光伏微网在变电站站用电系统中的应用

光伏微网在变电站站用电系统中的应用

刘冬梅 1 赵志新 2

国网内蒙古东部电力有限公司赤峰供电公司 1

内蒙古赤峰市 024000

国家能源集团元宝山发电有限责任公司²

内蒙古赤峰市 024070

摘要：因为光伏和风能发电的清洁和可再生，以及对波浪动态能源的储能调节，可以将风、光、储能系统结合在一起组成风光储微网系统。变电站站用电源主要负责电力变压器油系统冷却、站内二次系统供电及站内所有用电设施的供电任务，据统计，500千伏变电站年用电量可达5万-1.2万千瓦时，直接构成供电损失。因此在变电站组建风光储微网系统，充分利用可再生能源，实现节能环保目标具有现实的经济效益和社会效益。

关键词：光伏微网；站用电；控制策略；节能；环保；

利用户内型变电站的屋顶空余面积安装太阳能电池板，通过逆变器和储能系统组成光伏微网系统，并通过合理的控制策略与变电站站用电系统进行连接，实现节能减排、绿色环保，同时加强站用电系统的可靠性，带来了良好的双重效益。

一、概述

伏发电技术的日益成熟及其成本的下降，使光伏微网系统得到推广。目前市场上已有许多厂家可以提供成熟的光伏微网解决方案，光伏发电系统也已运用于许多工程中，如某世博主题馆屋面的光伏发电系统及大容量光伏发电并网项目。目前的变电站多为独立建筑的室内变电站，变电站的屋面为平顶或坡顶。利用这些屋顶安装光伏发电系统，将光伏系统发出的电能接入变电站的站用电系统，能满足变电站的部分负荷需求，同时提高站用电系统的可靠性。对于供电公司来说，这样既能节省一定的变电站自身能耗，长远来看具有良好的经济效益；又能做到绿色环保，符合目前的发展趋势，创造良好的社会效益。这一设想已经将110KV 迪斯尼变电站作为试点在浦东供电公司投入使用。

二、微网系统概述

微网将分散的不同类型的小型发电源（分布式电源）组合起来供电，可以获得更高的利用效率。现有研究和实践表明，分布式发电供能系统以微网的形式接入传统电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电供能系统效能的最有效方式。微网系统将风力发电机所发电力，经风机逆变器转变为交流，提供给微网控制器进行离并网控制。太阳能发电通过光伏控制器转为交流上网，储能系统充放电管理由控制及数据采集系统统一控制和管理。除了风、光等多种新能源，还可以通过柴油发电机以及其它小型发电机结合储能系统统一给负荷供电。

三、案例

１.系统组成。将以某地区典型的110KV变电站为例，介绍如何利用变电站的屋面建设光伏系统供站内负荷使用。主要包括光伏系统容量的确定、系统主接线及主要设备的安装。（1）系统容量。以目前某城典型的110KV变电站屋面为例，其平顶能够安装太阳能电池板的面积约为500ｍ^２。目前主流使用的太阳能多晶硅电池板长约1.65ｍ，宽1ｍ。去除所需的巡视维护通道，约可以安装100块电池板。每块电池板的功率为245Ｗｐ，系统的总功率为24.5ｋＷｐ。逆变器的转换效率约为90％，故光伏系统实际容量约为22ｋＷｐ。光伏系统的发电高峰时间在10：00—15：00之间，根据统计，此时的变电站正常负荷约在10～15ｋＷ（夏季空调负荷不考虑），因此光伏发电系统略有盈余，可以配置储能系统储存多余电量，在系统发电量不足时补充站用电负荷。由于光伏发电出力不稳定，储能系统容量不宜过大，故选择30ｋＷ·ｈ。（2）电气主接线。目前新建设的变电站站用电系统均采用交直流一体化电源系统，多采用２台站用变压器进线经过ＡＴＳ切换后接入站用电交流母线的单母线接线形式。加入微网后，如图1接线，

