基于多站融合的综合能源站交直流微网设计

董美玲

（国网江苏省电力公司常州供电分公司，江苏 常州213000)

综合能源站的核心思想是多站融合，即基于变电站在能源汇集传输和转换利用中的枢纽作用，通过对变电站、储能站、数据中心等关键设施资源的合理整合，实现能量流、数据流、业务流的“三流合一”[1]。多站融合一方面创新建设模式，通过资源的就近融合和运行上的协调互补，有助于减少建设及运行成本，节约土地资源；另一方面将传统变电站升级为信息能源枢纽，可以更好地支撑信息通信技术及新能源发电技术在配电网领域的发展，提升电网综合效率效益。

基于110 kV智能变电站模块化建设通用设计110-A2-6方案[2]，合理利用站区资源，基于建筑融合、能源融合、通信融合、数据融合的设计思路，打造集变电、储能、数据中心、分布式光伏发电、电动汽车充换电等功能于一体的智慧综合能源站。针对智慧综合能源站各类设施的负荷容量及负荷性质，统筹规划，对站内交直流微网方案进行优化设计。

1 各站间的用能关系分析

各站间的用能关系如图1所示，变电站为充电站和数据中心提供电源；储能电站利用峰谷电价政策，为充电站和边缘数据中心提供移峰填谷服务，减少其运行电费，同时储能电站还具备消纳分布式清洁能源，削减电网尖峰负荷，优化负荷曲线，减少配电容量，提高设备利用率，延缓电网投资建设的功能[3-4]。

图1 各站间用能关系

2 综合能源站规模

基于110 kV智能变电站模块化建设通用设计110-A2-6方案，优化场地布置，整体规模为地上2层，地下一层。地下一层布置储能，消防水池移至道路下方，原消防水池区域布置电动汽车充电桩，配电装置楼二层布置数据中心机房，屋顶布置分布式光伏。综合能源站规模如表1所示。

表1 综合能源站规模情况

3 综合能源站负荷分析与统计

3.1 变电站负荷统计

变电站站用电源通常采用2台站用变压器，分别引自10 kV不同段母线。所用变低压侧进线采用双电源智能化自动切换开关ATS开关，实现两路交流电源进线的自动投切，保证供电可靠性。变电站负荷分交流负荷和直流负荷，交流负荷有动力负荷、加热负荷、照明负荷，直流负荷有保护测控装置、通信模块等。根据计算110 kV智能变电站负荷约为200 kVA。

通常变电站采用交直流一体化电源系统，交直流一体化电源系统由交流电源、直流电源、交流不间断电源（UPS）、通信电源（DC/DC）等装置组成，各电源一体化设计、一体化配置、一体化监控，其运行工况和信息数据能够上传至远方控制中心，实现就地和远方控制功能。站用交流电采用380/220 V单母线分段或单母线接线形式。直流电源系统用于站内一、二次设备及监控系统、系统通信设备的供电。直流可分为充电模块、直流母线绝缘监测模块、蓄电池监测模块、直流总监控模块、蓄电池。110 kV智能站通常采用直流系统电压为DC 220 V，充电模块电流为(6×20+1×20)A。采用1组220 V、400 Ah阀控式密封铅酸蓄电池，每组104只，每只2 V。

通信电源系统由DC/DC电源模块、直流馈线模块构成。直流系统通过DC 220 V/DC 48 V电源模块提供通信用48V直流电源，不设通信专用蓄电池组。110 kV智能站一般配置4套DC/DC变换装置，每套30 A。

3.2 储能站负荷统计

储能站负荷主要为空调、照明负荷，根据以往工程经验，储能站负荷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4.2 MW、8.4 MWh，根据负荷计算需要站用电约120 kW，主要为空调负荷。储能站交流电源系统主要于用照明、动力空调等负荷，供电电源为AC 380 V。直流电源用于控制系统，供电电压为DC 220 V。

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。根据数据中心的规模，本期部署6面机柜，终期按部署10面机柜考虑，单柜功率按10 kW考虑。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170 kW。其中，服务器功率100 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70 kW，此部分负荷需要采用双路电源供电，不需不间断UPS电源[5]。

4 综合能源站交直流微网优化方案

4.1 融合储能升压变与站用变

充分考虑电网峰谷运行、储能及综合能源站的特性，将储能变压器与站用变压器合二为一，取消专用站用变，减少设备投资。

本期储能规模（4.2 MW）接入系统需要2台2500 kVA双向变压器，且储能电池在低功率充放电或不充不放的工况下，储能变压器闲置容量过大，造成设备浪费。若储能变压器与站用变融合，可更合理高效利用双向变压器容量。

本期全站最大站用交直流负荷约为1000 kW，将储能变压器与站用变压器融合后，在保证最大站用负荷情况下，仍可将剩余1500 kVA容量对电池进行充电，完全可保证电池在谷时段（8 h）内将电量充满。在峰时段，储能电池满功率放电，同样在满足站用负荷情况下，将剩余功率放向主网，实现“削峰填谷”。在极端事故状态下，即使变电站所有进线失电，单靠一个储能模块也足以保证全站所有负荷供电。

本工程采用2台2500 kVA的容量双分裂变压器与本期储能电池4.2 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。

