沈阳某66 kV变电站综合能源技术改造方案分析

姚文强，林辛烔，车 嘉，刘 涛

(沈阳电力勘测设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110021)

本项目以原有66 kV变电站为依托，创新建设模式，实现变电站、数据中心站、综合能源站集成融合与友好互动，实现能源流、数据流、业务流合一，提升电网综合效率效益，满足城市建设对能源、环境的综合要求。

项目建设方案为在沈阳某66 kV变电站建设由分布式光伏、储能电站等元素组成的微电网系统，结合5G基站，实现分布式光伏、储能电站、充电桩和5G基站的一体化智能应用。

1 屋面分布式光伏工程建设方案

本方案光伏电站装机容量为91.3 kWp，采用166块单晶硅550 W光伏组件，按容配比1.3配置接入1台70 kW组串式逆变器，以0.4 kV电压等级并入变电站低压母线[1]。

1.1 光伏系统整体方案

本方案装机容量为91.3 kWp，18块光伏组件1串，接入组串式逆变器，0.4 kV电压等级并入变电站低压母线。

本方案3楼屋面光伏采用固定倾角支架形式安装，混凝土配重块基础。1楼采光棚以组件平铺方式安装光伏组件(见图1、图2)。

1.2 年发电量计算

图3为光伏电站平面布置图，根据光伏组件电池组件25年衰减率，综合考虑阴影遮挡及系统损耗，计算得出25年分年发电量。年均发电量10.6×104kWh，25年总发电量265.07×104kWh。

2 储能电站建设方案

2.1 储能系统集成方案

储能电站方案是以磷酸铁锂电池作为储能器件，通过双向变流器实现交/直流电能变换和电能流向控制[2]，图4为储能电站控制原理图。

图1 3楼屋面光伏安装示意图

图2 采光棚改造后光伏安装示意图

图3 光伏电站平面布置图

储能系统100 kW/400 kWh，安装在室内，包含3个电池柜、1个变流器柜(PCS)及1个汇流柜。每个电池柜由1套电池管理系统来管理，每个电池箱由1个电池监测单元来管理，电池柜的高压直流总线汇流到高压电气汇流柜上，控制柜为每个电池柜提供CAN通信汇总接口，同时也可以通过以太网向电站能源管理系统上传电池数据和信息，也可接收电站能源管理系统下发的指令，并执行下发的指令[3]。

图4 储能电站控制原理

2.2 电芯设计

目前针对不同领域、不同需求，有多种储能技术目前可选电池包括铅酸电池、钠硫电池、液流电

池和锂离子电池等，锂电池性能对比如表1所示。

由表1可知，磷酸铁锂电池作为锂离子电池中的一种，具有能量和功率密度高、可靠性高、安全性高和没有污染等特点。本方案采用成熟的由全自动生产线生产的标准230 Ah磷酸铁锂(LFP)方形铝壳电芯为基本单元电芯，单体电池参数如表2所示。

表1 锂电池性能对比

表2 单体电池参数

2.3 电池箱设计

电池箱的设计是进行电池串联设计，根据电池箱的尺寸和所选的电芯，电池箱以16个电芯进行串联，串联后电池箱为1P16S，电压为51.2 V。

2.4 电池柜设计

电池柜内部主要安装电池箱、主控箱、配套电线电缆，主控箱包括电池管理系统、高低压电器保护件等。电池柜的设计采用分组分层设计，机柜外观采用免维护技术(见图5)。

图5 电池机柜组装示意图

2.5 BMS电池管理系统

图6为储能电站系统，图7为储能电站平面布置，400 kWh储能单元配置一套电池管理系统(BMS)，与储能变流器通信，对电池进行保护性充放电。BMS采用三级结构，包含电池系统管理单元(BAMS)、电池组管理系统(BCM)、电池检测单元(BMM)、电流传感器、继电器及附件等。每个电池柜由14个磷酸铁锂电池箱串联而成，由1套电池管理系统来管理。每个电池箱由16个230 Ah电芯通过1P16S方式进行成组，由1个电池监测单元来管理。3个电池柜的高压直流总线汇流到高压电气汇流柜上。控制柜为每个电池柜提供CAN通信汇总接口，同时也可以通过以太网向上层管理系统上传电池数据和信息，也可接收上级管理系统下发的指令，并执行下发的指令[4]。

