電源提供滿足設(shè)備額定工作電壓的直流電。這樣分類供電更能體現(xiàn)直流供電的優(yōu)越性。

以一座自動(dòng)化配電站房為例，所用電二次負(fù)載除站房?jī)?nèi)常規(guī)的照明、通風(fēng)、環(huán)網(wǎng)柜電操機(jī)構(gòu)及指示燈、除濕機(jī)等外，還需配置智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、DTU、顯示器、傳感器等自動(dòng)化設(shè)備，涉及直流12、24、48 V以及交流220 V四種電壓。配電站房負(fù)載清單如表1所示。

2? ? 所用電供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? ? 所用電供電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能系統(tǒng)電量來(lái)源于光伏發(fā)電，在需要對(duì)外提供電能時(shí)，根據(jù)負(fù)載類型，對(duì)于直流負(fù)載，提供負(fù)載需要的直流供電電源；對(duì)于交流負(fù)載，通過(guò)逆變控制系統(tǒng)將儲(chǔ)能系統(tǒng)中的直流電能逆變成220 V的交流電供給設(shè)備使用。國(guó)內(nèi)低壓供電系統(tǒng)采用220 V/50 Hz的交流供電方式，國(guó)內(nèi)的低壓電器設(shè)備統(tǒng)一采用交流輸入方式，所有電器銘牌都會(huì)標(biāo)明額定電壓、額定電流、額定功率等參數(shù)。

根據(jù)配電站房的負(fù)載分析，本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)耗能大的負(fù)載如除濕系統(tǒng)等采用交流體系供電，即AC220 V/50 Hz。這類設(shè)備平時(shí)不需要長(zhǎng)時(shí)間工作，所以逆變系統(tǒng)不產(chǎn)生電能損耗，只是在需要開(kāi)啟時(shí)才會(huì)工作。其他如風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)等基本為電子類設(shè)備，本身為直流工作電源，所以這部分負(fù)載采用直流方式供電，直流供電電壓為DC200 V，在負(fù)載端根據(jù)實(shí)際情況降壓為設(shè)備需要的其他電壓等級(jí)的直流電。

本文設(shè)計(jì)的所用電供電系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)電能來(lái)源于屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化配電站房大小，在屋頂共設(shè)置4陣列光伏發(fā)電單元，每陣列9塊光伏板串聯(lián)供電，4陣列合計(jì)36塊太陽(yáng)能光伏板，合計(jì)面積63 m2。光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能一路通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流220 V，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器給站內(nèi)的除濕機(jī)供電，另一路以直流電的形式存儲(chǔ)于磷酸鐵鋰蓄電池中，額定電壓為直流200 V，容量為40 kW·h，蓄電池輸出經(jīng)過(guò)切換開(kāi)關(guān)和電壓變換器分別轉(zhuǎn)換為直流12、24、48 V給不同的設(shè)備供電。在交流220 V回路中，轉(zhuǎn)換器主要用于切換互感器柜輸出的交流電與逆變器轉(zhuǎn)換輸出的交流電，當(dāng)光伏發(fā)電功率不足或儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出不足時(shí)，轉(zhuǎn)換器自動(dòng)切換至互感器柜輸出供電，以保障系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.2? ? 所用電供電系統(tǒng)控制策略

根據(jù)最優(yōu)能源管控與自動(dòng)化程度的要求，將配電站房中的監(jiān)控類、照明類、除濕通風(fēng)類負(fù)載系統(tǒng)分為兩級(jí)進(jìn)行能源管理：視頻系統(tǒng)、監(jiān)控屏柜、傳感器類、大屏一體機(jī)、照明系統(tǒng)歸為重要負(fù)載（一類設(shè)備），此類設(shè)備必須保持24 h運(yùn)行，不允許間斷供電；通風(fēng)類、除濕類歸為一般負(fù)載（二級(jí)設(shè)備），對(duì)于這類負(fù)載，光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)僅在電量充足的情況下提供電能，在儲(chǔ)能不足的情況下，將通風(fēng)系統(tǒng)切換到市電備用供電，除濕類設(shè)備停止工作。一類設(shè)備中，照明系統(tǒng)在有工作人員工作時(shí)或夜間開(kāi)啟，其他時(shí)間段處于關(guān)閉狀態(tài)，所以一類設(shè)備中除照明的672 W外，其他傳感器類、視頻系統(tǒng)等設(shè)備累加總工作功率為1 270 W，一類設(shè)備正常工作功率為1 270 W。

