光儲微電網對降低變電站站用電的研究

黃煒達

摘要：國內分布有大量的變電站，站內能耗問題不可忽視。然而，目前關于降低變電站站用電的研究還比較少。該文對當前主流的光儲微電網組網策略和控制策略等關鍵技術的分析和總結，提出了一種利用光儲微電網為變電站部分負載供電的設計思路，依靠光伏發(fā)電和儲能電池維持部分站內用電設備穩(wěn)定運行，實現變電站節(jié)能減排的目的。并結合案例分析，通過數據計算得出光儲微電網對減少站用電的作用大小，為新型綠色變電站的建設提供參考。

關鍵詞：光儲微電網??低變電站??站用電負荷??控制策略

中圖分類號：TM76???文獻標識碼：A

Research?on?Reducing?Station?Power?Consumption?in?Substations?by?Optical-Storage?Microgrid

HUANG?Weida

（Shanwei?Power?Supply?Bureau?of?Guangdong?Power?Grid?Co.，?Ltd.，?Shanwei，?Guangdong?Province，?516600?China）

Abstract：?There?are?a?large?number?of?substations?distributed?in?China，?and?the?problem?of?energy?consumption?in?the?substation?cannot?be?ignored.?However，?at?present，?research?on?reducing?the?station?power?consumption?of?substations?is?still?relatively?little.?This?paper?analyzes?and?summarizes?the?key?technologies?of?the?current?mainstream?optical-storage?microgrid?such?as?networking?strategies?and?control?strategies，?proposes?a?design?idea?of?using?optical-storage?microgrid?to?supply?power?for?partial?load?of?substations，which?depends?on?photovoltaic?power?generation?and?energy-storage?batteries?to?maintain?the?stable?operation?of?some?electrical?equipment?in?the?station?and?realizes?the?purpose?of?energy?conservation?and?emission?reduction?in?substations，?and?combined?with?case?analysis，?calculates?the?effect?of?optical-storage?microgrid?on?reducing?station?power?consumption?through?data，?so?as?to?provide?reference?for?the?construction?of?new?green?substations.

Key?Words：?Optical-storage?microgrid;?Low-voltage?substation;?Station?power?load;?Control?strategy

微電網技術是未來分布式電力能源供應系統(tǒng)的重點發(fā)展方向，對于優(yōu)化電力系統(tǒng)具有重要意義，對于推進國家節(jié)能減排和實現碳達峰和碳中和目標具有重要意義[1]。近年來，光儲微電網成為了國內外的重點研究對象之一，光儲微電網結合了光伏發(fā)電技術和儲能技術，具有綠色環(huán)保、可持續(xù)、無噪音等優(yōu)勢[2，3]。在太陽能資源比較豐富的地區(qū)，光儲微電網能夠就近消納光伏電池發(fā)出的電能，無需遠距離輸配電，能夠大大提升對電力資源的利用率[4]。變電站通常設置在空曠地區(qū)，日照情況良好，十分適合光儲微電網的建設和運行[5]。我國建設有大量的變電站，利用光儲微電網降低變電站的用電量，將有效地降低供電公司的用電損耗，提升經濟效益。

1?光儲微電網設計

微電網系統(tǒng)是一套獨立的發(fā)供電系統(tǒng)，其在運行模式、拓撲結構、電源配置、運行模式和控制策略等方面與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)相比具有顯著的差異。微電網通常主要由分布式電源（DG）、儲能單元、負荷和控制器組成，通過智能系統(tǒng)的控制實現功率平衡和電能質量管理。與傳統(tǒng)的集中式高壓配電相比，微電網具有靈活高效、安全可靠等優(yōu)勢。

1.1?光儲微電網結構及其作用

1.1.1?光儲微電網的結構

光儲微電網的主要構成部分包括光伏發(fā)電模塊、儲能模塊，以及能量管理系統(tǒng)和微電網控制系統(tǒng)。目前，儲能模塊主流的是電化學儲能，如磷酸鐵鋰電池。

