邊遠站點電源保障系統研究與應用

北京特種工程設計研究院 李龍剛 任建平 劉惠文

1 項目概況

本項目地處我國西北某地區，屬于無人區，最近的市電電源是距離約為70km的一座220/35/10kV變電站。該地區光照資源較為豐富，年日照時間較長，日照百分率為60%～80%，日照6h以上的天數在250～325天，水平地表年太陽輻射總量為5000MJ/m2～6500MJ/m2，年平均為5800MJ/m2，根據當地氣象站統計數據，由Meteonorm軟件（一款瑞士開發的綜合氣候數據庫，分析各地的氣象資料軟件，其數據來源全球8325個氣象站、5顆同步氣象衛星以及WMO（世界氣象組織））得到該地區1～12月的輻射量(MJ/m2)數值分別為219.6、295.2、453.6、576、687.6、691.2、680.4、615.6、507.6、396、244.8、169.2，總計5536.8。

根據《太陽能資源等級總輻射》（GB/T31155-2014）太陽能資源評估方法，太陽能資源總量根據太陽總輻射資源總量劃分為四個等級（表1）。

表1 太陽能等級表

本工程場區年太陽輻射量為5536.8MJ/(m2.a)，資源豐富程度屬于資源很豐富等級。根據該地區氣象站多年風速資料，該地區每年2月～8月風速較大，9月～次年1月份風速較少，具有較明顯的季節變化特點。即春夏季風大，冬季風略小，1～12月風速（m/s）分別為1.5、2.0、2.6、2.8、2.7、2.5、2.4、2.3、2.0、1.7、1.4、1.3，年平均2.11。根據該地區多年觀測資料統計，平均最低氣溫-24℃、平均最高氣溫33℃、年平均降水總量77.7mm。

該項目主要用電負荷的安裝功率（kW）、工作時長（h/d）、耗能（kWh）有：冬季采暖用電約為30/24/720，水設備用電約為28/8/224，通信設備用電約為5/24/120，照明用電約為15/10/150，辦公工作用電約為5/10/50，合計安裝功率約為83kW，合計耗能1264kWh；夏季用電設備的安裝功率（kW）、工作時長（h/d）、耗能（kWh）有：夏季空調用電約為20/6/120，水設備用電約為28/8/224，通信設備用電約為5/24/120，照明用電約為15/10/150，辦公工作用電約為5/10/50，合計安裝功率約為73kW，合計耗能664kWh。

2 電源方案

本站點電源可以選用市電電源、太陽能光伏電源、風能發電，也可以采用柴油發電機組發電等方式。下面就四種電源在初期投入和全壽命階段的運行成本做綜合比較。

2.1 市電電源

根據《工業與民用供配電設計手冊》中的相關規定，各級電壓架空線輸送容量和距離的最佳的配置中，電壓等級（kV）、負荷量（MW）、輸送距離（km）分別為6/0.1～1.2/15～4、10/0.2～2/20～6、35/2～8/50～20、66/3.5～10/100～30、110/10～50/150～50。

本站點的冬季負荷為83kW，而夏季負荷73kW，按照最大的冬季負荷為最低保障條件，負載按83kW考慮。從線路損失方面考慮到不同等級電壓輸送電能對輸送距離的限制，可以選擇的電壓等級為35kV。以下以35kV架空線作為本站點供給電源進行配置計算。在變電站內設置一臺35/0.4kV的160kVA變壓器及相應的35kV和0.4kV配電裝置，主要設備數量和投資見表2，市電電源的設備總投資為1562萬元。可以看得出，投資大部分都是在線路上，約占比接近90%。

表2 主要材料及投資表

2.2 光伏電源

用電設備的安裝功率為83kW。按冬至日光伏全功率發電時間為4.0小時，光伏的轉換效率為0.9。儲能容量按照1天設置。光伏發電量應該大于1264kWh，則應設置光伏功率為352kW，考慮一定的余量，按照光伏的設置規模為500kWp光伏發電，儲能規模暫時按150kW×8h的容量配置。光伏板占地面積約為100×50m2，電池采用高效鉛晶電池，儲能單元采用集裝箱型式。主要材料及投資表見表3。

