多站融合交直流微网系统研究

毛卓越

(浙江华云清洁能源有限公司，浙江 杭州 310010)

智慧能源站以新建变电站为依托，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[1-4]。智慧能源站可为供电区域或用户提供高品质综合能源供应，是政府引领，多方投资建设模式的具体实践，是响应智慧城市、智慧园区建设的智慧能源关键环节，亦是国家电网泛在电力物联网建设的重要组成部分。

1 建设多站融合智慧能源站的意义

建设多站融合智慧能源站的意义具体如下。

(1)具有削峰填谷功能，优化负荷曲线，缓解该区域峰谷差过大带来的运行压力。

(2)城市新开辟土地建设充电站难度较大，充电桩与变电站融合可以减少配电网线路及减少线损。

(3)传统数据中心面临运营成本、能源消耗、使用效率等诸多问题，企业构建新一代绿色数据中心或选择第三方专业绿色数据中心，是企业信息化发展到一定阶段的必然要求，数据中心靠近变电站或储能电站，可以靠近电源中心，供电可靠性高。

对多站融合智慧能源站电气主接线与低压交直流微网系统进行研究，采用基于多端口能源路由器构建交直流一体微电网，统筹多站合一电源和负载，通过梳理智慧能源站的负荷容量、负荷特性，对交、直流电压进行分析，选择以交流400 V作为数据中心、变电站交流负荷的主供电源(双重化供电)，以光伏、储能直流±375 V作为变电站直流控制的主供电源(双重化供电)、作为数据中心的备用电源。智慧能源源规模情况见表1。

表1 智慧能源源规模情况

2 智慧能源站交直流一体化电源配置

智慧能源站由变电站、储能站、综合能源站(光伏电站、数据中心)等组成，常规各站均有一套一体化电源系统。

2.1 变电站交直流一体化电源

变电站站用电源交直流一体化系统在电气方面主要由交流电源系统、直流电源系统、逆变电源系统、通信电源系统这四项分系统组成。

2.1.1 交流电源

变电站站用交流电源系统根据变电站无人值班要求，采用双电源智能化自动切换开关(ATS)实现对交流电源进线的监测和控制。ATS开关不仅两路交流电源进线开关分合实现电气闭锁，而且还实现机械闭锁，这从根本上保证了电源的安全可靠切换，并且站用变备自投保护装置可取消[5-8]。交流进线模块集电源智能监控单元、进线开关、ATS开关、电流互感器、智能电路于一体；交流馈线模块集开关、电流传感器、智能电路于一体。供电电源为AC400V。

2.1.2 直流电源

直流系统可分为充电模块、直流母线绝缘监测模块、带绝缘监测的直流馈线模块、蓄电池监测模块、直流总监控模块、直流蓄电池。供电电压为DC±220/110 V。

2.1.3 逆变电源系统

逆变电源模块由整流器、逆变器、静态开关、手动维修旁路开关、调压变压器、本机液晶监视器、本机诊断系统构成。常规变电站有监控逆变电源与事故照明逆变电源，供电电源为AC220V。

2.1.4 通信电源系统

通信电源系统由DC/DC电源模块、直流馈线模块构成。部分变电站自带通信蓄电池，常规通信电源系统供电电压为DC±48 V。

2.2 储能电站交直流一体化电源

储能电站站用交直流一体化系统在电气方面主要由交流电源系统、直流电源系统。交流电源系统主要于用照明、动力空调等负荷，供电电源为AC400V。直流电源用于控制系统，可选为DC±220/110 V。

2.3 数据中心一体化电源

数据中心根据现行的国家标准GB 50174—2017《数据中心设计规范》的规定划分为A，B，C三类等级。设计时应根据数据中心的使用性质、管理要求及其在经济和社会中的重要性确定所属级别。交流电源系统主要于用照明、动力空调等负荷，供电电源为AC400V。

数据中心供配电系统设计应包括：配变电系统、备用电源系统、不间断电源系统等。本文为B级数据中心，根据T/CECS 486—2017《数据中心供配电设计规程》供配电系统应按冗余要求配置电源。UPS的自带蓄电池，B级数据中心机房放电时间应不小于15 min。

