變電站站用電系統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)論文
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1微網(wǎng)系統(tǒng)概述
微網(wǎng)系統(tǒng)將風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)電力，經(jīng)風(fēng)機(jī)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣?，提供給微網(wǎng)控制器進(jìn)行離并網(wǎng)控制。太陽能發(fā)電通過光伏控制器轉(zhuǎn)為交流上網(wǎng)，儲能系統(tǒng)充放電管理由控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)統(tǒng)一控制和管理。除了風(fēng)、光等多種新能源，還可以通過柴油發(fā)電機(jī)以及其它小型發(fā)電機(jī)結(jié)合儲能系統(tǒng)統(tǒng)一給負(fù)荷供電。
2站用電微網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
站用微電網(wǎng)是由光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及儲能裝置和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的變電站供電的小型發(fā)配電系統(tǒng)，它能夠不依賴大電網(wǎng)而正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部供需平衡。當(dāng)站用電正常供電時，首先消納微網(wǎng)系統(tǒng)電能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電能消耗的減少和節(jié)約，當(dāng)變電站電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，站用微電網(wǎng)可以為變電站提供必要的電源，從而保證控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，降低變電站故障恢復(fù)時間。
2.1站用電微網(wǎng)系統(tǒng)組成
1）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過控制器對蓄電池充電，經(jīng)過逆變器對負(fù)載供電；
2）光伏發(fā)電系統(tǒng),利用太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后對蓄電池充電，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對負(fù)載進(jìn)行供電；
3）儲能系統(tǒng)，使微網(wǎng)既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以獨(dú)立孤網(wǎng)運(yùn)行，并保證功率穩(wěn)定輸出。儲能電池組在系統(tǒng)中同時起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載兩大作用。它將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，以備供電不足時使用；
4）逆變系統(tǒng)，由幾臺逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標(biāo)準(zhǔn)的220V交流電，保證交流電負(fù)載設(shè)備的正常使用。同時還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量；5）監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)可以監(jiān)控分布式能源運(yùn)行數(shù)據(jù)，調(diào)整運(yùn)行策略，控制運(yùn)行狀態(tài)。智能能量控制管理部分是保證電源系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要核心設(shè)備。
2.2站用電微網(wǎng)系統(tǒng)功能系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能
1）微網(wǎng)系統(tǒng)包含光伏發(fā)電、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和儲能設(shè)備。通過微網(wǎng)控制系統(tǒng)監(jiān)控分布式能源運(yùn)行數(shù)據(jù)，調(diào)整運(yùn)行策略，控制運(yùn)行狀態(tài)；
2）微網(wǎng)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時，儲能設(shè)備作為獨(dú)立運(yùn)行時的主電源；當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全部退出運(yùn)行時，主電源的功率大于微網(wǎng)內(nèi)所有負(fù)荷的功率時，微網(wǎng)系統(tǒng)會根據(jù)實(shí)際情況對所供負(fù)載進(jìn)行容量調(diào)節(jié)和超限保護(hù)；
3）對于主從控制的微網(wǎng)，如果分布式電源的出力大于負(fù)載，會出現(xiàn)多余功率到送給主電源情況（如果不允許倒送），因此在微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)分布式電源出力的控制策略；
