胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

摘要：為了推動光伏發電和電動汽車的發展，在土地資源日益緊缺的城市區域，需合理共享現有土地資源，實現資源大化利用。城市變電站由于其合理的分布密度以及便利的接入條件，對于建設分布式光伏發電、充換電站具有很好的優勢。可利用變電站舊站改造以及新建的機會，在變電站內配套建設分布式光伏發電與充換電站。針對“變電站+分布式光伏發電+充換電站"的能源互補建設模式，結合具體工程實例，講述設計原理，為這種創新建設模式提供一份參考。

關鍵詞：分布式光伏發電；充換電站；變電站；電動汽車

0引言

出于對能源緊缺和環境保護的重視，能耗低、無污染、噪聲低的電動汽車受到愈來愈多的鼓勵和支持，但是續航里程和充電便捷性構成了純電動汽車發展的兩大瓶頸。充換電站、充電樁等充換電設施是電動汽車發展中不可少的基礎設施，其重要性日漸突出。城市大型充換電站高昂的前期建設成本也是阻礙電動汽車普及和發展的一個因素。與變電站相結合的建設，可以合理降低建設運營成本，為推動電動汽車的發展貢獻一份力量。光伏發電作為一種重要的綠色清潔分布式能源也逐漸由獨立系統朝大規模并網系統方向發展。同時，分布式發電具有占地小、投資少、建設周期短等特點，近些年得到了大規模的發展。本文利用變電站舊站改造的機會，在變電站中加入分布式光伏發電系統、充換電站，踐行了綠色、環保、節能的發展理念，取得了可復制推廣的建設經驗，前景十分廣闊。

1主要建設原則

我分布式光伏發電建設思路：可以根據太陽光照條件因地制宜地充分利用太陽能，當地使用、當地并網，有效解決了光伏發電的并網問題，以及長距離輸電的損耗問題。

主要電氣設備一般包括光伏電池組件、逆變器、匯流箱、交流配電柜等。通過合理布置光伏板，使光伏電池組件更好地接收太陽光照射，將太陽能轉化為直流電能。根據逆變器輸入回路MPPT及電壓、電流限制，合理對光伏電池組件組串，接入逆變器。由逆變器將直流輸入電源逆變成交流電源。逆變器輸出電源通過匯流箱、交流配電柜、變壓器等，根據分布式光伏發電量的大小，合理選擇并網電壓等級，按照就近使用的原則接入電網。充換電站建設：需要根據充電站規模合理布置充電樁車位，并設置換電池車位，更好地滿足快速充電的需求。

充換電站在建設時可綜合考慮屋面光伏的布置，在建設時增設光伏組件固定所需的基礎埋件，并滿足安裝組件設備等荷載要求，為后期組件的安裝提供便利的條件。充換電站一般選用非車載快充，需要配套建設1臺箱式配電站，10kV外接電源接至箱式配電站內10kV母線。箱式配電站內設備包括10kV進線柜、出線柜、變壓器，0.4kV進線計量柜、低壓出線柜。低壓出線柜出線至戶外落地式配電柜，由配電柜分配充電樁及其他負荷用電。因充電樁采用高頻開關整流模式，可實現有源功率因數校正功能，因此，可不單獨設置濾波裝置及無功補償。充電站內設置系統監控、視頻監控、火災報警等，充電機內配置交、直流電能表等計量計費裝置。

2工程概況

本文以廣州某110kV變電站改造工程為依托，在該變電站改造之際，征得相關單位同意后，合理增設充換電站并配套建設分布式光伏發電。

分布式光伏發電具體設計過程如下：①經過現場勘測及查看首期結構資料，確定屋面荷載是否滿足本期加裝光伏板結構要求，得知充換電站及部分配電裝置樓屋面可利用面積約900m2。②光伏組件選擇方面。通過對比幾種常用的太陽能電池，定于選用轉換效率高、性能穩定、使用壽命長、故障率低且性價比高的容量為295Wp的單晶硅組件。③光伏組件布置方面。光伏組件在混凝土屋面沿南北向布置，并考慮屋面建筑物光照遮擋的因素，按當地光照條件佳傾角15°安裝，以大限度地利用太陽能。屋面可安裝360塊光伏組件，實現裝機容量為106.2kW。④逆變器的選擇方面。選用的逆變器需具有一定的環境適應能力、抗干擾能力、過載能力、功率因素調整及各種保護功能。同時，需要實現畸變小、頻率波動小、交流輸出電壓穩定、輸出效率高；低電壓穿越能力、孤島保護、低電壓穿越、短路保護等功能，內部輸入側直流以及輸出側交流均需加裝防雷保護。外殼防護等級IP56、同時需要具備良好的環境溫度特性，即耐熱、耐雨、防老化以及高溫下較高的輸出效率。本工程選用2臺50kW逆變器，輸出380V交流電壓。⑤配電箱的選擇方面。配電箱內部斷路器根據額定電壓、電流進行選擇，并經過短路校驗。為了保護設備在遭受雷電或其他瞬時過電壓時免于損害，內部需設置SPD防浪涌保護。同時由于避免瞬時故障導致斷路器跳閘，需設置自動重合閘電源保護器，可減少線路停電時間、次數、糾正誤跳閘，提高供電的可靠性。同時為計量光伏上網電量，需在配電箱內配置三相計量表。由于本項目裝機容量小于1MW，選擇0.4kV電壓就近接入電網系統。配電箱接至充換電站箱式配電站內0.4kV側，可實現光伏發電并網。⑥電纜的選擇及敷設。根據線路載流量大小合理選擇電纜截面，逆變器至配電箱之間電纜選用ZR-YJV22-0.6/1kV-4×35+1×16。配電箱至光伏并網柜之間電纜選用ZR-YJV22-0.6/1kV-4×70+1×35；光伏直流電纜選用光伏線纜PV1-F-1×4mm2。組件下方的線纜，直接用扎絲綁扎在支架上，無組件的地方槽盒內敷設。在電纜槽盒內敷設的線纜在進入和引出槽盒時，需金屬管保護。槽盒內電纜有高差處，應防止電纜的拉斷，每隔1.5～2m用1～2mm厚的銅帶或鋁帶電纜卡固定1次，同時槽盒轉彎處需滿足電纜轉彎半徑的要求，并注意避免刮傷電纜防護外套，以保證電纜的安全穩定運行。⑦防火封堵設置。直流線纜與交流電纜分別設置獨立槽盒，同一槽盒里放置多層電纜，需用防火隔板隔開。電纜進出防火槽盒需刷防火涂料，槽盒接頭處及中間段做防火封堵。電纜進出配電柜設備底部及電纜溝、穿墻開孔處均需做好防火封堵。⑧接地設置。屋面光伏組件支架及屋面電纜槽盒、屋面逆變器、配電箱等金屬外殼需采用50×5鍍鋅扁鋼可靠焊接，形成等電位接地網。并沿建筑物墻面向下每隔20m明敷接地引下線，引下線敷設至地面以下與建筑物水平接地網連接，并在連接處設置L=2.5m垂直接地極；使接地電阻值滿足小于4Ω。如果不能滿足，則需要增加降阻劑或將接地網引至電阻率較低的地方。

