基于國家重點研發計劃“低碳冬奧”項目的智能電網分布式電源案例分析

李 麗，張 楠

（1.北京京電電力工程設計有限公司，北京 豐臺 100070；2.北京電力工程有限公司，北京 豐臺 100070）

隨著電動汽車的快速發展，分布式發輸儲放技術、智能電網建設、及新能源交易方式的廣泛應用，基于物聯網的綜合能源服務近年來在全社會迅速發展，引發了能源系統的深刻變革，進而成為各企業新的發展戰略與合作焦點。

國網北京電力公司示范工程應用可移動電力適配器、寬電壓范圍高效率DC/DC充電機、能量協調控制系統等項目研發的新裝置和新技術，同時配置光伏發電和儲能系統。綜合實現交直流配網、分布式能源、儲能系統之間的互動融合與靈活調配，借助冬奧平臺向全社會示范推廣。

此外，分布式電源由于其固有特點隨機性和波動性，使得其自身也存在諸多問題。如何協調電網與分布式電源接入間的矛盾，進一步提升分布式電源的可控性，減少對電網的沖擊，是示范工程須解決的重點。

1 分布式發電技術

1.1 分布式電源

分布式發電（distributed generation, DG）是指直接布置在配電網或分布在負荷附近的發電設施。[1]分布式電源（distributed generating source,DGS）包括燃料電池、可再生能源光伏電池和風力發電等。

1.1.1 燃料電池技術[2]

燃料電池的工作原理是富含氫的燃料與空氣中的氧氣結合生成水，氫氧離子的定向移動在外電路形成電流，類似于電解水的逆向過程，它并不燃燒燃料，而是通過電化學的過程將燃料的化學能轉化為電能。目前已研究開發了5種燃料電池：聚合電解質膜電池（PEM）、堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、固體電解質燃料電池（SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（SOFC），其中磷酸型燃料電池（PAFC）是技術成熟且已商業化的燃料電池。

1.1.2 太陽能光伏發電技術

太陽能光伏發電系統由太陽能電池板、逆變器、配電箱及計量等相關附件構成。其工作原理是太陽能電池方陣在光照的條件下產生直流電，直流電通過逆變器轉換為交流電后并入低壓或高壓電網。目前屋頂式光伏發電技術已得到廣泛應用。圖1 為海坨110 kV變電站光伏項目效果圖。

圖1項目效果圖

海坨110 kV變電站光伏項目就是采用分布式屋頂光伏電站技術的應用。它采用薄膜Miasole120 W柔性電池板組件，根據延慶當地日照情況項目規劃建設容量為59.76 kWp。光伏電站通過2個并網點并網，容量均為29.88 kWp，峰值出力均約為29.88 kW。光伏電站發電量消納方式為全部自用。推薦光伏電站接入海坨110 kV 變電站站用變380 V 母線。圖2為接入系統示意圖。

圖2 接入系統示意圖

2 示范工程應用分析

2.1 技術特點

冬奧延慶專區交直流混合配網示范工程的設計遵循安全可靠、綠色低碳的原則。

通過直流系統實現兩條10 kV 交流線路在低壓側的合環，提高配電網系統潮流可控性，兩條交流線路間可進行能量互濟，降低系統備用容量、提高設備利用率。

可移動電力適配器具備多電壓端口，在負荷中心提供動態無功支撐、接入應急電源、臨時負荷，實現緊急功率支援。

采用直流供電技術，不存在無功和諧波等方面的問題，降低電網網損，提高電能質量。

在低壓側，通過光伏、儲能、負荷間的協調控制，可以更好地接納分布式電源、緩解負荷波動對交直流配電系統的沖擊。

2.2 示范工程電氣系統設計

2.2.1 場址選擇

示范工程位于山地媒體中心附近的永久停車場西南角如圖3所示。

圖3 示范工程位置及位置及周邊設施

2.2.2 負荷預測

初步擬建設6 臺7 kW 交流充電樁、4 臺60 kW直流充電樁和2 臺180 kW 直流充電樁，為山地媒體中心落客區的電動大巴車和電動乘用車供電。直流充電樁總容量600 kW，考慮電動車同時滿功率充電的情況較少且直流充電機具備限功率功能，充電同時系統取0.9，直流充電設備負荷為540 kW；交流充電樁總容量為42 kW；監控系統、空調等站用負荷約58 kW；總負荷為640 kW?？紤]變流器的自身損耗，充電負荷預計為700 kW，如圖4所示。

圖4 負荷預測圖

2.2.3 電氣系統設計

示范工程兩路10 kV 線路來自山地媒體中心10 kV 電纜分界室不同10 kV 母線。一路10 kV 線路經箱變降壓到380 V 后，向交流母線和交直流雙向變流器供電；另一路直接接入可移動電力適配器，轉換為380 V交流和750 V直流為交流母線和直流母線供電。系統在交流側接入6套7 kW交流充電樁和1 套1 MWh 儲能系統，在直流側接入4 臺60 kW 直流充電樁、2臺180 kW直流充電樁和1套9 kW光伏系統。直流線路兩端通過兩臺交直流換流器與交流線路相連，構成交直流背靠背系統?？傮w框架詳如圖5所示。

圖5 方案的系統總體框架

示范工程電氣系統包括示范工程區域內的外電源模塊、直流模塊、儲能模塊、光伏模塊和換流器模塊。其中：直流模塊為直流充電樁設備；分布式能源光伏系統安裝在可移動電力適配器、充電站變流器和儲能系統3個集裝箱箱頂，總容量9 kW。光伏組件采用薄膜光伏，便于拆裝、對集裝箱箱頂稱重要求較小且不會破壞箱體的防護等級。儲能模塊采用東杏園變電站的1輛移動儲能車，1組500 kWh電池經儲能變流器接入交流系統，1 組500 kWh 電池經儲能DC/DC接入直流系統。

2.3 工程建設方案

2.3.1 預期建設效果

示范工程的設計效果圖如圖6 所示，示范工程主要包括可移動電力適配器集裝箱、變流器集裝箱和儲能集裝箱3臺集裝箱、1臺箱變、6個直流充電樁和6個交流充電樁。

圖6 效果圖

2.3.2 總平面布置

充電站地面積約為300 m2，平面布局如圖7 所示，其中可移動電力適配器占地13.5 m×4.1 m、總重量約20 t，變流器集裝箱占地11 m×4.2 m、總重約15 t，儲能集裝箱占地12.5 m×2.5 m、總重約25 t；箱變占地7 m×5 m；大巴車停車區占地21 m×13.5 m（6車位）、乘用車占地21 m×13.5 m（6車位）。

圖7 平面布置圖

3 效益與展望

本項目建設將實現延慶東奧專區內電力消費100%來自可再生能源，供電可靠性≥99.99%，將為2022 年北京冬季奧運會提供可靠、綠色的電力供應。未來分布式能源供應將引領21世紀電力工業發展的方向，建立新型電力公司與用戶的關系體系，妥善研究和制定與分布式發電有關的法律、法規和技術規范，推動清潔能源上網發電。當前分布式發電技術研究已進入深水區，今后的研究重點集中在如何將分布式電能平穩上網，進一步提升其可控性，是每一位電力技術人員認真思考的課題。