多站融合交直流微網系統研究

毛卓越

(浙江華云清潔能源有限公司，浙江 杭州 310010)

智慧能源站以新建變電站為依托，創新建設模式，實現變電站、數據中心站、綜合能源站集成融合與友好互動，實現能源流、數據流、業務流合一，提升電網綜合效率效益，滿足城市建設對能源、環境的綜合要求[1-4]。智慧能源站可為供電區域或用戶提供高品質綜合能源供應，是政府引領，多方投資建設模式的具體實踐，是響應智慧城市、智慧園區建設的智慧能源關鍵環節，亦是國家電網泛在電力物聯網建設的重要組成部分。

1 建設多站融合智慧能源站的意義

建設多站融合智慧能源站的意義具體如下。

(1)具有削峰填谷功能，優化負荷曲線，緩解該區域峰谷差過大帶來的運行壓力。

(2)城市新開辟土地建設充電站難度較大，充電樁與變電站融合可以減少配電網線路及減少線損。

(3)傳統數據中心面臨運營成本、能源消耗、使用效率等諸多問題，企業構建新一代綠色數據中心或選擇第三方專業綠色數據中心，是企業信息化發展到一定階段的必然要求，數據中心靠近變電站或儲能電站，可以靠近電源中心，供電可靠性高。

對多站融合智慧能源站電氣主接線與低壓交直流微網系統進行研究，采用基于多端口能源路由器構建交直流一體微電網，統籌多站合一電源和負載，通過梳理智慧能源站的負荷容量、負荷特性，對交、直流電壓進行分析，選擇以交流400 V作為數據中心、變電站交流負荷的主供電源(雙重化供電)，以光伏、儲能直流±375 V作為變電站直流控制的主供電源(雙重化供電)、作為數據中心的備用電源。智慧能源源規模情況見表1。

表1 智慧能源源規模情況

2 智慧能源站交直流一體化電源配置

智慧能源站由變電站、儲能站、綜合能源站(光伏電站、數據中心)等組成，常規各站均有一套一體化電源系統。

2.1 變電站交直流一體化電源

變電站站用電源交直流一體化系統在電氣方面主要由交流電源系統、直流電源系統、逆變電源系統、通信電源系統這四項分系統組成。

2.1.1 交流電源

變電站站用交流電源系統根據變電站無人值班要求，采用雙電源智能化自動切換開關(ATS)實現對交流電源進線的監測和控制。ATS開關不僅兩路交流電源進線開關分合實現電氣閉鎖，而且還實現機械閉鎖，這從根本上保證了電源的安全可靠切換，并且站用變備自投保護裝置可取消[5-8]。交流進線模塊集電源智能監控單元、進線開關、ATS開關、電流互感器、智能電路于一體；交流饋線模塊集開關、電流傳感器、智能電路于一體。供電電源為AC400V。

2.1.2 直流電源

直流系統可分為充電模塊、直流母線絕緣監測模塊、帶絕緣監測的直流饋線模塊、蓄電池監測模塊、直流總監控模塊、直流蓄電池。供電電壓為DC±220/110 V。

2.1.3 逆變電源系統

逆變電源模塊由整流器、逆變器、靜態開關、手動維修旁路開關、調壓變壓器、本機液晶監視器、本機診斷系統構成。常規變電站有監控逆變電源與事故照明逆變電源，供電電源為AC220V。

2.1.4 通信電源系統

通信電源系統由DC/DC電源模塊、直流饋線模塊構成。部分變電站自帶通信蓄電池，常規通信電源系統供電電壓為DC±48 V。

2.2 儲能電站交直流一體化電源

儲能電站站用交直流一體化系統在電氣方面主要由交流電源系統、直流電源系統。交流電源系統主要于用照明、動力空調等負荷，供電電源為AC400V。直流電源用于控制系統，可選為DC±220/110 V。

2.3 數據中心一體化電源

數據中心根據現行的國家標準GB 50174—2017《數據中心設計規范》的規定劃分為A，B，C三類等級。設計時應根據數據中心的使用性質、管理要求及其在經濟和社會中的重要性確定所屬級別。交流電源系統主要于用照明、動力空調等負荷，供電電源為AC400V。

數據中心供配電系統設計應包括：配變電系統、備用電源系統、不間斷電源系統等。本文為B級數據中心，根據T/CECS 486—2017《數據中心供配電設計規程》供配電系統應按冗余要求配置電源。UPS的自帶蓄電池，B級數據中心機房放電時間應不小于15 min。

