變電站站用電系統電網技術論文

1微網系統概述

微網系統將風力發電機所發電力，經風機逆變器轉變為交流，提供給微網控制器進行離併網控制。太陽能發電通過光伏控制器轉為交流上網，儲能系統充放電管理由控制及數據採集系統統一控制和管理。除了風、光等多種新能源，還可以通過柴油發電機以及其它小型發電機結合儲能系統統一給負荷供電。

2站用電微網系統關鍵技術

站用微電網是由光伏發電、風力發電以及儲能裝置和監控、保護裝置彙集而成的變電站供電的小型發配電系統，它能夠不依賴大電網而正常運行，實現區域內部供需平衡。當站用電正常供電時，首先消納微網系統電能，實現系統電能消耗的減少和節約，當變電站電網系統出現故障，站用微電網可以為變電站提供必要的電源，從而保證控制系統正常運行，降低變電站故障恢復時間。

2.1站用電微網系統組成

1）風力發電系統,通過風力發電機將機械能轉換為電能，再通過控制器對蓄電池充電，經過逆變器對負載供電；

2）光伏發電系統,利用太陽能電池板將光能轉換為電能，然後對蓄電池充電，通過逆變器將直流電轉換為交流電對負載進行供電；

3）儲能系統，使微網既可以併網運行，也可以獨立孤網運行，並保證功率穩定輸出。儲能電池組在系統中同時起到能量調節和平衡負載兩大作用。它將風力發電系統和光伏發電系統輸出的電能轉化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用；

4）逆變系統，由幾台逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標準的220V交流電，保證交流電負載設備的正常使用。同時還具有自動穩壓功能，可改善風光互補發電系統的供電質量；5）監控系統，系統可以監控分佈式能源運行數據，調整運行策略，控制運行狀態。智能能量控制管理部分是保證電源系統正常運行的重要核心設備。

2.2站用電微網系統功能系統主要實現以下功能

1）微網系統包含光伏發電、小型風力發電機和儲能設備。通過微網控制系統監控分佈式能源運行數據，調整運行策略，控制運行狀態；

2）微網系統獨立運行時，儲能設備作為獨立運行時的主電源；當光伏發電系統和風力發電系統全部退出運行時，主電源的功率大於微網內所有負荷的功率時，微網系統會根據實際情況對所供負載進行容量調節和超限保護；

3）對於主從控制的微網，如果分佈式電源的出力大於負載，會出現多餘功率到送給主電源情況（如果不允許倒送），因此在微網獨立運行時，可根據實際情況調節分佈式電源出力的控制策略；

4）通過微網監測平台，全方位實時展示分佈式電源運行狀態、風、光信息及微網運行過程，為分佈式電源及微網技術的推廣應用，起到示範作用。

2.3引入微網系統條件

將微網系統引入站用電系統時，主要考慮其發電單元可利用的自然資源情況。參考風電場和太陽能光伏電站的設計條件以及相關規程規範，站用電系統中引入微網時，該變電站應滿足以下條件：

（1）變電站所在地區10m高度處，年平均風速在5.6m/s以上；

（2）變電站所在地區太陽能總輻射的年總量在1050~1400kWh/（m2a）以上；

（3）變電站所在地區太陽能資源穩定程度指標在4以下。

3站用電微網系統設計

3.1功能定位

1）作為站用電系統電源的補充，減小站用電系統從電力系統的受電比例；

2）作為變電站啟動電源，取代常規變電站站外電源。在變電站完全停電時，利用微網系統發出的電能啟動站用電系統，完成主變壓器和站用變壓器的充電，再利用站內電源完成整個變電站的啟動。在整個啟動過程中，儘可能利用微網系統。本文考慮經濟性因素，推薦變電站微網系統應以取代站外電源作為啟動電源為目標，在現階段技術條件下，採用站外電源和微網系統共用的過渡方式。

3.2接線方案

站用電系統結構如圖1所示，儲能設備、光伏發電和風力發電以圖2的形式並列接入交流低壓母線。微網與外部電網有一個統一的聯絡開關。控制策略採用主從控制設計，即在併網運行時，主電網作為主電源；在孤網運行時，蓄電池儲能設備作為主電源。圖1站考慮到微網系統的可靠性要求相對較低，而站用直流系統的可靠性要求較高，因此推薦為微網系統單獨設置蓄電池，而不將站用直流系統的蓄電池與微網系統蓄電池合用；考慮到站用電負荷的'特性，具有一定的分散性，且常規負荷均為交流負荷，因此推薦微網系統採用交流併網模式。