4.2 优化数据中心供电方案

数据中心电源常规有交流或直流供电方式，考虑到直流供电能效更高，本数据中心的ⅠT设备采用240 V高压直流2N供电方式，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[6～7]，利用由电网+光伏构成的站用交直流提供主供电源，交直流双路交叉供电保证可靠性，同时利用储能提供后备电源，将数据中心的供电等级提高到了A级；数据中心空调电源则由交流微网提供。全程取消了数据中心由市电供电的情况。

此外，由储能提供数据中心的后备电源，可削减数据中心的UPS电源系统和后备蓄电池配置，通过减少电能转换次数，提高能源利用率，提升供电系统的整体可靠性。数据中心采用240 V高压直流系统，不仅降低了ⅠT设备本身的功耗（1%～2%），并且由于较UPS系统少了直流—交流的逆变环节，由此带来的制冷需求也同步降低。根据相关ⅠDC项目改造实测，全年能耗可减低10%～20%，节能效果十分明显，同时最大限度地就地消纳以光伏为代表的清洁能源。

4.3 交直流电压选择

4.3.1 直流电压的选择

Q/GDW 480—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[8]。GB/T 35727—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3000、1500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，选择过高的电压等级会增加电气绝缘成本和降低兼容性，选择的电压等级过低会造成配电距离过短[9]。由于光伏为屋顶分布式光伏，经计算，本工程屋顶光伏容量约为150 kW，结合其发出的为直流电，本文考虑采用DC 750 V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，充电速度慢，需要借助车载充电机来充电，输出功率一般为3.5、7、15 kW等。直流充电桩输出功率大，一般规格有30、60、80、120、150 kW等，充电速度快，综合考虑，本文采用的是直流充电桩。综合能源站由于接入储能电池及光伏，可以采用DC 750 V作为输入电压，直流充电桩可减少AC/DC输入模块，并有助于光伏的就地消纳。

数据中心采用交直流双路交叉供电，由DC 750 V主母线通过DC/DC模块和AC 380 V母线通过AC/DC模块变换至DC 240 V供电。

变电站控制及保护直流电压采用220 V，本文采用将直流母线750 V电压通过DC/DC模块以及两路AC 380 V经AC/DC模块变换至站用DC 220 V馈线。

4.3.2 交流电压的选择

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380 V。储能电池经PCS装置DC/AC至交流380 V后通过升压变压器至AC 10 kV与电网相连。

4.4 “两交一直混合微网”

通过梳理多站融合的综合能源站的负荷特性和容量，分析站用交直流电压，统筹多站合一的电源和负载，本文建立了“两交一直微电网”体系，如图2所示。

图2 “两交一直微电网”体系

“两交一直微电网”由两个交流子微网，一个直流子微网混联形成。直流子微网采用双层结构，直流主母线采用750 V电压等级，单母线接线；同时为满足变电站站用直流的负荷需求，构建次级220 V直流母线，分两个母线段，每个母线段均采用单母线接线，其中一个220 V直流母线段通过DC/DC装置与直流750 V主母线连接；另一个220 V直流母线段通过AC/DC模块与交流子微网连接，两段母线间用隔离开关连接。直流子微网涵盖站内数据中心、变电站站内控制、通信、充电桩等全站直流负荷，并承担光伏能源接入功能。两个交流子微网沿用传统变电站站用电系统接线方式，采用380 V电压等级、单母线分段接线。由于储能变压器低压侧为三相三线制接线，为方便交流380 V（220 V）负荷用电，通过隔离变压器将交流系统变换为三相四线制（星型接线），同时隔离交流与直流系统，防止交流直流系统互窜影响供电质量。交流子微网涵盖变电站传统交流负荷、数据中心空调、储能系统空调等全站所有交流负荷。

两个交流子微网分别与直流子微网连接，形成混联微网群的互联互备，实现了全站交直流负荷就地统筹平衡和分布式能源最优化消纳，为全站交直流负荷提供安全、稳定、优质的供电，保证微网在孤岛情况下也能安全稳定运行。

相较于其他智慧能源站微网解决方案[10]，“两交一直微网群”方案具备4大明显优点。一是可靠性高，两个交流子微网与直流子微网互联互备，实现交直流混合供电。二是覆盖面广，将全站交直流负荷统筹纳入微网中，实现“一体构建、统一管理”，优选站用交直流供电电压，减少能源变换环节，同时为清洁能源营造优质消纳环境。三是融合度深，整合储能变压器与站用变压器，整合站内常规直流电源系统，取消变电站、数据中心常规配置的UPS电源，最大化利用设备，提高能效，减少投资。四是经济性优，考虑到目前微网设备参数型号单一，能源路由器等设备造价偏高的问题，为提高微网系统的普适性，所有微网设备均选用较为常规的参数形式和规格，既满足多种功能需求，也能在实际工程中落地运用。

5 结束语

本文在统筹分析综合能源站电源及负荷特性、容量的基础上，优选站用交直流供电电压，建立了“两交一直微电网”，在保证全站供电可靠性的同时最大程度地消纳可再生能源。该微网系统融合了储能变压器和站用变压器，提高设备利用率；利用储能电池搭建综合能源站的不间断电源系统，取消变电站和数据中心的蓄电池，减少项目投资。数据中心采用交直流双路交叉供电，实现N-2情况下无缝切换不停电，供电可靠性得到了显著提高。本方案具有可靠性高、覆盖面广、融合度深、经济性优的优势，可在综合能源站的建设中实际应用。