图1系统接线图

Ⅰ母为交直流一体化电源系统交流柜380Ｖ母线，Ⅱ母为微网接入柜的380Ｖ母线，2条母线间设置分段开关。站内照明动力电源接入微网母线。站内的重要负荷，比如直流系统和ＵＰＳ从2条母线各引一路进线，通过ＡＴＳ切换后进行供电，进一步提高其供电可靠性。光伏微网发电系统按照最大功率跟踪模式进行工作，即当光伏发电量小于负荷用电量时，与储能系统和站用变一同给站内负荷供电；当光伏发电量大于用电负荷时，给储能装置充电。系统接线图如图１所示。（3）系统安装。由于采用动态跟踪方式造价高昂，同时屋面也不能承载大型跟踪系统，在工程实践中普遍采用固定式支架安装多晶硅太阳能电池板。根据上海地区气象条件进行分析，光伏组件在上海地区的最佳安装角度为26°，这个角度能够最大限度地利用太阳能。在屋面光伏整列布置时，需避开屋面女儿墙的阴影区域，前后两排的平均间距约为1.5ｍ，以保证全年9：00—15：00（真太阳时）时间段内前后组件互不遮挡。光伏阵列中间区域间隔１ｍ，预留人员行走及电缆敷设通道。经布置计算可以安装100块多晶硅电池板，组件每20块为一串，共计５串串入一台25ｋＷ小型逆变器。

２.微网控制对策。正常情况下，１号站用变给交直流一体化电源系统交流380ＶⅠ母供电，主要为站内重要负荷；２号站用变给交流380ＶⅡ母即微网接入柜供电，主要包括站内照明动力电源、储能系统等。当１号站用变失电、２号站用变正常时，运行于Ⅰ母上的重要负荷靠ＡＴＳ开关切换到Ⅱ母，挂在Ⅱ母的逆变器和储能装置工作模式没有变化，光伏逆变器和储能变流器继续工作在有功—无功（ＰＱ）模式。如１号站用变失电是由其１０ｋＶ侧母线失电引起，１０ｋＶ自切动作，则１号站用变１０ｋＶ侧恢复供电，所有原Ⅰ母所带负荷由Ⅱ母经ＡＴＳ切换回Ⅰ母，恢复正常供电。当２号站用变失电时，接于Ⅱ母的一些非重要负荷、光伏逆变器和储能装置因为母线失电而暂时退出。此时，如果２号站用变１０ｋＶ侧通过自切切换到１号站用变所在的１０ｋＶ母线，监控系统通过检测并网点站用变侧“有压和开关位置”联合条件，判断出有电，储能装置和光伏逆变器投入运行，都工作在ＰＱ模式，恢复正常供电。若监控系统通过检测并网点站用变侧“有压和开关位置”联合条件，判断出无电，微网进入孤岛模式，工作模式由ＰＱ切换为电压—频率（Ｖ／ｆ）模式，切换完成后主电源建立，负荷陆续投入运行；当２号站用变恢复供电时，通过检测联合条件，判断出有电，此时将Ⅱ母上的储能变流器和光伏逆变器退出，切换回ＰＱ模式，再将储能变流器和光伏逆变器重新投入，恢复正常供电。１号和２号站用变都失电，挂在２段母线的负荷短暂失电，微网进入孤岛模式，切换为Ｖ／ｆ工作模式，主电源建立。Ⅰ母负荷通过ＡＴＳ自动切换至Ⅱ母供电。当上级电源恢复供电，站用变充电完毕后，先投入１号站用电进线开关，站用电Ⅰ母带电，重要负荷经ＡＴＳ开关切回Ⅰ母。微网由Ｖ／ｆ模式转回ＰＱ模式，供电恢复正常。当微网处于孤岛运行模式时，要切掉不重要的负荷，包括检修电源、插座电源、空调电源等，优先保证直流系统和ＵＰＳ电源。当１号或２号站用变检修时，可以手动合上３８０Ｖ母线的分段开关，由一台站用变和微网共同维持供电。

３.效益分析。该系统的光伏组件发电容量在２２ｋＷｐ，考虑光照强度、安装方位角、线路损失等因素，系统的平均输出功率在２０ｋＷｐ左右。根据气象资料，某地区的年平均日照时间在１９００ｈ左右。故系统的年发电量为２０ｋＷｐ×１９００ｈ＝３．８万ｋＷ·ｈ。以１ｋｇ标准煤可以生产３ｋＷ·ｈ电能计算，系统每年可以节约燃煤约１２．７ｔ。每吨标准煤约排放２．６ｔ二氧化碳，则全年可以减排二氧化碳约３３ｔ。随着光伏系统的造价越来越低，其经济效益和社会效益将日益显著。

总之，变电站站用电微网技术为分布式发电及可再生能源发电技术的整合及在变电站中的应用提供了灵活、高效的平台。随着可再生能源发电产品及技术的进一步提升和变电站应用新型能源技术的进一步成熟，新型能源及微电网技术必将在变电站站用电系统中得到推广应用。

参考文献：

［１］包顺攀．光伏微网在变电站站用电系统中的应用探讨.2018.

［２］陈志刚，浅谈光伏微网在变电站站用电系统中的应用.2017.