充換電站具體設計過程如下：①根據充換電站建筑規模，共設置5個充電車位，1個換電車位；電池充電可在電荷低谷期進行，避開負荷高峰期合理降低電力成本。②充電樁的選擇方面。為了滿足更多電動車用戶的需求，本項目選擇可以快充的落地式直流充電樁。充電樁外殼防護等級為IP54、耐熱、防潮、耐低溫、耐老化、耐撞擊，良好的絕緣特性，外殼及電纜都要具有阻燃性能。本項目選用配置5臺60kW非車載一體式充電機，充電機主要技術參數為額定功率60kW、輸出電壓350～700V、輸出電流2～120A、功率因素≥0.98、效率≥0.93.同時，充電機內配備直流電能表，電度計量表準確等級不低于1.0級同時應具備分時計費功能。③箱式配電站的選型及布置。依據充換電站用電負荷以及光伏發電量，本工程選用1臺400kVA的干式變壓器，10kV側選用負荷開關柜配置1臺10kV進線柜、1臺出線柜，形成單母線接線。0.4kV側配置1臺進線計量柜、2臺低壓出線柜，采用固定式低壓柜單母線接線。1臺出線柜接至充電站內充電機配電柜、1臺低壓出線柜作為光伏并網柜。箱式配電站內配套設置直流屏以及DTU等二次保護及自動化設備。箱式配電站設置在充換電站旁，周圍設置護欄，外殼防護等級為IP54。④戶外落地式配電柜的選擇。額定輸入電壓Un=AC380V，額定輸入電流In=630A，防護等級為IP54。柜內開關設置為1進9出，根據配電設備選型原則選定各路開關大小。配電柜設置在箱式配電站旁，聯絡低壓出線柜與充電樁，為充電樁提供電源。⑤電纜的選擇。低壓出線柜至配電柜采用2根ZR-YJV22-4×120+1×70截面電纜埋管敷設；配電柜至各充電樁電纜選用ZR-YJV22-4×35+1×16截面電纜沿電纜溝敷設；其他站用電回路電纜截面根據電流大小配置。⑥其他配套建設內容。照明、通風、空調、充電監控、視頻監控、火災報警、通信等功能需同時配套建設。充換電站、分布式光伏發電接入系統配電接線圖如圖1所示。

3Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統

3.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

3.2平臺適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

3.3系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構

4充電站微電網能量管理系統解決方案

4.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖1系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

4.1.1光伏界面

圖2光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

4.1.2儲能界面

圖3儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖6儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖8儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖10儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

4.1.3風電界面

圖12風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

4.1.4充電站界面

圖13充電站界面

本界面用來展示對充電站系統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

4.1.5視頻監控界面

圖14微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

4.1.6發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖15光伏預測界面

4.1.7策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態擴容等。

具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖16策略配置界面

4.1.8運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

4.1.9實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

4.1.10歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

4.1.11電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖20微電網系統電能質量界面

4.1.12遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

4.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

4.1.14統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖23統計報表

4.1.15網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

4.1.16通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖25通信管理

4.1.17用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖26用戶權限

4.1.18故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖27故障錄波

4.1.19事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故*10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶隨意修改。

4.2硬件及其配套產品

5結束語

本次在廣州某110kV變電站改造工程中配套建設充換電站及分布式光伏發電系統，響應了發展清潔能源政策的號召，積極發展新能源，充分利用現有變電站屋頂、充換電站車棚屋頂建設分布式光伏發電系統。分布式光伏發電可就近補償充換電站內用電，降低了光伏發電在變壓器升壓及長距離輸送中的損耗；同時，減少火力發電煤炭消耗量和二氧化碳排放量，實現能源“綠色發展"。充換電站的建設，由于充電樁選用直流快充技術，可以為電動汽車提供方便快捷的充電服務，合理緩解充電難、充電慢的問題。“變電站+分布式光伏發電+充換電站"的建設模式探索，為未來深入地研究新能源綜合建設模式提供了一個思路，建設經驗值得推廣。但在建設時，需合理評估其對電網及變電站帶來的影響，在保證電網安全穩定的前提下，合理展開綠色建設模式的探索與實踐。

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