数据中心电源常规有交流或直流供电方式，交流较为常见，根据数据中心的等级，A级数据中心供电多采用2路市电(带UPS供电)+1路油机的供电模式。本文为B级数据中心采用2路市电并带UPS供电的方式，放电时间按不小于30 min考虑。

3 智慧能源站交直流负荷统计

3.1 变电站负荷统计

变电站站用电源规划常规采用2台站用变压器，分别引自10 kVⅢ段母线和站外电源。1台站用变从10 kVⅢ段母线引接，另一台站用变电源引自站外10 kV线路，两台站用变互为备用，站用电采用380/220 V单母线分段接线。

变电站负荷常规有动力负荷、电热负荷、照明负荷，根据计算220 kV变电站负荷为400 kVA。

3.2 储能站负荷统计

储能站负荷主要为空调、照明负荷，常规由于储能DC/AC经400 V升压至10 kV或是直接通过400 V并网，常规的站用变电电源采用400/230 V。根据储能电站的规模，负荷各不相同，根据以往工程可根据储能站的容量按2.5～3%的站用率估算，本期储能站的容量为8.4 MW/16.8 MWh，根据负荷计算需要站用电约200 kW，主要为空调负荷。

3.3 数据中心负荷统计

数据中心负荷主要为数据中心服务器、空调、照明负荷，本文为B级数据中心，根据《数据中心供配电设计规程》T/CECS 486—2017 供配电系统应按冗余要求配置电源。UPS的自带蓄电池，B级数据中心机房放电时间应不小于15 min。

根据数据中心的规模，本期部署2个微模块(每个微模块包含216台服务器)，终期按部署9个微模块考虑，功率密度为10 kW/Rcak。

每面机柜可布置15～18台服务器，即每个微模块12～15面机柜，每个微模块约需要150 kW的负荷。另根据空调制冷比率，风冷机房一般PUE为1.6～1.7，所以总的机柜负载=1.7×150 kW×9=2 295(kW)。其中，服务器功率150 kW×9=1 350(kW)，此部分负荷需要两路供电，并带蓄电池不间断UPS电源；空调制冷功率为0.7×150 kW×9=945(kW)，此部分负荷需要采用双路电源供电，不需不间断UPS电源。

4 智慧能源站一体化电源研究方案

4.1 直流电压的选择

220 kV智慧能源站工程包含的工程由变电站、储能站、数据中心、充电站以及分布式光伏部分等组成。Q/GDW480—2010《分布式电源接入电网技术规定》中分布式电源接入系统原则指出，分布式电源接入电压等级宜按照：200 kW及以下分布式电源接入380 V电压等级电网。

GB/T35727—2017《中低压直流配电网电压导则》征求意见稿中低压直流配电系统的标称电压优选值分别为3 000，1 500和750 V。在选择直流配电电压等级时,应综合考虑多方面因素,不能选择过高的电压等级,增加电气绝缘成本和降低兼容性。同时，选择的电压等级也不能太低,以免造成配电距离过短。

由于光伏为屋顶分布式光伏，每个屋顶的光伏容量均小于200 kW，结合其发出的为直流电，本文考虑采用DC±375并网。

充电桩分交流充电桩与直流充电桩。交流充电桩体积一般比直流充电桩小，因为它的充电速度比直流慢一点，也就是说交流充电桩只提供电力输出功能，而没有充电功能，连接时候与车上面的充电机为汽车充电。也就是说它需要借助车载充电机来充电，因此它的功率一般不会很大，一般为3.5，7，15 kW等。直流充电桩由于输出功率大，一般规格有30，60，80，120，150 kW等，常规输入为AC380V经整流为400～750VDC可调的电压。智慧能源站由于储能电池及光伏，可以采用DC±375 V作为输入电压，直流充电桩可减少AC/DC输入模块。

电站控制及保护直流电压目前有两种，分别为110 V直流系统与220 V直流系统，根据智慧能源式的情况，由于配电装置相对较远，为满足控制操作回路的允许电缆压降值，不必增加直流电缆的截面，本文采用DC/DC模块通过变换至负荷中心。本文220，110 kV的开关设备为GIS，其操作机构为弹簧机构或液压机构，10 kV真空开关也采用弹簧操作机构，因此没有直流动力负荷、也没有冲击负荷。

