變電站建筑與能源融合技術應用研究

摘 要：基于國家的雙碳發展戰略和構建新型電力系統的發展需求，變電站作為電網中的重要組成部分，亟須提升站內建筑物與能源融合的技術水平。現以220 kV全戶內變電站為依托，合理配置站內源、荷、儲比例，通過在變電站內組建一張直流微網，實現光伏、直流設備、儲能設備的應用和融合，可有效提高能源利用效率，推動變電站可再生能源應用，引導變電站建筑逐步實現近零能耗。

關鍵詞：直流微網；光伏；儲能；直流設備；220 kV全戶內變電站

中圖分類號：TM727" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）07-0074-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.019

1" " 建筑節能研究現狀

GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》明確了超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑“三步”能效提升技術路線，規范對近零能耗建筑有了更完善的定義和規定。根據標準的相關定義，近零能耗建筑是指適應氣候特征和場地條件，通過被動式建筑設計最大幅度降低建筑供暖、空調、照明需求，通過主動技術措施最大幅度提高能源設備與系統效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適的室內環境，且室內環境參數和能效指標符合本標準規定的建筑。其建筑能耗水平較相關國家標準和行業標準降低60%～75%。

國內外在建筑與能源融合綠色低碳方面的研究，主要以零碳建筑、零碳社區建設應用的方式開展。雖然已有近零能耗建筑的相關評價標準和技術標準，但國內研究還沒有針對電力系統的建筑節能技術進行深入分析和研究，沒有針對具體的實施技術方案和應用進行深入研究，也沒有對電網中的變電站開展相關深入研究[1-2]。

2" " 必要性分析

長期以來，變電站的可再生能源利用率較低，光伏等再生能源與變電站建筑的結合度不高，建筑光伏一體化、建筑電氣、光儲直柔供配電等方面的技術水平亟需提升。

為響應國家雙碳政策及新型電力系統發展要求，十分有必要對變電站建筑與能源融合技術開展研究。

3" " 體系研究

變電站建筑與能源融合技術研究主要包含以下幾方面內容：

1）綠色能源與建筑融合建設技術。

考慮在變電站建設中融入光伏、風電等可再生能源，接入變電站建筑內就地消納以降低變電站能耗。以運行過程的能耗目標定設備容量，結合數值模擬方法，確定各類可再生能源系統的應用規模，包括光伏、地熱能、光熱等，以及提高各類機電系統和終端用能效率的技術[3]。

2）儲能技術在變電站建筑上的應用。

變電站的運行負荷相對穩定，但是新能源的出力并不穩定，出力時段有限，為進一步提高新能源的利用率，可在能源技術的基礎上，結合變電站負荷情況合理配置儲能，進一步降低建筑能耗。

3）直流照明及直流配電設備的應用技術。

結合光儲直柔技術理念，提高建筑能源系統的“柔性”，增強源荷之間的協調性，形成建能融合技術體系。

目前，在變電站內建筑內用能設備大部分均采用交流配電。若在新能源接入后建設一張直流配電網，大量采用直流設備，一方面可以提高新能源的利用率，另一方面可以減小能量轉換帶來的損耗，同時還可以提高運行的可靠性和安全性。

4" " 實施技術方案

本文結合湖南地區新能源條件及220 kV戶內變電站典型布置方案，研究變電站建筑與能源融合實施技術方案。

4.1" " 充分配置新能源

湖南地區地熱資源不豐富，風資源受地理位置限制較為嚴重，戶內站基本布置在核心城區，風資源更加受限，故在湖南省內光資源是變電站配置新能源的較優選擇。

根據國網通用設計方案，220 kV全戶內變電站屋頂可布置光伏約200 kW，直流側210 kWp，容配比1.05，采用P型500 Wp單晶雙面雙玻光伏組件420塊，50 kW變流器4臺。建成后，首年發電量約為21.66萬kW·h，首年等效利用小時數為1 083 h。25年的總發電量約為507萬kW·h，25年年平均發電量20.28萬kW·h，年等效利用小時數為1 014 h。