磷酸鐵鋰蓄電池規(guī)格為40 kW·h，根據(jù)本文設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電配置，平均每天可以發(fā)電60 kW·h。配電站房?jī)?nèi)供電系統(tǒng)需要不間斷供電的功率為1.27 kW，每天耗電量約為30.5 kW·h，照明系統(tǒng)按照每天工作1 h計(jì)算，需要耗電約0.7 kW·h；對(duì)于白天時(shí)段08：30—16：30，光伏系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)正常供電，且剩余電能存儲(chǔ)于鋰電系統(tǒng)中，其他時(shí)間段則需要儲(chǔ)能系統(tǒng)外溢供電，約需額外提供32 kW·h的電量，這些電量需要通過(guò)白天的光伏補(bǔ)充。對(duì)于除濕系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)，在白天發(fā)電效率較高的時(shí)間段且儲(chǔ)能系統(tǒng)電量大于60%，即儲(chǔ)能電量大于24 kW·h時(shí)，由光伏儲(chǔ)能提供工作電能，其他時(shí)間則切換到市電補(bǔ)充供電，彌補(bǔ)由于儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電不穩(wěn)定導(dǎo)致不能提供多余電能的缺點(diǎn)。當(dāng)儲(chǔ)能電量低于10%時(shí)，將輔控系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、照明系統(tǒng)切換到市電輔助供電，等到光伏儲(chǔ)能電量大于50%時(shí)，再次將供電電源切換到光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)供電，由于輔控設(shè)備、視頻系統(tǒng)、傳感器類負(fù)載本身為直流工作電源，設(shè)計(jì)所有設(shè)備的工作電源均具有交直流通用輸入功能，以避免發(fā)生由于供電回路的交直流變換而燒毀設(shè)備的嚴(yán)重事故。

3? ? 所用電供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的基于光伏發(fā)電的配電站房所用電供電系統(tǒng)，對(duì)浙江湖州某10 kV開(kāi)關(guān)站進(jìn)行改造，屋頂設(shè)置36塊太陽(yáng)能光伏板，儲(chǔ)能間設(shè)置規(guī)格為40 kW·h的磷酸鐵鋰蓄電池，同時(shí)采用超溫自動(dòng)排風(fēng)功能，聯(lián)動(dòng)風(fēng)機(jī)排風(fēng)，用于降低儲(chǔ)能間的溫度，并安裝除濕機(jī)和干粉滅火裝置，以優(yōu)化蓄電池運(yùn)行環(huán)境。開(kāi)關(guān)站除常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)柜等設(shè)備之外，額外配置監(jiān)控系統(tǒng)、所用電供電系統(tǒng)控制柜、配電智能輔助監(jiān)控柜。配電智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)主要由環(huán)境監(jiān)測(cè)、聲紋監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)能監(jiān)測(cè)、智能分析、安防視頻以及門禁管理六部分組成，如圖2所示。

本站自2022年12月投運(yùn)以來(lái)，所用電供電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電的全部消納。

4? ? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文提出了一種基于光伏發(fā)電的配電站房所用電供電系統(tǒng)，結(jié)合新能源發(fā)電、儲(chǔ)能技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)等，有效解決了以往配電站房所用電供電系統(tǒng)可靠性低、線損率高等問(wèn)題。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，是新型電力系統(tǒng)在所用電供電系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用的有效實(shí)踐，具有一定的推廣價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

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[3] 張珍珍，呂清泉，張健美.“雙碳”目標(biāo)下分布式光伏發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展及展望[J].太陽(yáng)能，2023（1）：17-21.

收稿日期：2023-03-14

作者簡(jiǎn)介：錢衛(wèi)良（1973—），男，浙江湖州人，高級(jí)工程師，研究方向：配網(wǎng)運(yùn)維檢修。

通信作者：孫琦（1990—），男，浙江湖州人，碩士研究生，工程師，研究方向：配網(wǎng)運(yùn)維檢修。