3.3設備選型及佈置方案

1）風力發電機根據運行特徵和控制方式可分為變速恆頻風力發電系統和恆速恆頻風力發電系統，根據風輪軸的位置可以分為垂直軸風力發電機和水平軸風力發電機。現風力發電機多采用變速恆頻系統，而採用垂直軸還是水平軸則需要結合自然條件和功能需求確定。佈置風電機組時，在盛行風向上要求機組間隔為5~9倍風輪直徑，在垂直於盛行風向上要求機組間相隔3~5倍風輪直徑。風電機組具體佈置時應根據風向玫瑰圖和風能玫瑰圖確定風電場主導風向，對平坦、開闊場址，可按照以上原則，單排或多排佈置風電機組。在多排佈置時應呈梅花型排列，以儘量減少風電機組之間尾流影響。

2）太陽能光伏電池單晶硅、多晶硅太陽電池由於製造技術成熟、產品性能穩定、使用壽命長、光電轉化效率相對較高，被廣泛應用於大型併網光伏電站項目。太陽能光伏電池一般均安裝在户外，電池板必須採用能經受雨、風、砂塵和温度變化甚至冰雹襲擊等的框架、支撐板和密封樹脂等進行完好保護。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。採用哪一種安裝形式取決於諸多因素，包括方陣尺寸、可利用空間、採光條件、防止破壞和盜竊、風負載、視覺效果及安裝難度等。

3）儲能裝置

目前，國內變電站或配網運行的儲能系統大多采用鉛酸蓄電池，其維護量較小，價格低廉，但使用壽命和對環境的影響是其較大缺點。

4站用電微網系統應用實例

依託遼寧利州500kV變電站，對站用電微網系統的應用開展研究。根據站用電負荷需求以及站址位置的自然資源條件，提出了微網系統的配置方案。

4.1站用電負荷分析

根據本站的建設規模以及對站用輔助設施的用電量計算分析，本站在遠景規模下的最大用電負荷為633.6kVA。變電站啟動負荷主要考慮2台500kV斷路器和2台66kV斷路器伴熱帶負荷。經計算，變電站啟動所需功率為20kW，容量為10kWh。

4.2風機配置

根據本站站址位置風資源實測結果，並考慮以下因素：

1）站址內設備眾多，高空線纜密佈，東西側為進出線方向；

2）作為站自用電風機，不宜距離用電地點過遠；

3）站址區域地形影響；

4）風機安全距離取兩倍塔高，防止意外情況發生時造成周圍建築、設施二次損害；

5）辦公樓樓頂的光伏設施不能被遮擋，因此風電機組的高度受到限制，不宜超過40m。本站考慮選用1台50kW風力發電機。

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調性和光伏板間距等，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時內前後光伏板組件互不遮擋，結合光伏板的尺寸和佈置形式，根據冬至日上午9時的太陽高度角和方位角進行計算，得到各光伏板間的南北行距為2m，該間隔同時可以供維護人員過往使用，板與板東西間隔預留5cm。綜合上述佈置要求，共佈置98塊190Wp光伏板，計18.62kW。經估算，系統25年運行期年平均發電量為24.64MWh，多年平均等效利用小時數為1323h。

4.4儲能裝置配置

考慮儲能裝置的經濟性及變電站內可利用的佔地面積，採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，經計算，考慮一定裕度，蓄電池容量取200Ah。

4.5微網系統的控制與保護

1）監控系統：系統可以監控分佈式能源運行數據，調整運行策略，控制運行狀態；

2）控制系統：保證站用電系統優先使用分佈式發電裝置發出的電能，並滿足蓄電池智能充放電要求；

3）保護系統：配置有硬件故障保護和軟件保護，保護功能配置完善，保護範圍交叉重疊，沒有死區，能確保在各種故障情況下的系統安全。

5經濟技術分析

根據遼寧利州500kV變電站微網系統的配置方案，同時對原站外電源引接方案進行優化，對站用電微網系統引入進行經濟技術比較。

5.1站外備用電源經濟技術比較

前期設計方案中，站用備用電源採用66kV接網方案，站內外總投資約525萬元。該方案可靠性較高，投資也較高。將站外備用電源優化為從變電站附近的10kV線路“T”接，站內設10kV箱式變電站1座。該方案站內外投資共約為256萬元，比66kV站外電源方案節省投資約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站用電微網系統投資分析

依託工程微網系統發電裝置總投資約為253.2萬元，總計站用電系統投資509.2萬元，比前期可研方案略低，但由於增加了新型能源發電方式，可靠性水平比可研方案明顯增加。新型能源年發電量約為139.6MWh，每年節約資金139.6MW×0.6元/kwh=83760元，在變電站全壽命週期內，具備可回收性。新型能源產生的發電效益，不但明顯減少了站用電系統電量消耗，也為降低網耗做出貢獻。

6結論

站用電微網技術為分佈式發電及可再生能源發電技術的整合及在變電站中的應用提供了靈活、高效的平台。隨着可再生能源發電產品及技術的進一步提升和變電站應用新型能源技術的進一步成熟，新型能源及微電網技術必將在變電站站用電系統中得到推廣應用。