本文综合考虑分布式电源光伏接入、充电桩和负荷需求，低压直流电压定为DC±375 V。

4.2 交流电压的选择

一般交流电常用的电压有：110 V，220 V，380 V，3 kV，6 kV，10 kV，由于智慧能源式，主变低压侧为10 kV，而交流低压电压常规均采用220/380 V，即低压400 V，因此交流电压采用AC400V。

储能电池采用串并联至DC：600 V-876 V(额定电压750 V或±375 V)再经PCS装置DC/AC至交流400 V后通过升压变压器至AC10 kV与电网相连。

4.3 PCS与储能变压器的选择

储能变流器(Power Conversion System，简称PCS)可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。PCS由DC/AC双向变流器、控制单元等构成。PCS控制器通过通信接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。PCS控制器通过CAN接口与BMS通信，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。目前市场上有250，500，600，1 000 kW各种类别，本文选择1 000 kW的规格。

储能变压器常规采用SCB3-2500/10，电压比为10/0.4 kV，容量2 500 kVA，阻抗值为6%。对于经济性来说，采用的变压器容量应该越大越好，减少变压器的数量，减少高压开关柜等一次设备。如采用3 150 kVA容量变压器，采用10/0.4 kV，那么低压侧额定电流有4 547 A。根据断路器的选择情况，需采用6 300 A断路器，市场上成熟产品很少、厂家定制价格也高，且在短路阻抗6%情况，低压侧短路电流达75.7 kA(若需采用高阻抗变压器，则变压器损耗大，不经济)，若考虑0.4 kV有并列情况，则短路电流达151.4 kA，总进线开关需要配置分断路能力100 kA以上的开关，出线断路器的极限分断能力要150 kA，成本也很高。

综上所述，储能变压器主要受限于低压侧容量，变压器容量在2 500 kVA基本是极限容量。若想考虑采用大容量变压器需要另辟蹊径，比如采用特殊变压器——分裂变压器。分裂式绕组变压器是指每相由一个高压绕组与两个或多个电压和容量均相同的低压绕组构成的多绕组电力变压器。分裂变压器正常的电能传输仅在高、低压绕组之间进行，而在故障时则具有限制短路电流的作用。几个分支容量相同，额定电压相等或接近，可以单独运行或并联运行，可以承担相同或不同负载。当某一个低压绕组上所连接的负荷或电源发生故障时，其余低压绕组仍能正常运行。各分裂绕组之间没有电的联系，磁的耦合也相对较弱。分裂支路之间应具有较大的阻抗，而分裂支路与不分裂绕组之间应具有相同的阻抗。

通常把低压绕组作为分裂绕组，分裂成2个或4个支路，线端标志为小写字母加数字。不分裂的高压绕组由两个并联支路组成，线端标志不变。各分裂绕组的总容量就是该分裂变压器的额定容量。具有两个低压绕组的分裂变压器通常称为双分或四分裂变压器，其低压绕组的布置方式有辐(径)向分裂和轴向分裂两种。

与普通变压器相比，分裂变压器有如下特点。

(1)限制短路电流的作用显著。当分裂绕组一个支路短路时，短路电流经过半穿越阻抗。半穿越阻抗等于高压绕组和一个分支短路阻抗之和，等于一加上四分之一倍的分裂系数，乘以穿越阻抗。也就是说半穿越阻抗比穿越阻抗大了四分之一分裂系数倍的穿越阻抗，也就是比普通变压器的短路阻抗大，因此短路电流小。

(2)有利于电动机自起动条件的改善及损耗低。分裂变压器的穿越阻抗比普通变压器的短路阻抗小，所以流过起动电流时变压器的电压降要小些，允许电动机起动容量大些，变压器损耗低。

(3)当分裂绕组一个支路发生短路故障时，另一个支路的母线电压降很小，即残压较高，这是分裂变压器的主要优点。分裂变压器相比2台变压器，造价较低，具有一定的经济性。

综上所述，采用SCB13-5000 kVA/10 kV，D/y11×4,Ud=6%,10±2×2.5%/0.4。采用2台5 000 kVA的容量四分裂变压器与本期储能电池的8 MW刚好匹配，变压器的容量匹配储能电池与数据中心、充电桩和变电站的负荷。

