變電站建筑與能源融合技術(shù)應(yīng)用研究

摘 要：基于國(guó)家的雙碳發(fā)展戰(zhàn)略和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的發(fā)展需求，變電站作為電網(wǎng)中的重要組成部分，亟須提升站內(nèi)建筑物與能源融合的技術(shù)水平?，F(xiàn)以220 kV全戶內(nèi)變電站為依托，合理配置站內(nèi)源、荷、儲(chǔ)比例，通過(guò)在變電站內(nèi)組建一張直流微網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)光伏、直流設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備的應(yīng)用和融合，可有效提高能源利用效率，推動(dòng)變電站可再生能源應(yīng)用，引導(dǎo)變電站建筑逐步實(shí)現(xiàn)近零能耗。

關(guān)鍵詞：直流微網(wǎng)；光伏；儲(chǔ)能；直流設(shè)備；220 kV全戶內(nèi)變電站

中圖分類號(hào)：TM727" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）07-0074-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.019

1" " 建筑節(jié)能研究現(xiàn)狀

GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》明確了超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑“三步”能效提升技術(shù)路線，規(guī)范對(duì)近零能耗建筑有了更完善的定義和規(guī)定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)定義，近零能耗建筑是指適應(yīng)氣候特征和場(chǎng)地條件，通過(guò)被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)最大幅度降低建筑供暖、空調(diào)、照明需求，通過(guò)主動(dòng)技術(shù)措施最大幅度提高能源設(shè)備與系統(tǒng)效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，且室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和能效指標(biāo)符合本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的建筑。其建筑能耗水平較相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)降低60%～75%。

國(guó)內(nèi)外在建筑與能源融合綠色低碳方面的研究，主要以零碳建筑、零碳社區(qū)建設(shè)應(yīng)用的方式開(kāi)展。雖然已有近零能耗建筑的相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但國(guó)內(nèi)研究還沒(méi)有針對(duì)電力系統(tǒng)的建筑節(jié)能技術(shù)進(jìn)行深入分析和研究，沒(méi)有針對(duì)具體的實(shí)施技術(shù)方案和應(yīng)用進(jìn)行深入研究，也沒(méi)有對(duì)電網(wǎng)中的變電站開(kāi)展相關(guān)深入研究[1-2]。

2" " 必要性分析

長(zhǎng)期以來(lái)，變電站的可再生能源利用率較低，光伏等再生能源與變電站建筑的結(jié)合度不高，建筑光伏一體化、建筑電氣、光儲(chǔ)直柔供配電等方面的技術(shù)水平亟需提升。

為響應(yīng)國(guó)家雙碳政策及新型電力系統(tǒng)發(fā)展要求，十分有必要對(duì)變電站建筑與能源融合技術(shù)開(kāi)展研究。

3" " 體系研究

變電站建筑與能源融合技術(shù)研究主要包含以下幾方面內(nèi)容：

1）綠色能源與建筑融合建設(shè)技術(shù)。

考慮在變電站建設(shè)中融入光伏、風(fēng)電等可再生能源，接入變電站建筑內(nèi)就地消納以降低變電站能耗。以運(yùn)行過(guò)程的能耗目標(biāo)定設(shè)備容量，結(jié)合數(shù)值模擬方法，確定各類可再生能源系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)模，包括光伏、地?zé)崮?、光熱等，以及提高各類機(jī)電系統(tǒng)和終端用能效率的技術(shù)[3]。

2）儲(chǔ)能技術(shù)在變電站建筑上的應(yīng)用。

變電站的運(yùn)行負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定，但是新能源的出力并不穩(wěn)定，出力時(shí)段有限，為進(jìn)一步提高新能源的利用率，可在能源技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合變電站負(fù)荷情況合理配置儲(chǔ)能，進(jìn)一步降低建筑能耗。

3）直流照明及直流配電設(shè)備的應(yīng)用技術(shù)。

結(jié)合光儲(chǔ)直柔技術(shù)理念，提高建筑能源系統(tǒng)的“柔性”，增強(qiáng)源荷之間的協(xié)調(diào)性，形成建能融合技術(shù)體系。