1.1.2?光儲微電網各模塊作用

光儲微電網各個功能模塊的作用具體敘述如下。

（1）光伏發(fā)電模塊。依靠太陽能光伏板將太陽能轉換成電能，既可以直接輸出直流電，也可以通過光伏逆變器將光伏組件發(fā)出的直流電改變?yōu)榻涣麟?，這些電能能夠直接給用電設備供電或儲存在儲能電池中備用。（2）儲能模塊。儲能模塊能夠將光伏發(fā)電產生的多余的電能進行存儲，由于太陽光在不同時間段的強度不同會使得光伏發(fā)電的功率產生較大的差異，儲能模塊能夠起到調峰作用，特別是夜間沒有太陽光時，光伏發(fā)電設備無法提供電能，而儲能電池能夠利用白天存儲的電量為用電負荷繼續(xù)供電。（3）能量管理系統(tǒng)。監(jiān)控整個微電網的負荷、電壓、電流情況，控制微電網的運行，保持微電網正常工作。（4）微電網控制系統(tǒng)。保證微電網的協(xié)調運行，調控微電網的運行狀態(tài)。

1.2?光儲微電網的控制策略

光儲微電網由多個不同類型的微電網單元組成，通過合理設計控制策略能夠讓這些微電網單元協(xié)調運行，從而實現整個微電網系統(tǒng)的功率平衡、電壓穩(wěn)定、損耗降低等目標。對光儲微電網的控制可以分為設備級控制和系統(tǒng)級控制兩個層次。設備級控制是對發(fā)電模塊、儲能模塊和負荷模塊進行直接控制，在本地能量管理系統(tǒng)上實現功率監(jiān)控、充放電控制、優(yōu)化SOC等目標。系統(tǒng)級控制則是通過調節(jié)母線電壓、設備運行模式和功率分配等指標對微電網系統(tǒng)進行集中式管理。其中設備級控制能夠單獨處理各個設備上的反饋信息，并通過能量管理系統(tǒng)將處理后的結果發(fā)送到各個模塊，用于調控每個模塊的運行，這種調控方式具有更高的可靠性、經濟性和效率等優(yōu)點。

1.3?光儲微電網穩(wěn)定性調控方式

光儲微電網的電力來源依靠光伏電池產生。光伏電池是一種通過光電效應將太陽能轉化為電能的元器件。光伏電池的工況受到光伏電池面積、太陽能輻照強度和環(huán)境溫度等的影響。光伏發(fā)電受到太陽輻照改變的影響具有間歇性和波動性等特點，并且負荷消耗的功率也存在不穩(wěn)定性。這種供電和負荷不匹配的問題容易導致系統(tǒng)功率失衡，這時就需要儲能模塊參與進行能量調節(jié)，依靠儲能電池的蓄放電過程對系統(tǒng)功率進行再平衡。目前，主流的儲能模式是將能量型儲能裝置和功率型儲能裝置結合的混合儲能模式。利用能量型儲能裝置進行電能存儲實現削峰填谷和平衡功率；功率型儲能裝置則用于提高系統(tǒng)響應速度，平抑系統(tǒng)波動。兩種儲能模式優(yōu)勢互補，確保微電網系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

1.4?功率分配控制

在光儲微電網運行時，不同時刻和工況條件下微電網的負載功率通常都處于動態(tài)變化中，這就需要DG和儲能模塊的功率控制根據實際情況進行調整。根據工作模式的不同，對功率分配的控制策略可以分為恒功率控制、恒壓控制以及下垂控制。下垂控制一般被用于具有多個儲能單元的系統(tǒng)中，F/P和V/Q下垂控制法能夠依靠功率變化改變頻率和電壓，而P/F和Q/V法則與之正好相反。使用下垂控制閥時需要簡歷一個下垂系數得到虛擬阻抗效果，母線電壓因此實現了線性變化，功率實行動態(tài)分配。P/V下垂表達式為?????（1）

式（1）中：為個儲能單元的輸出電壓；為母線標準電壓；為下垂系數；為輸出功率。

對于微電網來說，單一模塊的控制無法滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，需要在系統(tǒng)中合理協(xié)調各單元的運行模式，才能確保微電網系統(tǒng)內部的功率平衡。如圖1所示，系統(tǒng)各層級間的協(xié)調配合是進行微電網運行策略優(yōu)化的基礎，不論是系統(tǒng)層級的控制還是設備層級的控制都十分重要，各單元設備實時采集的數據需要及時反饋給能量管理系統(tǒng)，通過系統(tǒng)層控制的協(xié)調，確?？傮w輸入和輸出功率的穩(wěn)定。