4.2" " 合理配置儲能

經調研，220 kV戶內變電站正常情況下用電負荷約60 kW，負荷主要為空調負荷，夏季用電量高，冬季用電量小，負荷屬性和光伏發電趨勢一致。在夏季中午發電量較高時光伏發電容量將超過變電站自身可以消納的容量，造成光電上網或者棄光的情況。光電上送會給配電網帶來一定的不確定性，且涉及營銷部等多個管理部門，會增加工程建設和管理的復雜性和成本。合理配置儲能不但可以很好地解決管理上的復雜性及棄光問題，還可進一步提高新能源的利用率，從而有效降低建筑對外部能源的依賴。

根據光伏配置的情況，屋面光伏的年發電量約為20.28萬kW·h，夏季最大月發電量達2.88萬kW·h。通過計算，以不棄光、不上網為原則，建議站內配置2套186 kW/372 kW·h柜式儲能，按每天一充一放方式運行，每天在光伏發電高峰的4～6 h充電，其他時間放電。該方案可實現不棄光、光電不上網、綠電全利用，夏季光伏發電量可占建筑整體用電量的70%，年發電量可占年用電量的40%～50%。

4.3" " 直流微網的應用

目前，在變電站內建筑內用能設備大部分均采用交流配電，在不操作的情況下長期負荷主要為照明和空調負荷，長期負荷在60 kW左右。

市面上大部分直流變頻產品，比如空調、電梯、電機等等，雖成本稍高，但效率均顯著高于交流變頻產品，直流設備的應用必然成為未來末端用電設備的趨勢。而高效節能LED燈具的大規模應用，也使得直流照明更加具備推廣的普遍意義。直流設備的應用不僅本身能耗較低，直流便于控制的特性也使得直流設備在智能控制、遠程控制方面有更大的優勢，更加符合新型電力系統發展的方向[4]。

光伏發電過程中必然會經歷直流階段，儲能設備具備直流接口的能力，而在用能末端也存在直流階段，為避免頻繁的AC/DC及DC/AC轉換帶來能量的損耗，可在變電站內針對直流用電設備設置一段源、荷、儲共同作用的直流母線。利用DC/DC設備的轉換效率和可靠性普遍高于AC/DC設備的特點，將末端效率較低的AC/DC轉換裝置替換為大容量、高效率的集中DC/DC轉換設備，可大大提高新能源的利用效率[5]。

微網設計需考慮以下幾方面因素。

4.3.1" " 直流電壓等級的選取

根據調研分析，目前國內外直流配電工程直流母線電壓等級選取一般從兩方面出發，一是參考目前主流直流微網工程和應用場景需求的電壓等級，二是考慮微電網容量、輸送半徑、直流設備等因素。根據GB/T 35727—2017《中低壓直流配電電壓導則》規范要求，直流配電系統電壓等級選擇應考慮以下幾點：

1）直流配電系統電壓等級確定應堅持簡化電壓等級、減少變壓層次、優化網絡結構的原則。

2）直流配電系統電壓等級確定需要考慮與現有交流序列銜接，新能源、儲能和直流用戶等的便利接入。

3）直流配電系統電壓等級確定需要綜合考慮應用范圍、容量、供電半徑和安全性等。

根據變電站負荷分析，直流微網正常運行時最大直流負荷約為60 kW，屋頂光伏總裝機容量200 kW，儲能容量372 kW（儲能電池按0.5C考慮）。白天基本可實現清潔能源全消納，直流負荷零碳化。夜晚儲能所儲能量釋放完畢后，直流子微網需通過交流側供電，容量約為60 kW。直流負荷主要為直流空調、直流照明，主要電源為屋頂光伏，同時儲能具備為站用電提供備用電源的能力。

若選擇750 V直流母線，母線載流量可以控制在500 A內，相關直流開關設備均有成熟和常規產品可選，同時方便光伏、儲能等高電壓等級分布式電源接入，且目前AC380 V與DC750 V轉換裝置是常規設備，與380 V交流電壓序列配合更方便。