图6 储能电站系统

图7 储能电站平面布置图

3 充电桩工程建设方案

3.1 主要技术原则

a.直流充电机功率为15 kW，1机1充。

b.乘用车车位按长6 m、宽2.8 m设计，通道尺寸应符合相关规范要求。

c.车位采用单列式布置。

d.充电桩优先使用光伏发电，其次由储能电站供电，当储能电站处于欠电状态时，由变电站站用变提供电源。

3.2 充电系统布置

本方案配置4台15 kW直流充电机，1机1充，同时为4辆电动乘用车进行充电。

3.3 供配电系统布置

配置1台0.4 kV分线箱(1进5出)，布置于变电站靠近围墙处。

充电桩电源引自储能电站交流母线，采用ZC-YJV22-0.6/1 kV-4x35+1x16 mm2交流电缆，经过1进5出0.4 kV交流出线箱，选用4根ZC-YJV22-0.6/1 kV-4x25+1x16 mm2电缆分别接至4台直流充电桩。充电桩平面布置图如图8所示。

图8 充电桩平面布置图

4 5G通信基站建设方案

5G基站架构体系图如图9所示，本方案配置1套5G基站设备，天线等室外设备布置在变电站楼顶屋面上，其他室内设备布置在变电站1楼空余房间内，设备电源由变电站低压侧提供[5]。

5G基站是5G网络的核心设备，本方案配置的5G基站主要为变电站及对外设备提供无线覆盖服务，确保有线通信网络和无线终端的无线信号传输。

图9 5G基站架构体系图

图10 系统组网图

5 智慧能源综合服务平台建设方案

5.1 系统组网方案

本项目智慧能源综合服务解决方案包括智慧能源综合服务平台、能源管理机、智能监测终端等，系统组网如图10所示。

智慧能源综合服务解决方案主要实现以下三大功能：①基于全方位综合能源监控；②安全生产、高效运维；③能量管理。

5.2 光伏电站部分平台管理方案

a.光伏电站概况及状态展示，图11为光伏系统显示页面示意图。

图11 光伏系统显示页面示意图

b.光伏电站告警管理。

c.智能诊断。

5.3 储能电站部分平台管理方案

a.储能数据采集

本方案通过RS485实现储能系统中PCS、BMS等设备、系统的运行数据和状态参数采集[6]，并实现PCS充放电控制。将PCS双向变流器的信息上传至智慧能源综合管理系统，并对故障信息进行记录和告警提示。将电池信息上传至智慧能源综合管理系统，并对故障信息进行记录和告警提示。图12为储能系统显示页面示意图。

图12 储能系统显示页面示意图

b.储能设备管理

将储能设备中电池运行状态、电池SOC、电池SOH、充放电模式、额定充电功率、电池SOC告警、当日充放电电量等信息进行实时数据展示。

将储能设备中储能逆变器：包括运行状态、电压值、电流值、频率、有功充放电功率、无功功率、功率因数、效率、充放电量统计及告警信息等进行展示。

根据储能运行情况，计算与展示储能充放电情况以及储能收益。

c.储能优化策略

综合分析光伏出力特性、负荷特性以及储能系统特性，分布式光伏储能的收益受其调度策略的影响。在每个时段，光伏功率首先供给负荷，建议经开储能充放电大致策略如下：①光伏出力充足且蓄电池处于欠电状态，剩余功率先给储能充电，如有多余则向电网售电；②光伏出力不足且是高峰时段，储能向负荷放电，如不足从电网购电；③光伏出力不足且是平或谷价时段，储能从电网购电。

5.4 充电桩部分平台管理方案

本方案通过RS485实现充电桩数据采集，实时监测、显示充电桩运行状态，同时对运行状态、充电历史数据进行存储。

5.5 站用变部分平台管理方案

本方案智慧能源综合服务平台可对站用变用能能效进行分析，智能分析功能主要针对站用变用能能效情况，给出一定的分析建议。

图13为统计峰谷平时间段用电量以及电费，错峰后节约用电以及电费显示。

图13 站用变用能能效分析示意图

6 低压并网接入系统

本项目分布式光伏、储能电站和充电桩通过并网柜接入变电站站用变0.4 kV母线侧。图14为66 kV智慧能源站系统。

图14 66 kV智慧能源站系统

7 结语

本项目充分利用现有变电站基础设施，实现可再生能源的就地消纳。通过示范项目探索一条充电场站、储能电站、5G基站与传统变电站有机融合的发展路径，打造可复制推广的节地、高效、绿色、友好的智慧能源站模式，将会产生显著的社会效益与经济效益。智慧能源站多能互补供能形式对国内其他变电站有着良好的示范作用，同时加快推动新能源汽车产业的发展。