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變電站站用電系統電網(wǎng)技術(shù)論文
1微網(wǎng)系統概述
微網(wǎng)系統將風(fēng)力發(fā)電機所發(fā)電力，經(jīng)風(fēng)機逆變器轉變?yōu)榻涣�，提供給微網(wǎng)控制器進(jìn)行離并網(wǎng)控制。太陽(yáng)能發(fā)電通過(guò)光伏控制器轉為交流上網(wǎng)，儲能系統充放電管理由控制及數據采集系統統一控制和管理。除了風(fēng)、光等多種新能源，還可以通過(guò)柴油發(fā)電機以及其它小型發(fā)電機結合儲能系統統一給負荷供電。
2站用電微網(wǎng)系統關(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控、保護裝置匯集而成的變電站供電的小型發(fā)配電系統，它能夠不依賴(lài)大電網(wǎng)而正常運行，實(shí)現區域內部供需平衡。當站用電正常供電時(shí)，首先消納微網(wǎng)系統電能，實(shí)現系統電能消耗的減少和節約，當變電站電網(wǎng)系統出現故障，站用微電網(wǎng)可以為變電站提供必要的電源，從而保證控制系統正常運行，降低變電站故障恢復時(shí)間。
2.1站用電微網(wǎng)系統組成
1）風(fēng)力發(fā)電系統,通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機將機械能轉換為電能，再通過(guò)控制器對蓄電池充電，經(jīng)過(guò)逆變器對負載供電；
2）光伏發(fā)電系統,利用太陽(yáng)能電池板將光能轉換為電能，然后對蓄電池充電，通過(guò)逆變器將直流電轉換為交流電對負載進(jìn)行供電；
3）儲能系統，使微網(wǎng)既可以并網(wǎng)運行，也可以獨立孤網(wǎng)運行，并保證功率穩定輸出。儲能電池組在系統中同時(shí)起到能量調節和平衡負載兩大作用。它將風(fēng)力發(fā)電系統和光伏發(fā)電系統輸出的電能轉化為化學(xué)能儲存起來(lái)，以備供電不足時(shí)使用；
4）逆變系統，由幾臺逆變器組成，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(shí)還具有自動(dòng)穩壓功能，可改善風(fēng)光互補發(fā)電系統的供電質(zhì)量；5）監控系統，系統可以監控分布式能源運行數據，調整運行策略，控制運行狀態(tài)。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(wǎng)系統功能系統主要實(shí)現以下功能
1）微網(wǎng)系統包含光伏發(fā)電、小型風(fēng)力發(fā)電機和儲能設備。通過(guò)微網(wǎng)控制系統監控分布式能源運行數據，調整運行策略，控制運行狀態(tài)；
2）微網(wǎng)系統獨立運行時(shí)，儲能設備作為獨立運行時(shí)的主電源；當光伏發(fā)電系統和風(fēng)力發(fā)電系統全部退出運行時(shí)，主電源的功率大于微網(wǎng)內所有負荷的功率時(shí)，微網(wǎng)系統會(huì )根據實(shí)際情況對所供負載進(jìn)行容量調節和超限保護；
3）對于主從控制的微網(wǎng)，如果分布式電源的出力大于負載，會(huì )出現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)獨立運行時(shí)，可根據實(shí)際情況調節分布式電源出力的控制策略；
4）通過(guò)微網(wǎng)監測平臺，全方位實(shí)時(shí)展示分布式電源運行狀態(tài)、風(fēng)、光信息及微網(wǎng)運行過(guò)程，為分布式電源及微網(wǎng)技術(shù)的推廣應用，起到示范作用。
2.3引入微網(wǎng)系統條件
將微網(wǎng)系統引入站用電系統時(shí)，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(chǎng)和太陽(yáng)能光伏電站的設計條件以及相關(guān)規程規范，站用電系統中引入微網(wǎng)時(shí)，該變電站應滿(mǎn)足以下條件：
�。�1）變電站所在地區10m高度處，年平均風(fēng)速在5.6m/s以上；
�。�2）變電站所在地區太陽(yáng)能總輻射的年總量在1050~1400kWh/（m2a）以上；
�。�3）變電站所在地區太陽(yáng)能資源穩定程度指標在4以下。
3站用電微網(wǎng)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(dòng)電源，取代常規變電站站外電源。在變電站完全停電時(shí)，利用微網(wǎng)系統發(fā)出的電能啟動(dòng)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(gè)變電站的啟動(dòng)。在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中，盡可能利用微網(wǎng)系統。本文考慮經(jīng)濟性因素，推薦變電站微網(wǎng)系統應以取代站外電源作為啟動(dòng)電源為目標，在現階段技術(shù)條件下，采用站外電源和微網(wǎng)系統共用的過(guò)渡方式。
3.2接線(xiàn)方案
站用電系統結構如圖1所示，儲能設備、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(xiàn)。微網(wǎng)與外部電網(wǎng)有一個(gè)統一的聯(lián)絡(luò )開(kāi)關(guān)�？刂撇呗圆捎弥鲝目刂圃O計，即在并網(wǎng)運行時(shí)，主電網(wǎng)作為主電源；在孤網(wǎng)運行時(shí)，蓄電池儲能設備作為主電源。圖1站考慮到微網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)系統采用交流并網(wǎng)模式。
3.3設備選型及布置方案