數據中心電源常規有交流或直流供電方式，交流較為常見，根據數據中心的等級，A級數據中心供電多采用2路市電(帶UPS供電)+1路油機的供電模式。本文為B級數據中心采用2路市電并帶UPS供電的方式，放電時間按不小于30 min考慮。

3 智慧能源站交直流負荷統計

3.1 變電站負荷統計

變電站站用電源規劃常規采用2臺站用變壓器，分別引自10 kVⅢ段母線和站外電源。1臺站用變從10 kVⅢ段母線引接，另一臺站用變電源引自站外10 kV線路，兩臺站用變互為備用，站用電采用380/220 V單母線分段接線。

變電站負荷常規有動力負荷、電熱負荷、照明負荷，根據計算220 kV變電站負荷為400 kVA。

3.2 儲能站負荷統計

儲能站負荷主要為空調、照明負荷，常規由于儲能DC/AC經400 V升壓至10 kV或是直接通過400 V并網，常規的站用變電電源采用400/230 V。根據儲能電站的規模，負荷各不相同，根據以往工程可根據儲能站的容量按2.5～3%的站用率估算，本期儲能站的容量為8.4 MW/16.8 MWh，根據負荷計算需要站用電約200 kW，主要為空調負荷。

3.3 數據中心負荷統計

數據中心負荷主要為數據中心服務器、空調、照明負荷，本文為B級數據中心，根據《數據中心供配電設計規程》T/CECS 486—2017 供配電系統應按冗余要求配置電源。UPS的自帶蓄電池，B級數據中心機房放電時間應不小于15 min。

根據數據中心的規模，本期部署2個微模塊(每個微模塊包含216臺服務器)，終期按部署9個微模塊考慮，功率密度為10 kW/Rcak。

每面機柜可布置15～18臺服務器，即每個微模塊12～15面機柜，每個微模塊約需要150 kW的負荷。另根據空調制冷比率，風冷機房一般PUE為1.6～1.7，所以總的機柜負載=1.7×150 kW×9=2 295(kW)。其中，服務器功率150 kW×9=1 350(kW)，此部分負荷需要兩路供電，并帶蓄電池不間斷UPS電源；空調制冷功率為0.7×150 kW×9=945(kW)，此部分負荷需要采用雙路電源供電，不需不間斷UPS電源。

4 智慧能源站一體化電源研究方案

4.1 直流電壓的選擇

220 kV智慧能源站工程包含的工程由變電站、儲能站、數據中心、充電站以及分布式光伏部分等組成。Q/GDW480—2010《分布式電源接入電網技術規定》中分布式電源接入系統原則指出，分布式電源接入電壓等級宜按照：200 kW及以下分布式電源接入380 V電壓等級電網。

GB/T35727—2017《中低壓直流配電網電壓導則》征求意見稿中低壓直流配電系統的標稱電壓優選值分別為3 000，1 500和750 V。在選擇直流配電電壓等級時,應綜合考慮多方面因素,不能選擇過高的電壓等級,增加電氣絕緣成本和降低兼容性。同時，選擇的電壓等級也不能太低,以免造成配電距離過短。

由于光伏為屋頂分布式光伏，每個屋頂的光伏容量均小于200 kW，結合其發出的為直流電，本文考慮采用DC±375并網。

充電樁分交流充電樁與直流充電樁。交流充電樁體積一般比直流充電樁小，因為它的充電速度比直流慢一點，也就是說交流充電樁只提供電力輸出功能，而沒有充電功能，連接時候與車上面的充電機為汽車充電。也就是說它需要借助車載充電機來充電，因此它的功率一般不會很大，一般為3.5，7，15 kW等。直流充電樁由于輸出功率大，一般規格有30，60，80，120，150 kW等，常規輸入為AC380V經整流為400～750VDC可調的電壓。智慧能源站由于儲能電池及光伏，可以采用DC±375 V作為輸入電壓，直流充電樁可減少AC/DC輸入模塊。

電站控制及保護直流電壓目前有兩種，分別為110 V直流系統與220 V直流系統，根據智慧能源式的情況，由于配電裝置相對較遠，為滿足控制操作回路的允許電纜壓降值，不必增加直流電纜的截面，本文采用DC/DC模塊通過變換至負荷中心。本文220，110 kV的開關設備為GIS，其操作機構為彈簧機構或液壓機構，10 kV真空開關也采用彈簧操作機構，因此沒有直流動力負荷、也沒有沖擊負荷。