1.5?光儲微電網關鍵組件選擇

光儲微電網需要將光伏組件發(fā)出的電能并入電網中或者存儲在儲能電池中，這對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制都提出了較高的要求。為了確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定，必須保證在為負載供電和為電池充電的過程中不過充、不過放、不過流，并且進行合理的熱管理。

使用MPPT跟蹤和控制微電網系統(tǒng)，完成太陽能到電能的轉換，并最大程度地將電能輸送到用電負荷和儲能電池中；為了延長儲能電池壽命，優(yōu)化輸電環(huán)境，使用帶有數字智能控制的自適應式三階段充電模塊對儲能電池模塊的充電模式進行控制，避免過充和過放情況的產生；逆變器的選擇需要根據光伏電池和儲能電池的額定電壓范圍進行選擇。光儲微電網的控制系統(tǒng)需要保證供電的可靠性。采用新一代變電站的通信協(xié)議，保證數據通信的通暢和穩(wěn)定?？紤]到變電站人員少，需要設置意見啟停功能，提升微電網系統(tǒng)的便捷性和自動化程度。為了防止微電網系統(tǒng)發(fā)生意外故障之后無法及時處理造成大的后果，在微電網控制器中添加定時停USP的功能。一旦發(fā)生意外，要延時停止UPS，在設定延時時間結束后仍沒有人工檢修，則自動停止UPS等待運維人員處理。配置手機遠程監(jiān)控功能，通過手機App遠程監(jiān)控和操作，方便管理人員的管理。

2?案例分析

變電站的節(jié)能改造是目前經常被忽視的領域，隨著微電網技術的發(fā)展和應用，利用光儲微電網為變電站的部分用電設施供電既可以降低變電站能耗，也能夠提升變電站應對突發(fā)情況的應急能力。

2.1?站用負荷分析

以廣州某220?kV變電站為例，對該變電站的負荷進行分析。變電站內的主要負荷包括直流及UPS系統(tǒng)、設備加熱驅潮設備、照明器材、空調、風機以及室內辦公設施。結合站用電負荷的重要性和運行特點進行分類和分析，可以得到以下結果。

（1）直流及UPS系統(tǒng)屬于自動不間斷運行的站用負荷，這類設備用電質量及安全性要求性較高，使用大電網供電。（2）照明、空調和驅潮設備耗能較大，其運行狀況受到時間、天氣、溫度等環(huán)境因素影響，屬于人工控制的設備，具有較大的節(jié)能空間，因此適合接入微電網。（3）辦公設備等站用負荷耗電量低，數量較多，節(jié)能空間較小，并且使用頻率較高，接入微電網會增加微電網控制復雜程度，增加投入成本，不建議接入微電網。

眾多研究表明，空調和除濕是站用負荷中耗電最大的，綜上所述，在建設變電站光儲微電網時優(yōu)先設計為空調、除濕和照明設備供電。

2.2?光儲微電網工況分析

在站用供電正常時，太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電一部分為站內用電設備供電，其余部分將使用儲能電池進行存儲；在夜間光伏發(fā)電模塊停止發(fā)電時，則需要通過儲能電池為站內設備供電。而一旦站內發(fā)生突發(fā)事故停電，太陽能發(fā)電設備和儲能電池構成的光儲微電網還需要并網為站內重要負荷供電。該220?kV變電站內的光儲微電網存在兩種工作狀態(tài)，如圖2所示。

當微電網獨立運行狀態(tài)時，儲能PCS在U/f控制模式下工作，將直流電轉換為交流電并入交流母線；光伏逆變器進入MPPT控制模式。儲能模塊和光伏發(fā)電模塊的逆變器在輸出交流側進行并聯操作，形成交流母線系統(tǒng)。此時微電網系統(tǒng)特點有：（1）光伏發(fā)電模塊產生的電能優(yōu)先為站用電設備供電，只有當用電負荷小于發(fā)電負荷時才將多余電能存儲進低電量的儲能電池；（2）當儲能模塊的蓄電量達到滿電量時，限制光伏發(fā)電模塊的并網電量或完全關閉光伏發(fā)電模塊，優(yōu)先使用儲能電池中的電能，以保證微電網系統(tǒng)功率穩(wěn)定。