5 交直流混合配电网方案

交直流配电网架构图如图1所示。

图1 交直流配电网架构图

在统计各子站负荷、梳理电源需求的基础上，提出基于四分裂变压器、多端口能量路由器构建交直流一体化微网系统，统筹配置站用电系统。构建站级UPS电源，数据中心服务器采用“三双接线”供电，双电源、双线路、双接入，实现N-2情况下无缝切换不停电。

(1)采用四分裂变压器，减少变压器与开关柜，限制短路电流。本站交直流负荷统计情况如图2所示，远期交直流负荷超2 500 kVA。考虑单台站用变带全部负荷情况，优化选用5 000 kVA站用变带四分裂绕组，限制低压侧短路电流到59 kA以内(并列运行)，低压空开选取2 500 A。相比可研，本期减少变压器和高压开关柜各2台，节约投资60万元人民币。

图2 交直流负荷统计图

(2)利用储能电池搭建站级UPS电源，显著提高供电可靠性。取消变电站和数据中心的蓄电池，采用储能电池作为智慧能源站的不间断电源，搭建站级UPS电源系统(交直流双路交叉供电)，实现N-2情况下无缝切换不停电，显著提高供电可靠性，减少项目投资180万。

(3)采用能源路由器技术，构建交直流柔性混合网。多端口能量路由器相比常规PCS逆变单元增加一级DC-DC环节，在站用电失去后克服电池放电后期端电压下降的缺点，始终保证直流母线电压恒定。同时实现对分布式电源、柔性负荷友好接入，具备柔性切换离并网功能。

(4)优选交直流母线电压，减少能源转换环节。调研各类负荷、电池、光伏等出口电压(见图3和图4)，结合GB∕T35727—2017《中低压直流配电网电压导则》的标称电压值，优选直流电压DC±375 V，交流电压～230/400 V。优点：减少能源转换环节、限制短路电流、减小电压降，同时兼顾绝缘成本、提高广适性。

图3 直流电压等级统计示意图

图4 交流电压等级统计示意图

(5)高可靠性交直流微网配置方案。

储能单元：一台站变对应2个储能模块(4.2 MW)，其中3个电池仓(1 MW/仓)通过能量路由器接入3个分裂绕组，一个仓通过PCS接入第4个分裂绕组。数据中心双路交叉供电系统如图5所示。

数据中心：采用分属不同站用变下的交流400 V(常供)和直流±375 V(后备)双路供电，在两台站变同时故障，或一台站变及下属储能单元同时故障，可实现无缝切换不停电。储能电池备用时间为120 min(N-2系统)。

负荷分配：Ⅲ级负荷采用单路供电，Ⅱ级负荷采用交直流双路供电，I级负荷采用交直流双路交叉供电，满足各类负荷需求。

图5 数据中心双路交叉供电系统

6 结语

基于多端口能源路由器构建交直流一体微电网，统筹多站合一电源和负载，通过梳理智慧能源站的负荷容量、负荷特性，对交流电压、直流电压进行分析，选择以交流400 V作为数据中心、变电站交流负荷的主供电源(双重化供电)，以光伏、储能直流±375 V作为变电站直流控制的主供电源(双重化供电)、作为数据中心的备用电源。

取消变电站原有的站用交直流一体化电源，取消站用蓄电池组，取消储能站的一体化电源，对三站进行合并及融合一体化电源。特别是对数据中心的服务器采用两供两备用站级UPS供电方式确保数据中心高可靠供电，储能电池兼UPS蓄电池功能，蓄电池按30 min放电时间考虑，对数据中心的空调制冷等负荷和站内重要负荷的双路400 V高可靠供电；同时接入光伏、直流充电桩，促进多站融合，微网控制器接受智慧站调度指令，微网控制器负责协调智慧站潮流合理及供电可靠。通过采用四分裂变压器、大功率储能PCS，即可限制短路电流，又能减少变压器台数，达到减资增效的效果。