本文綜合考慮分布式電源光伏接入、充電樁和負荷需求，低壓直流電壓定為DC±375 V。

4.2 交流電壓的選擇

一般交流電常用的電壓有：110 V，220 V，380 V，3 kV，6 kV，10 kV，由于智慧能源式，主變低壓側為10 kV，而交流低壓電壓常規均采用220/380 V，即低壓400 V，因此交流電壓采用AC400V。

儲能電池采用串并聯至DC：600 V-876 V(額定電壓750 V或±375 V)再經PCS裝置DC/AC至交流400 V后通過升壓變壓器至AC10 kV與電網相連。

4.3 PCS與儲能變壓器的選擇

儲能變流器(Power Conversion System，簡稱PCS)可控制蓄電池的充電和放電過程，進行交直流的變換，在無電網情況下可以直接為交流負荷供電。PCS由DC/AC雙向變流器、控制單元等構成。PCS控制器通過通信接收后臺控制指令，根據功率指令的符號及大小控制變流器對電池進行充電或放電，實現對電網有功功率及無功功率的調節。PCS控制器通過CAN接口與BMS通信，獲取電池組狀態信息，可實現對電池的保護性充放電，確保電池運行安全。目前市場上有250，500，600，1 000 kW各種類別，本文選擇1 000 kW的規格。

儲能變壓器常規采用SCB3-2500/10，電壓比為10/0.4 kV，容量2 500 kVA，阻抗值為6%。對于經濟性來說，采用的變壓器容量應該越大越好，減少變壓器的數量，減少高壓開關柜等一次設備。如采用3 150 kVA容量變壓器，采用10/0.4 kV，那么低壓側額定電流有4 547 A。根據斷路器的選擇情況，需采用6 300 A斷路器，市場上成熟產品很少、廠家定制價格也高，且在短路阻抗6%情況，低壓側短路電流達75.7 kA(若需采用高阻抗變壓器，則變壓器損耗大，不經濟)，若考慮0.4 kV有并列情況，則短路電流達151.4 kA，總進線開關需要配置分斷路能力100 kA以上的開關，出線斷路器的極限分斷能力要150 kA，成本也很高。

綜上所述，儲能變壓器主要受限于低壓側容量，變壓器容量在2 500 kVA基本是極限容量。若想考慮采用大容量變壓器需要另辟蹊徑，比如采用特殊變壓器——分裂變壓器。分裂式繞組變壓器是指每相由一個高壓繞組與兩個或多個電壓和容量均相同的低壓繞組構成的多繞組電力變壓器。分裂變壓器正常的電能傳輸僅在高、低壓繞組之間進行，而在故障時則具有限制短路電流的作用。幾個分支容量相同，額定電壓相等或接近，可以單獨運行或并聯運行，可以承擔相同或不同負載。當某一個低壓繞組上所連接的負荷或電源發生故障時，其余低壓繞組仍能正常運行。各分裂繞組之間沒有電的聯系，磁的耦合也相對較弱。分裂支路之間應具有較大的阻抗，而分裂支路與不分裂繞組之間應具有相同的阻抗。

通常把低壓繞組作為分裂繞組，分裂成2個或4個支路，線端標志為小寫字母加數字。不分裂的高壓繞組由兩個并聯支路組成，線端標志不變。各分裂繞組的總容量就是該分裂變壓器的額定容量。具有兩個低壓繞組的分裂變壓器通常稱為雙分或四分裂變壓器，其低壓繞組的布置方式有輻(徑)向分裂和軸向分裂兩種。

與普通變壓器相比，分裂變壓器有如下特點。

(1)限制短路電流的作用顯著。當分裂繞組一個支路短路時，短路電流經過半穿越阻抗。半穿越阻抗等于高壓繞組和一個分支短路阻抗之和，等于一加上四分之一倍的分裂系數，乘以穿越阻抗。也就是說半穿越阻抗比穿越阻抗大了四分之一分裂系數倍的穿越阻抗，也就是比普通變壓器的短路阻抗大，因此短路電流小。

(2)有利于電動機自起動條件的改善及損耗低。分裂變壓器的穿越阻抗比普通變壓器的短路阻抗小，所以流過起動電流時變壓器的電壓降要小些，允許電動機起動容量大些，變壓器損耗低。

