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變電站站用電系統(tǒng)電網技術論文
1微網系統(tǒng)概述
微網系統(tǒng)將風力發(fā)電機所發(fā)電力，經風機逆變器轉變?yōu)榻涣鳎峁┙o微網控制器進行離并網控制。太陽能發(fā)電通過光伏控制器轉為交流上網，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、光等多種新能源，還可以通過柴油發(fā)電機以及其它小型發(fā)電機結合儲能系統(tǒng)統(tǒng)一給負荷供電。
2站用電微網系統(tǒng)關鍵技術
站用微電網是由光伏發(fā)電、風力發(fā)電以及儲能裝置和監(jiān)控、保護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而正常運行，實現(xiàn)區(qū)域內部供需平衡。當站用電正常供電時，首先消納微網系統(tǒng)電能，實現(xiàn)系統(tǒng)電能消耗的減少和節(jié)約，當變電站電網系統(tǒng)出現(xiàn)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(tǒng)正常運行，降低變電站故障恢復時間。
2.1站用電微網系統(tǒng)組成
1）風力發(fā)電系統(tǒng),通過風力發(fā)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(fā)電系統(tǒng),利用太陽能電池板將光能轉換為電能，然后對蓄電池充電，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(tǒng)，使微網既可以并網運行，也可以獨立孤網運行，并保證功率穩(wěn)定輸出。儲能電池組在系統(tǒng)中同時起到能量調節(jié)和平衡負載兩大作用。它將風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)，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。同時還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善風光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質量；5）監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)可以監(jiān)控分布式能源運行數(shù)據(jù)，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(tǒng)正常運行的重要核心設備。
2.2站用電微網系統(tǒng)功能系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能
1）微網系統(tǒng)包含光伏發(fā)電、小型風力發(fā)電機和儲能設備。通過微網控制系統(tǒng)監(jiān)控分布式能源運行數(shù)據(jù)，調整運行策略，控制運行狀態(tài)；
2）微網系統(tǒng)獨立運行時，儲能設備作為獨立運行時的主電源；當光伏發(fā)電系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)全部退出運行時，主電源的功率大于微網內所有負荷的功率時，微網系統(tǒng)會根據(jù)實際情況對所供負載進行容量調節(jié)和超限保護；
3）對于主從控制的微網，如果分布式電源的出力大于負載，會出現(xiàn)多余功率到送給主電源情況（如果不允許倒送），因此在微網獨立運行時，可根據(jù)實際情況調節(jié)分布式電源出力的控制策略；
4）通過微網監(jiān)測平臺，全方位實時展示分布式電源運行狀態(tài)、風、光信息及微網運行過程，為分布式電源及微網技術的推廣應用，起到示范作用。
2.3引入微網系統(tǒng)條件
將微網系統(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。參考風電場和太陽能光伏電站的設計條件以及相關規(guī)程規(guī)范，站用電系統(tǒng)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(qū)10m高度處，年平均風速在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)定程度指標在4以下。
3站用電微網系統(tǒng)設計
3.1功能定位
1）作為站用電系統(tǒng)電源的補充，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，盡可能利用微網系統(tǒng)。本文考慮經濟性因素，推薦變電站微網系統(tǒng)應以取代站外電源作為啟動電源為目標，在現(xiàn)階段技術條件下，采用站外電源和微網系統(tǒng)共用的過渡方式。
3.2接線方案
站用電系統(tǒng)結構如圖1所示，儲能設備、光伏發(fā)電和風力發(fā)電以圖2的形式并列接入交流低壓母線。微網與外部電網有一個統(tǒng)一的聯(lián)絡開關�？刂撇呗圆捎弥鲝目刂圃O計，即在并網運行時，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(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，因此推薦為微網系統(tǒng)單獨設置蓄電池，而不將站用直流系統(tǒng)的蓄電池與微網系統(tǒng)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(guī)負荷均為交流負荷，因此推薦微網系統(tǒng)采用交流并網模式。
3.3設備選型及布置方案
1）風力發(fā)電機根據(jù)運行特征和控制方式可分為變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)和恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)風輪軸的位置可以分為垂直軸風力發(fā)電機和水平軸風力發(fā)電機�，F(xiàn)風力發(fā)電機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合自然條件和功能需求確定。布置風電機組時，在盛行風向上要求機組間隔為5~9倍風輪直徑，在垂直于盛行風向上要求機組間相隔3~5倍風輪直徑。風電機組具體布置時應根據(jù)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，單排或多排布置風電機組。在多排布置時應呈梅花型排列，以盡量減少風電機組之間尾流影響。
2）太陽能光伏電池單晶硅、多晶硅太陽電池由于制造技術成熟、產品性能穩(wěn)定、使用壽命長、光電轉化效率相對較高，被廣泛應用于大型并網光伏電站項目。太陽能光伏電池一般均安裝在戶外，電池板必須采用能經受雨、風、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(tǒng)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(huán)境的影響是其較大缺點。
4站用電微網系統(tǒng)應用實例
依托遼寧利州500kV變電站，對站用電微網系統(tǒng)的應用開展研究。根據(jù)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(tǒng)的配置方案。
4.1站用電負荷分析
根據(jù)本站的建設規(guī)模以及對站用輔助設施的用電量計算分析，本站在遠景規(guī)模下的最大用電負荷為633.6kVA。變電站啟動負荷主要考慮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(jù)本站站址位置風資源實測結果，并考慮以下因素：
1）站址內設備眾多，高空線纜密布，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(qū)域地形影響；
4）風機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、設施二次損害；
5）辦公樓樓頂?shù)墓夥O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臺50kW風力發(fā)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(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(jù)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。綜合上述布置要求，共布置98塊190Wp光伏板，計18.62kW。經估算，系統(tǒng)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數(shù)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，經計算，考慮一定裕度，蓄電池容量取200Ah。
4.5微網系統(tǒng)的控制與保護
1）監(jiān)控系統(tǒng)：系統(tǒng)可以監(jiān)控分布式能源運行數(shù)據(jù)，調整運行策略，控制運行狀態(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）保護系統(tǒng)：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，沒有死區(qū)，能確保在各種故障情況下的系統(tǒng)安全。
5經濟技術分析
根據(jù)遼寧利州500kV變電站微網系統(tǒng)的配置方案，同時對原站外電源引接方案進行優(yōu)化，對站用電微網系統(tǒng)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，站用備用電源采用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(yōu)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(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站用電微網系統(tǒng)投資分析
依托工程微網系統(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，具備可回收性。新型能源產生的發(fā)電效益，不但明顯減少了站用電系統(tǒng)電量消耗，也為降低網耗做出貢獻。
6結論
站用電微網技術為分布式發(fā)電及可再生能源發(fā)電技術的整合及在變電站中的應用提供了靈活、高效的平臺。隨著可再生能源發(fā)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(tǒng)中得到推廣應用。
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