1）風(fēng)力發(fā)電機根據運行特征和控制方式可分為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統和恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統，根據風(fēng)輪軸的位置可以分為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機和水平軸風(fēng)力發(fā)電機�，F風(fēng)力發(fā)電機多采用變速恒頻系統，而采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。布置風(fēng)電機組時(shí)，在盛行風(fēng)向上要求機組間隔為5~9倍風(fēng)輪直徑，在垂直于盛行風(fēng)向上要求機組間相隔3~5倍風(fēng)輪直徑。風(fēng)電機組具體布置時(shí)應根據風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)能玫瑰圖確定風(fēng)電場(chǎng)主導風(fēng)向，對平坦、開(kāi)闊場(chǎng)址，可按照以上原則，單排或多排布置風(fēng)電機組。在多排布置時(shí)應呈梅花型排列，以盡量減少風(fēng)電機組之間尾流影響。
2）太陽(yáng)能光伏電池單晶硅、多晶硅太陽(yáng)電池由于制造技術(shù)成熟、產(chǎn)品性能穩定、使用壽命長(cháng)、光電轉化效率相對較高，被廣泛應用于大型并網(wǎng)光伏電站項目。太陽(yáng)能光伏電池一般均安裝在戶(hù)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(shù)脂等進(jìn)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。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)負載、視覺(jué)效果及安裝難度等。
3）儲能裝置
目前，國內變電站或配網(wǎng)運行的儲能系統大多采用鉛酸蓄電池，其維護量較小，價(jià)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)系統應用實(shí)例
依托遼寧利州500kV變電站，對站用電微網(wǎng)系統的應用開(kāi)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(wǎng)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(dòng)負荷主要考慮2臺500kV斷路器和2臺66kV斷路器伴熱帶負荷。經(jīng)計算，變電站啟動(dòng)所需功率為20kW，容量為10kWh。
4.2風(fēng)機配置
根據本站站址位置風(fēng)資源實(shí)測結果，并考慮以下因素：
1）站址內設備眾多，高空線(xiàn)纜密布，東西側為進(jìn)出線(xiàn)方向；
2）作為站自用電風(fēng)機，不宜距離用電地點(diǎn)過(guò)遠；
3）站址區域地形影響；
4）風(fēng)機安全距離取兩倍塔高，防止意外情況發(fā)生時(shí)造成周?chē)ㄖ�、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(fēng)電機組的高度受到限制，不宜超過(guò)40m。本站考慮選用1臺50kW風(fēng)力發(fā)電機。
4.3太陽(yáng)能光伏電池板配置
通過(guò)對站址太陽(yáng)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(shí)，接受的太陽(yáng)能輻射量最大，同時(shí)考慮與樓宇的協(xié)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(yáng)時(shí)9時(shí)至15時(shí)內前后光伏板組件互不遮擋，結合光伏板的尺寸和布置形式，根據冬至日上午9時(shí)的太陽(yáng)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(shí)可以供維護人員過(guò)往使用，板與板東西間隔預留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25年運行期年平均發(fā)電量為24.64MWh，多年平均等效利用小時(shí)數為1323h。
4.4儲能裝置配置
考慮儲能裝置的經(jīng)濟性及變電站內可利用的占地面積，采用蓄電池作為儲能裝置，容量按滿(mǎn)足變電站啟動(dòng)要求考慮。蓄電池放電功率按20kW、放電時(shí)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)系統的控制與保護
1）監控系統：系統可以監控分布式能源運行數據，調整運行策略，控制運行狀態(tài)；
2）控制系統：保證站用電系統優(yōu)先使用分布式發(fā)電裝置發(fā)出的電能，并滿(mǎn)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，保護范圍交叉重疊，沒(méi)有死區，能確保在各種故障情況下的系統安全。
5經(jīng)濟技術(shù)分析
根據遼寧利州500kV變電站微網(wǎng)系統的配置方案，同時(shí)對原站外電源引接方案進(jìn)行優(yōu)化，對站用電微網(wǎng)系統引入進(jìn)行經(jīng)濟技術(shù)比較。
5.1站外備用電源經(jīng)濟技術(shù)比較
前期設計方案中，站用備用電源采用66kV接網(wǎng)方案，站內外總投資約525萬(wàn)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(xiàn)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(wàn)元，比66kV站外電源方案節省投資約269萬(wàn)元。此方案可靠性比66kV站外電源方案略低，但能夠滿(mǎn)足本站對備用電源可靠性要求。
5.2站用電微網(wǎng)系統投資分析
依托工程微網(wǎng)系統發(fā)電裝置總投資約為253.2萬(wàn)元，總計站用電系統投資509.2萬(wàn)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，每年節約資金139.6MW×0.6元/kwh=83760元，在變電站全壽命周期內，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電量消耗，也為降低網(wǎng)耗做出貢獻。
6結論
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用提供了靈活、高效的平臺。隨著(zhù)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中得到推廣應用。
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