(3)當分裂繞組一個支路發生短路故障時，另一個支路的母線電壓降很小，即殘壓較高，這是分裂變壓器的主要優點。分裂變壓器相比2臺變壓器，造價較低，具有一定的經濟性。

綜上所述，采用SCB13-5000 kVA/10 kV，D/y11×4,Ud=6%,10±2×2.5%/0.4。采用2臺5 000 kVA的容量四分裂變壓器與本期儲能電池的8 MW剛好匹配，變壓器的容量匹配儲能電池與數據中心、充電樁和變電站的負荷。

5 交直流混合配電網方案

交直流配電網架構圖如圖1所示。

圖1 交直流配電網架構圖

在統計各子站負荷、梳理電源需求的基礎上，提出基于四分裂變壓器、多端口能量路由器構建交直流一體化微網系統，統籌配置站用電系統。構建站級UPS電源，數據中心服務器采用“三雙接線”供電，雙電源、雙線路、雙接入，實現N-2情況下無縫切換不停電。

(1)采用四分裂變壓器，減少變壓器與開關柜，限制短路電流。本站交直流負荷統計情況如圖2所示，遠期交直流負荷超2 500 kVA。考慮單臺站用變帶全部負荷情況，優化選用5 000 kVA站用變帶四分裂繞組，限制低壓側短路電流到59 kA以內(并列運行)，低壓空開選取2 500 A。相比可研，本期減少變壓器和高壓開關柜各2臺，節約投資60萬元人民幣。

圖2 交直流負荷統計圖

(2)利用儲能電池搭建站級UPS電源，顯著提高供電可靠性。取消變電站和數據中心的蓄電池，采用儲能電池作為智慧能源站的不間斷電源，搭建站級UPS電源系統(交直流雙路交叉供電)，實現N-2情況下無縫切換不停電，顯著提高供電可靠性，減少項目投資180萬。

(3)采用能源路由器技術，構建交直流柔性混合網。多端口能量路由器相比常規PCS逆變單元增加一級DC-DC環節，在站用電失去后克服電池放電后期端電壓下降的缺點，始終保證直流母線電壓恒定。同時實現對分布式電源、柔性負荷友好接入，具備柔性切換離并網功能。

(4)優選交直流母線電壓，減少能源轉換環節。調研各類負荷、電池、光伏等出口電壓(見圖3和圖4)，結合GB∕T35727—2017《中低壓直流配電網電壓導則》的標稱電壓值，優選直流電壓DC±375 V，交流電壓～230/400 V。優點：減少能源轉換環節、限制短路電流、減小電壓降，同時兼顧絕緣成本、提高廣適性。

圖3 直流電壓等級統計示意圖

圖4 交流電壓等級統計示意圖

(5)高可靠性交直流微網配置方案。

儲能單元：一臺站變對應2個儲能模塊(4.2 MW)，其中3個電池倉(1 MW/倉)通過能量路由器接入3個分裂繞組，一個倉通過PCS接入第4個分裂繞組。數據中心雙路交叉供電系統如圖5所示。

數據中心：采用分屬不同站用變下的交流400 V(常供)和直流±375 V(后備)雙路供電，在兩臺站變同時故障，或一臺站變及下屬儲能單元同時故障，可實現無縫切換不停電。儲能電池備用時間為120 min(N-2系統)。

負荷分配：Ⅲ級負荷采用單路供電，Ⅱ級負荷采用交直流雙路供電，I級負荷采用交直流雙路交叉供電，滿足各類負荷需求。

圖5 數據中心雙路交叉供電系統

6 結語

基于多端口能源路由器構建交直流一體微電網，統籌多站合一電源和負載，通過梳理智慧能源站的負荷容量、負荷特性，對交流電壓、直流電壓進行分析，選擇以交流400 V作為數據中心、變電站交流負荷的主供電源(雙重化供電)，以光伏、儲能直流±375 V作為變電站直流控制的主供電源(雙重化供電)、作為數據中心的備用電源。

取消變電站原有的站用交直流一體化電源，取消站用蓄電池組，取消儲能站的一體化電源，對三站進行合并及融合一體化電源。特別是對數據中心的服務器采用兩供兩備用站級UPS供電方式確保數據中心高可靠供電，儲能電池兼UPS蓄電池功能，蓄電池按30 min放電時間考慮，對數據中心的空調制冷等負荷和站內重要負荷的雙路400 V高可靠供電；同時接入光伏、直流充電樁，促進多站融合，微網控制器接受智慧站調度指令，微網控制器負責協調智慧站潮流合理及供電可靠。通過采用四分裂變壓器、大功率儲能PCS，即可限制短路電流，又能減少變壓器臺數，達到減資增效的效果。