綜上所述，統籌考慮各方面因素，變電站直流微網主母線采用DC750 V。

4.3.2" " 直流單極與雙極接線形式特點分析

1）雙極性直流微網特點：雙極性直流系統含有正極、負極和零極3條母線，采用對稱結構，典型拓撲形式如圖1所示。

分布式電源和負荷饋線回路一般分別平均掛接在正極或負極母線上，一般情況下，正負極分別與零極母線構成回路獨立運行；通過正負極之間的級聯，可比較方便構成雙倍于單極母線的直流電壓等級；雙極直流母線運行方式靈活多樣，其供電可靠性相對較高。但雙極性直流微網正、負極對零極電壓的平衡是目前比較突出的問題。運行過程中出現負荷突變、間隙性分布式電源出力波動等暫態工況時，對直流母線正、負極對中線電壓的沖擊很大，容易使正負母線電位發生位移，導致電壓質量下降。這就對雙極直流系統的控制和保護策略提出了很高的要求，從而導致相關設備（包括變流器、控制保護等）價格過高，系統整體經濟性較低。

雙極直流微網適用于大功率、大容量，特別是需要長距離輸送功率的多電壓等級需求場景。我國目前軌道交通系統就多采用雙極直流供電方式，常見的有±375 V和±750 V系統，這兩種系統分別可同時構建750 V和1 500 V直流電壓等級，高電壓等級為大功率電力機車提供電源，低電壓等級為軌道交通站的其他直流負荷供電。

2）單極直流微網特點：單極性微網含有正極、零極2條母線，拓撲結構與控制策略均較為簡單，典型拓撲形式如圖2所示。

單極直流微網運行時由一組母線回路傳輸電能，其作為公共母線同時連接分布式電源和用電負荷，并網時通過AC/DC變換裝置連入大電網。這種微網結構容易組網，控制策略清晰，保護判據少、范圍小，能更快速隔離故障電流，且相較于雙極拓撲經濟性更優。但其網架靈活性不強，且如果僅依靠簡單的單極輻射式供電，可靠性較雙極方式略顯不足。

單極直流微網適用于規模容量相對較小、負荷相對集中的場景。對于變電站來說，簡化控制方式，盡可能縮小微網故障波及范圍，減少微電網對交流主網的影響，尋求經濟高效的運行方式更為重要。

目前，國內大部分已投運或試點的多合一能源站均采用單極直流母線形式，因此選擇單極直流母線接線形式。

4.3.3" " 拓撲結構

站內設一段750 V單極直流母線，將光伏、照明、儲能、空調等直流荷載接入該段母線，并通過兩套互為備用的AC/DC模塊分別接入站內2段交流母線。在直流體系內可以實現源、荷、儲的有效自洽，同時提高新能源的利用率，儲能還可作為交流母線的備用電源，在一定程度上提高變電站內站用電系統的供電可靠性。變電站內直流微網拓撲設計如圖3所示。

5" " 結束語

基于國家的雙碳發展戰略和構建新型電力系統的發展需求，變電站建筑物與能源融合技術水平亟須提升。本文以220 kV全戶內變電站為依托，通過在變電站內組建一張直流微網，實現光伏、直流設備、儲能設備的應用和融合，可有效提高能源利用效率，推動變電站可再生能源應用，引導變電站建筑逐步實現近零能耗。

[參考文獻]

[1] 住房和城鄉建設部科技與產業化發展中心.中國建筑節能發展報告（2020年）[M].北京：中國建筑工業出版社，2020.

[2] 低碳建筑評價標準：DBJ 50/T-139—2012[S].

[3] 王成山，王守相.分布式發電供能系統若干問題研究[J].電力系統自動化，2008，32（20）：1-4.

[4] 朱克平.適應于分布式電源接入的直流微網研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[5] 宋強，趙彪，劉文華，等.智能直流配電網研究綜述[J].中國電機工程學報，2013，33（25）：9-19.

收稿日期：2023-11-08

作者簡介：呂夷（1970—），男，湖南長沙人，正高級工程師，從事電力設計工作。