2.3?節(jié)能效果分析

根據資料顯示廣州地區(qū)年平均氣溫為22?℃，年平均日照時長約為1?800～2?100?h，變電站區(qū)域的太陽年輻照總量約為1?230.5?kWh/m2，太陽能資源較為豐富，適合建設太陽能光伏發(fā)電項目[6]。220?kV配電裝置室屋頂面積及周圍空余土地總面積約2?000?m2，安裝800塊275?W多晶硅光伏組件，系統(tǒng)總裝機容量為0.22?MW。在《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》（GB?5097-2012）中計算光伏年發(fā)電量的方法如下。

式（2）中：為上網發(fā)電量，kWh；為水平太陽能總輻照量，kWh/m2；為組件安裝容量，kWp；為標準條件下的輻照度，常數=1?kWh/m2；為綜合效率系數。

使用公式（2）可以計算出光儲微電網的年發(fā)電量預測值為。

通過計算可得，220?kV變電站通過建設光儲微電網能夠減少在站設備耗電量21.6?萬kWh，按照保守計算方式，全年可以節(jié)省電費216000×0.588=127008元。

從結果可以發(fā)現，光儲微電網每年可以為變電站提供大量的綠色電能，從而減少變電站的用電成本。并且由于采用了太陽能，間接性地減少了碳排放，同樣在“碳經濟”方面具有了巨大的潛力。因此，不論是從經濟效益，還是從社會效益來看，光儲微電網都為變電站的發(fā)展提供了一條嶄新的道路。

2.4?展望分析

光儲微電網用于變電站的節(jié)能改造能夠充分利用變電站的現有資源，利用太陽能發(fā)電為站用負荷提供電能可以大大降低變電站對電能的消耗，也能夠為應對站內突發(fā)停電事故提供可選方案。隨著微電網技術的發(fā)展，如何提升光儲微電網的可靠性，還需要從控制策略，系統(tǒng)設計和設備選擇等多維度開展深入研究。

目前，為了提高微電網的穩(wěn)定性和靈活性，儲能電池模塊在其中起到了至關重要的作用。但是，現階段大規(guī)模儲能電池的投入成本依然較高，在微電網設計時需要考慮經濟因素，并且光儲微電網受到太陽能的能源屬性的影響具有不穩(wěn)定性和周期性，這也會嚴重影響儲能電池的使用壽命。結合多種儲能模式，采用合理的控制策略，在微電網的經濟性和系統(tǒng)穩(wěn)定性中探索平衡點，才能實現微電網技術優(yōu)勢的最大化。

3?結語

近年來，隨著太陽能光伏發(fā)電技術的發(fā)展，以光伏發(fā)電作為主要手段的分布式能源系統(tǒng)受到了越來越多的重視，在電力系統(tǒng)優(yōu)化、微電網改造升級等領域取得了良好的應用效果。微電網對于節(jié)能減排，提升用電安全性具有重要的意義。該文討論了光儲微電網的設計方法、控制策略和穩(wěn)定運行條件，并結合微電網優(yōu)勢和站用電負荷特性探索了光儲微電網在變電站內的運行模式。以廣州某220?kV變電站為案例探討了光儲微電網對減少站用電的作用。通過分析目前光儲微電網存在的問題，展望了未來光儲微電網技術的發(fā)展方向。希望為建設低碳、環(huán)保、節(jié)能和安全的新型變電站提供一定的參考。

參考文獻

[1]?劉廣燦，熊海濤.微電網技術應用的案例分析[J].電子技術，2022，51（9）：180-181.

[2]?黃志洪.并網型光伏微電網優(yōu)化控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2020.[3]?駱光，李啟奕.光儲微電源在提高終端設備供電可靠性的研究[J].科技風，2020（11）：202，210.