4）通過微網(wǎng)監(jiān)測平臺，全方位實(shí)時展示分布式電源運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)、光信息及微網(wǎng)運(yùn)行過程，為分布式電源及微網(wǎng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，起到示范作用。
2.3引入微網(wǎng)系統(tǒng)條件
將微網(wǎng)系統(tǒng)引入站用電系統(tǒng)時，主要考慮其發(fā)電單元可利用的自然資源情況。參考風(fēng)電場和太陽能光伏電站的設(shè)計條件以及相關(guān)規(guī)程規(guī)范，站用電系統(tǒng)中引入微網(wǎng)時，該變電站應(yīng)滿足以下條件：
（1）變電站所在地區(qū)10m高度處，年平均風(fēng)速在5.6m/s以上；
（2）變電站所在地區(qū)太陽能總輻射的年總量在1050~1400kWh/（m2a）以上；
（3）變電站所在地區(qū)太陽能資源穩(wěn)定程度指標(biāo)在4以下。
3站用電微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計
3.1功能定位
1）作為站用電系統(tǒng)電源的補(bǔ)充，減小站用電系統(tǒng)從電力系統(tǒng)的受電比例；
2）作為變電站啟動電源，取代常規(guī)變電站站外電源。在變電站完全停電時，利用微網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)出的電能啟動站用電系統(tǒng)，完成主變壓器和站用變壓器的充電，再利用站內(nèi)電源完成整個變電站的啟動。在整個啟動過程中，盡可能利用微網(wǎng)系統(tǒng)。本文考慮經(jīng)濟(jì)性因素，推薦變電站微網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)以取代站外電源作為啟動電源為目標(biāo)，在現(xiàn)階段技術(shù)條件下，采用站外電源和微網(wǎng)系統(tǒng)共用的過渡方式。
3.2接線方案
站用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，儲能設(shè)備、光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電以圖2的形式并列接入交流低壓母線。微網(wǎng)與外部電網(wǎng)有一個統(tǒng)一的聯(lián)絡(luò)開關(guān)?？刂撇呗圆捎弥鲝目刂圃O(shè)計，即在并網(wǎng)運(yùn)行時，主電網(wǎng)作為主電源；在孤網(wǎng)運(yùn)行時，蓄電池儲能設(shè)備作為主電源。圖1站考慮到微網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性要求相對較低，而站用直流系統(tǒng)的可靠性要求較高，因此推薦為微網(wǎng)系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置蓄電池，而不將站用直流系統(tǒng)的蓄電池與微網(wǎng)系統(tǒng)蓄電池合用；考慮到站用電負(fù)荷的特性，具有一定的分散性，且常規(guī)負(fù)荷均為交流負(fù)荷，因此推薦微網(wǎng)系統(tǒng)采用交流并網(wǎng)模式。
3.3設(shè)備選型及布置方案
1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)運(yùn)行特征和控制方式可分為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)風(fēng)輪軸的位置可以分為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)?，F(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用變速恒頻系統(tǒng)，而采用垂直軸還是水平軸則需要結(jié)合自然條件和功能需求確定。布置風(fēng)電機(jī)組時，在盛行風(fēng)向上要求機(jī)組間隔為5~9倍風(fēng)輪直徑，在垂直于盛行風(fēng)向上要求機(jī)組間相隔3~5倍風(fēng)輪直徑。風(fēng)電機(jī)組具體布置時應(yīng)根據(jù)風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)能玫瑰圖確定風(fēng)電場主導(dǎo)風(fēng)向，對平坦、開闊場址，可按照以上原則，單排或多排布置風(fēng)電機(jī)組。在多排布置時應(yīng)呈梅花型排列，以盡量減少風(fēng)電機(jī)組之間尾流影響。
2）太陽能光伏電池單晶硅、多晶硅太陽電池由于制造技術(shù)成熟、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、使用壽命長、光電轉(zhuǎn)化效率相對較高，被廣泛應(yīng)用于大型并網(wǎng)光伏電站項(xiàng)目。太陽能光伏電池一般均安裝在戶外，電池板必須采用能經(jīng)受雨、風(fēng)、砂塵和溫度變化甚至冰雹襲擊等的框架、支撐板和密封樹脂等進(jìn)行完好保護(hù)。光伏方陣有3種安裝形式：
1）安裝在柱上；
2）安裝在地面；
3）安裝在屋頂上。采用哪一種安裝形式取決于諸多因素，包括方陣尺寸、可利用空間、采光條件、防止破壞和盜竊、風(fēng)負(fù)載、視覺效果及安裝難度等。
3）儲能裝置
目前，國內(nèi)變電站或配網(wǎng)運(yùn)行的儲能系統(tǒng)大多采用鉛酸蓄電池，其維護(hù)量較小，價格低廉，但使用壽命和對環(huán)境的影響是其較大缺點(diǎn)。