目前，在變電站內(nèi)建筑內(nèi)用能設(shè)備大部分均采用交流配電。若在新能源接入后建設(shè)一張直流配電網(wǎng)，大量采用直流設(shè)備，一方面可以提高新能源的利用率，另一方面可以減小能量轉(zhuǎn)換帶來(lái)的損耗，同時(shí)還可以提高運(yùn)行的可靠性和安全性。

4" " 實(shí)施技術(shù)方案

本文結(jié)合湖南地區(qū)新能源條件及220 kV戶內(nèi)變電站典型布置方案，研究變電站建筑與能源融合實(shí)施技術(shù)方案。

4.1" " 充分配置新能源

湖南地區(qū)地?zé)豳Y源不豐富，風(fēng)資源受地理位置限制較為嚴(yán)重，戶內(nèi)站基本布置在核心城區(qū)，風(fēng)資源更加受限，故在湖南省內(nèi)光資源是變電站配置新能源的較優(yōu)選擇。

根據(jù)國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)方案，220 kV全戶內(nèi)變電站屋頂可布置光伏約200 kW，直流側(cè)210 kWp，容配比1.05，采用P型500 Wp單晶雙面雙玻光伏組件420塊，50 kW變流器4臺(tái)。建成后，首年發(fā)電量約為21.66萬(wàn)kW·h，首年等效利用小時(shí)數(shù)為1 083 h。25年的總發(fā)電量約為507萬(wàn)kW·h，25年年平均發(fā)電量20.28萬(wàn)kW·h，年等效利用小時(shí)數(shù)為1 014 h。

4.2" " 合理配置儲(chǔ)能

經(jīng)調(diào)研，220 kV戶內(nèi)變電站正常情況下用電負(fù)荷約60 kW，負(fù)荷主要為空調(diào)負(fù)荷，夏季用電量高，冬季用電量小，負(fù)荷屬性和光伏發(fā)電趨勢(shì)一致。在夏季中午發(fā)電量較高時(shí)光伏發(fā)電容量將超過(guò)變電站自身可以消納的容量，造成光電上網(wǎng)或者棄光的情況。光電上送會(huì)給配電網(wǎng)帶來(lái)一定的不確定性，且涉及營(yíng)銷部等多個(gè)管理部門(mén)，會(huì)增加工程建設(shè)和管理的復(fù)雜性和成本。合理配置儲(chǔ)能不但可以很好地解決管理上的復(fù)雜性及棄光問(wèn)題，還可進(jìn)一步提高新能源的利用率，從而有效降低建筑對(duì)外部能源的依賴。

根據(jù)光伏配置的情況，屋面光伏的年發(fā)電量約為20.28萬(wàn)kW·h，夏季最大月發(fā)電量達(dá)2.88萬(wàn)kW·h。通過(guò)計(jì)算，以不棄光、不上網(wǎng)為原則，建議站內(nèi)配置2套186 kW/372 kW·h柜式儲(chǔ)能，按每天一充一放方式運(yùn)行，每天在光伏發(fā)電高峰的4～6 h充電，其他時(shí)間放電。該方案可實(shí)現(xiàn)不棄光、光電不上網(wǎng)、綠電全利用，夏季光伏發(fā)電量可占建筑整體用電量的70%，年發(fā)電量可占年用電量的40%～50%。

4.3" " 直流微網(wǎng)的應(yīng)用

目前，在變電站內(nèi)建筑內(nèi)用能設(shè)備大部分均采用交流配電，在不操作的情況下長(zhǎng)期負(fù)荷主要為照明和空調(diào)負(fù)荷，長(zhǎng)期負(fù)荷在60 kW左右。

市面上大部分直流變頻產(chǎn)品，比如空調(diào)、電梯、電機(jī)等等，雖成本稍高，但效率均顯著高于交流變頻產(chǎn)品，直流設(shè)備的應(yīng)用必然成為未來(lái)末端用電設(shè)備的趨勢(shì)。而高效節(jié)能LED燈具的大規(guī)模應(yīng)用，也使得直流照明更加具備推廣的普遍意義。直流設(shè)備的應(yīng)用不僅本身能耗較低，直流便于控制的特性也使得直流設(shè)備在智能控制、遠(yuǎn)程控制方面有更大的優(yōu)勢(shì)，更加符合新型電力系統(tǒng)發(fā)展的方向[4]。