表3 主要材料及投資表

2.3 風能發電

本區域內地勢最高海拔2800米，最低海拔700米。屬于干旱的溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大、干燥少雨、地表植被稀少，有荒漠戈壁、丘陵山地、雅丹及沙漠等多種地貌。用電設備安裝功率為83kW，綜合考慮目前國內小風機制造商業績、技術成熟度、運行穩定性等因素，選擇FD25/100kW作為備選機型，該機型為低溫型風電機組，技術指標如下：額定功率100kW、功率調節方式為變槳變速調節、葉輪直徑25m、切入風速3m/s、額定風/11m/s、切出風/25m/s、極限風速52.5m/s、工作溫度-20～50℃、葉片數3、掃風面/490m2、發電機類型為永磁直驅、額定電壓400V、額定轉速50、高度42m。

儲能規模按150kW×8h的容量配置，電池采用高效鉛晶電池，儲能單元采用集裝箱型式。主要材料及投資表見表4。

表4 主要材料及投資表

2.4 柴油發電機組

設置柴油發電機組發電功率為125kW，耗油量為42L/h，日耗油量為1008L，按照一個月的存儲油量為30m3。主要材料及投資表見表5。

表5 主要材料及投資表

3 方案比較

方案比較基于電氣設備使用年限為25年考慮。統計近兩年的采暖日期為10月15日到次年4月15日，共計182天，春（4.15～6.30）、秋（9.1～10.15）季兩季共計121天不考慮采暖，夏（7.1～8.31）共62天為制冷天。夏天的制冷按每天6小時（其使用系數為0.25）計算，冬采暖按照使用系數0.6計算。

表6 主要設備耗能表

市電電源。設備初期總投資約為1562萬元。架空線長度為70km，年巡檢線路費用按4萬元/年計算，設備維修費按每年1.8%，即2.92萬/年，總的用電量195856度，線路損耗按1%計算，按照當地2021年現行電價為0.515元/度。可以算出一年的運行費用約為25.92萬元/年。運行25年的總費用為1816.5萬元，平均每年費用為72.66萬元。

光伏電源。設備總投資約為635萬元。碳晶電池的使用年限為5～8年，按5年完全更換一次，共更換4次，單晶硅光伏板的使用年限為25年，期間不需要更換，維修率按1%計算，需3.5萬/年，電池等設備日常維護量按1.5%考慮，需1.875萬/年，其它人工清掃按一人工資，每年工資3.6萬/年，25年總共費用約為1070.375萬元，平均每年費用為42.815萬元。

風能電源。設備總投資約為395萬元。碳晶電池的使用年限為5～8年，按5年完全更換一次，共更換4次，風力發電機使用年限為25年，期間不需要更換，維修率按3%計算，需5.4萬/年，電池等設備日常維護量按1.5%考慮，需1.875萬/年，25年總共費用約為861.875萬元，平均每年費用為34.475萬元。

柴油發電機組電源。設備總投資約為90萬元。柴油發電機組25000小時（34個月）大修一次，費用約為機組價30%～40%，按35%計算，約為7萬元，大修次數一般不大于3次，按2次后（即5年半）更換發電機組考慮，大修6次、更換機組3次，設備投資約為337萬元，日常維護按照2萬/年計算，25年需要50萬元。按照年需要的電量為195856度計算，每300ml柴油發一度電，年消耗油量為58.76m3，按2021年7月市面上的油價6.19元/L計算，年需要36.37萬元/年。25年總的費用為1296.25萬元，平均每年費用為51.85萬元/年。

各種電源性能比較。根據正常運行25年的數據分析，列出表7。

表7 性能比較表

4 結語

從上面四種電源的比較分析，不難看出：市電的主要造價在于線路部分，35kV線路在50km以內，安裝容量大于1000kW時，市電的初期投資大，但在運行中成本較低，綜合性價比較高；光伏發電初期投資較大，更換電池量較大，易受光照的影響，在新疆地區日照充足的地方有很大優勢，長期來看平均年耗資較低；風能電源需配一定量的蓄電池，并對所在場區風力情況有一定要求，風速在3m/S以上才能啟動，然而整個場區內年平均風速為2.1m/s，在很長時間內都有可能不能啟動發電；柴油發電機電源較為靈活，受天氣變化的影響不大，工作時噪聲大，靠燃燒柴油來發電，對油料的依賴大，需要油料的保障，在邊遠站點保障有一定難度。

在確定哪種方案作為應用方案時，不僅僅要考慮造價方面的問題，還要充分結合場區內的自然資源，并應該考慮電源的可靠性和穩定性問題。

綜上，經過經濟和技術的比較，本站點選用光伏發電為主要電源，同時考慮到在這里存在極端天氣，有可能連續存在陰雨天氣，光伏發電量不充足，設置相應容量柴油發電機作為備用電源，儲油量可以兼顧各站點車輛的油料保障。