4站用電微網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例
依托遼寧利州500kV變電站，對站用電微網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用開展研究。根據(jù)站用電負(fù)荷需求以及站址位置的自然資源條件，提出了微網(wǎng)系統(tǒng)的配置方案。
4.1站用電負(fù)荷分析
根據(jù)本站的建設(shè)規(guī)模以及對站用輔助設(shè)施的用電量計算分析，本站在遠(yuǎn)景規(guī)模下的最大用電負(fù)荷為633.6kVA。變電站啟動負(fù)荷主要考慮2臺500kV斷路器和2臺66kV斷路器伴熱帶負(fù)荷。經(jīng)計算，變電站啟動所需功率為20kW，容量為10kWh。
4.2風(fēng)機(jī)配置
根據(jù)本站站址位置風(fēng)資源實(shí)測結(jié)果，并考慮以下因素：
1）站址內(nèi)設(shè)備眾多，高空線纜密布，東西側(cè)為進(jìn)出線方向；
2）作為站自用電風(fēng)機(jī)，不宜距離用電地點(diǎn)過遠(yuǎn)；
3）站址區(qū)域地形影響；
4）風(fēng)機(jī)安全距離取兩倍塔高，防止意外情況發(fā)生時造成周圍建筑、設(shè)施二次損害；
5）辦公樓樓頂?shù)墓夥O(shè)施不能被遮擋，因此風(fēng)電機(jī)組的高度受到限制，不宜超過40m。本站考慮選用1臺50kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
4.3太陽能光伏電池板配置
通過對站址太陽能資源評估成果計算，本區(qū)域固定傾角形式的光伏板在傾角為38.4度左右時，接受的太陽能輻射量最大，同時考慮與樓宇的協(xié)調(diào)性和光伏板間距等，最終決定光伏板傾角為30度。為保證全年真太陽時9時至15時內(nèi)前后光伏板組件互不遮擋，結(jié)合光伏板的尺寸和布置形式，根據(jù)冬至日上午9時的太陽高度角和方位角進(jìn)行計算，得到各光伏板間的南北行距為2m，該間隔同時可以供維護(hù)人員過往使用，板與板東西間隔預(yù)留5cm。綜合上述布置要求，共布置98塊190Wp光伏板，計18.62kW。經(jīng)估算，系統(tǒng)25年運(yùn)行期年平均發(fā)電量為24.64MWh，多年平均等效利用小時數(shù)為1323h。
4.4儲能裝置配置
考慮儲能裝置的經(jīng)濟(jì)性及變電站內(nèi)可利用的占地面積，采用蓄電池作為儲能裝置，容量按滿足變電站啟動要求考慮。蓄電池放電功率按20kW、放電時間按0.5h考慮，經(jīng)計算，考慮一定裕度，蓄電池容量取200Ah。
4.5微網(wǎng)系統(tǒng)的控制與保護(hù)
1）監(jiān)控系統(tǒng)：系統(tǒng)可以監(jiān)控分布式能源運(yùn)行數(shù)據(jù)，調(diào)整運(yùn)行策略，控制運(yùn)行狀態(tài)；
2）控制系統(tǒng)：保證站用電系統(tǒng)優(yōu)先使用分布式發(fā)電裝置發(fā)出的電能，并滿足蓄電池智能充放電要求；
3）保護(hù)系統(tǒng)：配置有硬件故障保護(hù)和軟件保護(hù)，保護(hù)功能配置完善，保護(hù)范圍交叉重疊，沒有死區(qū)，能確保在各種故障情況下的系統(tǒng)安全。
5經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析
根據(jù)遼寧利州500kV變電站微網(wǎng)系統(tǒng)的配置方案，同時對原站外電源引接方案進(jìn)行優(yōu)化，對站用電微網(wǎng)系統(tǒng)引入進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較。
5.1站外備用電源經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較
前期設(shè)計方案中，站用備用電源采用66kV接網(wǎng)方案，站內(nèi)外總投資約525萬元。該方案可靠性較高，投資也較高。將站外備用電源優(yōu)化為從變電站附近的10kV線路“T”接，站內(nèi)設(shè)10kV箱式變電站1座。該方案站內(nèi)外投資共約為256萬元，比66kV站外電源方案節(jié)省投資約269萬元。此方案可靠性比66kV站外電源方案略低，但能夠滿足本站對備用電源可靠性要求。
5.2站用電微網(wǎng)系統(tǒng)投資分析
依托工程微網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電裝置總投資約為253.2萬元，總計站用電系統(tǒng)投資509.2萬元，比前期可研方案略低，但由于增加了新型能源發(fā)電方式，可靠性水平比可研方案明顯增加。新型能源年發(fā)電量約為139.6MWh，每年節(jié)約資金139.6MW×0.6元/kwh=83760元，在變電站全壽命周期內(nèi)，具備可回收性。新型能源產(chǎn)生的發(fā)電效益，不但明顯減少了站用電系統(tǒng)電量消耗，也為降低網(wǎng)耗做出貢獻(xiàn)。
6結(jié)論
站用電微網(wǎng)技術(shù)為分布式發(fā)電及可再生能源發(fā)電技術(shù)的整合及在變電站中的應(yīng)用提供了靈活、高效的平臺。隨著可再生能源發(fā)電產(chǎn)品及技術(shù)的進(jìn)一步提升和變電站應(yīng)用新型能源技術(shù)的進(jìn)一步成熟，新型能源及微電網(wǎng)技術(shù)必將在變電站站用電系統(tǒng)中得到推廣應(yīng)用。
作者：殷鵬 李超 叢培元 王振蛟 崔忠寧 劉忠麗 單位：國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 東北電力設(shè)計院