光伏發(fā)電過(guò)程中必然會(huì)經(jīng)歷直流階段，儲(chǔ)能設(shè)備具備直流接口的能力，而在用能末端也存在直流階段，為避免頻繁的AC/DC及DC/AC轉(zhuǎn)換帶來(lái)能量的損耗，可在變電站內(nèi)針對(duì)直流用電設(shè)備設(shè)置一段源、荷、儲(chǔ)共同作用的直流母線。利用DC/DC設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率和可靠性普遍高于AC/DC設(shè)備的特點(diǎn)，將末端效率較低的AC/DC轉(zhuǎn)換裝置替換為大容量、高效率的集中DC/DC轉(zhuǎn)換設(shè)備，可大大提高新能源的利用效率[5]。

微網(wǎng)設(shè)計(jì)需考慮以下幾方面因素。

4.3.1" " 直流電壓等級(jí)的選取

根據(jù)調(diào)研分析，目前國(guó)內(nèi)外直流配電工程直流母線電壓等級(jí)選取一般從兩方面出發(fā)，一是參考目前主流直流微網(wǎng)工程和應(yīng)用場(chǎng)景需求的電壓等級(jí)，二是考慮微電網(wǎng)容量、輸送半徑、直流設(shè)備等因素。根據(jù)GB/T 35727—2017《中低壓直流配電電壓導(dǎo)則》規(guī)范要求，直流配電系統(tǒng)電壓等級(jí)選擇應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

1）直流配電系統(tǒng)電壓等級(jí)確定應(yīng)堅(jiān)持簡(jiǎn)化電壓等級(jí)、減少變壓層次、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的原則。

2）直流配電系統(tǒng)電壓等級(jí)確定需要考慮與現(xiàn)有交流序列銜接，新能源、儲(chǔ)能和直流用戶等的便利接入。

3）直流配電系統(tǒng)電壓等級(jí)確定需要綜合考慮應(yīng)用范圍、容量、供電半徑和安全性等。

根據(jù)變電站負(fù)荷分析，直流微網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)最大直流負(fù)荷約為60 kW，屋頂光伏總裝機(jī)容量200 kW，儲(chǔ)能容量372 kW（儲(chǔ)能電池按0.5C考慮）。白天基本可實(shí)現(xiàn)清潔能源全消納，直流負(fù)荷零碳化。夜晚儲(chǔ)能所儲(chǔ)能量釋放完畢后，直流子微網(wǎng)需通過(guò)交流側(cè)供電，容量約為60 kW。直流負(fù)荷主要為直流空調(diào)、直流照明，主要電源為屋頂光伏，同時(shí)儲(chǔ)能具備為站用電提供備用電源的能力。

若選擇750 V直流母線，母線載流量可以控制在500 A內(nèi)，相關(guān)直流開(kāi)關(guān)設(shè)備均有成熟和常規(guī)產(chǎn)品可選，同時(shí)方便光伏、儲(chǔ)能等高電壓等級(jí)分布式電源接入，且目前AC380 V與DC750 V轉(zhuǎn)換裝置是常規(guī)設(shè)備，與380 V交流電壓序列配合更方便。

綜上所述，統(tǒng)籌考慮各方面因素，變電站直流微網(wǎng)主母線采用DC750 V。

4.3.2" " 直流單極與雙極接線形式特點(diǎn)分析

1）雙極性直流微網(wǎng)特點(diǎn)：雙極性直流系統(tǒng)含有正極、負(fù)極和零極3條母線，采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，典型拓?fù)湫问饺鐖D1所示。

分布式電源和負(fù)荷饋線回路一般分別平均掛接在正極或負(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；通過(guò)正負(fù)極之間的級(jí)聯(lián)，可比較方便構(gòu)成雙倍于單極母線的直流電壓等級(jí)；雙極直流母線運(yùn)行方式靈活多樣，其供電可靠性相對(duì)較高。但雙極性直流微網(wǎng)正、負(fù)極對(duì)零極電壓的平衡是目前比較突出的問(wèn)題。運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)負(fù)荷突變、間隙性分布式電源出力波動(dòng)等暫態(tài)工況時(shí)，對(duì)直流母線正、負(fù)極對(duì)中線電壓的沖擊很大，容易使正負(fù)母線電位發(fā)生位移，導(dǎo)致電壓質(zhì)量下降。這就對(duì)雙極直流系統(tǒng)的控制和保護(hù)策略提出了很高的要求，從而導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備（包括變流器、控制保護(hù)等）價(jià)格過(guò)高，系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性較低。

雙極直流微網(wǎng)適用于大功率、大容量，特別是需要長(zhǎng)距離輸送功率的多電壓等級(jí)需求場(chǎng)景。我國(guó)目前軌道交通系統(tǒng)就多采用雙極直流供電方式，常見(jiàn)的有±375 V和±750 V系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)分別可同時(shí)構(gòu)建750 V和1 500 V直流電壓等級(jí)，高電壓等級(jí)為大功率電力機(jī)車提供電源，低電壓等級(jí)為軌道交通站的其他直流負(fù)荷供電。

2）單極直流微網(wǎng)特點(diǎn)：?jiǎn)螛O性微網(wǎng)含有正極、零極2條母線，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略均較為簡(jiǎn)單，典型拓?fù)湫问饺鐖D2所示。

單極直流微網(wǎng)運(yùn)行時(shí)由一組母線回路傳輸電能，其作為公共母線同時(shí)連接分布式電源和用電負(fù)荷，并網(wǎng)時(shí)通過(guò)AC/DC變換裝置連入大電網(wǎng)。這種微網(wǎng)結(jié)構(gòu)容易組網(wǎng)，控制策略清晰，保護(hù)判據(jù)少、范圍小，能更快速隔離故障電流，且相較于雙極拓?fù)浣?jīng)濟(jì)性更優(yōu)。但其網(wǎng)架靈活性不強(qiáng)，且如果僅依靠簡(jiǎn)單的單極輻射式供電，可靠性較雙極方式略顯不足。

單極直流微網(wǎng)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。對(duì)于變電站來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)化控制方式，盡可能縮小微網(wǎng)故障波及范圍，減少微電網(wǎng)對(duì)交流主網(wǎng)的影響，尋求經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)行方式更為重要。

目前，國(guó)內(nèi)大部分已投運(yùn)或試點(diǎn)的多合一能源站均采用單極直流母線形式，因此選擇單極直流母線接線形式。

4.3.3" " 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

站內(nèi)設(shè)一段750 V單極直流母線，將光伏、照明、儲(chǔ)能、空調(diào)等直流荷載接入該段母線，并通過(guò)兩套互為備用的AC/DC模塊分別接入站內(nèi)2段交流母線。在直流體系內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)源、荷、儲(chǔ)的有效自洽，同時(shí)提高新能源的利用率，儲(chǔ)能還可作為交流母線的備用電源，在一定程度上提高變電站內(nèi)站用電系統(tǒng)的供電可靠性。變電站內(nèi)直流微網(wǎng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)如圖3所示。

5" " 結(jié)束語(yǔ)

基于國(guó)家的雙碳發(fā)展戰(zhàn)略和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的發(fā)展需求，變電站建筑物與能源融合技術(shù)水平亟須提升。本文以220 kV全戶內(nèi)變電站為依托，通過(guò)在變電站內(nèi)組建一張直流微網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)光伏、直流設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備的應(yīng)用和融合，可有效提高能源利用效率，推動(dòng)變電站可再生能源應(yīng)用，引導(dǎo)變電站建筑逐步實(shí)現(xiàn)近零能耗。

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收稿日期：2023-11-08

作者簡(jiǎn)介：呂夷（1970—），男，湖南長(zhǎng)沙人，正高級(jí)工程師，從事電力設(shè)計(jì)工作。