基于国家重点研发计划“低碳冬奥”项目的智能电网分布式电源案例分析

李 丽，张 楠

（1.北京京电电力工程设计有限公司，北京 丰台 100070；2.北京电力工程有限公司，北京 丰台 100070）

随着电动汽车的快速发展，分布式发输储放技术、智能电网建设、及新能源交易方式的广泛应用，基于物联网的综合能源服务近年来在全社会迅速发展，引发了能源系统的深刻变革，进而成为各企业新的发展战略与合作焦点。

国网北京电力公司示范工程应用可移动电力适配器、宽电压范围高效率DC/DC充电机、能量协调控制系统等项目研发的新装置和新技术，同时配置光伏发电和储能系统。综合实现交直流配网、分布式能源、储能系统之间的互动融合与灵活调配，借助冬奥平台向全社会示范推广。

此外，分布式电源由于其固有特点随机性和波动性，使得其自身也存在诸多问题。如何协调电网与分布式电源接入间的矛盾，进一步提升分布式电源的可控性，减少对电网的冲击，是示范工程须解决的重点。

1 分布式发电技术

1.1 分布式电源

分布式发电（distributed generation, DG）是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施。[1]分布式电源（distributed generating source,DGS）包括燃料电池、可再生能源光伏电池和风力发电等。

1.1.1 燃料电池技术[2]

燃料电池的工作原理是富含氢的燃料与空气中的氧气结合生成水，氢氧离子的定向移动在外电路形成电流，类似于电解水的逆向过程，它并不燃烧燃料，而是通过电化学的过程将燃料的化学能转化为电能。目前已研究开发了5种燃料电池：聚合电解质膜电池（PEM）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、固体电解质燃料电池（SOFC）和熔融碳酸盐燃料电池（SOFC），其中磷酸型燃料电池（PAFC）是技术成熟且已商业化的燃料电池。

1.1.2 太阳能光伏发电技术

太阳能光伏发电系统由太阳能电池板、逆变器、配电箱及计量等相关附件构成。其工作原理是太阳能电池方阵在光照的条件下产生直流电，直流电通过逆变器转换为交流电后并入低压或高压电网。目前屋顶式光伏发电技术已得到广泛应用。图1 为海坨110 kV变电站光伏项目效果图。

图1项目效果图

海坨110 kV变电站光伏项目就是采用分布式屋顶光伏电站技术的应用。它采用薄膜Miasole120 W柔性电池板组件，根据延庆当地日照情况项目规划建设容量为59.76 kWp。光伏电站通过2个并网点并网，容量均为29.88 kWp，峰值出力均约为29.88 kW。光伏电站发电量消纳方式为全部自用。推荐光伏电站接入海坨110 kV 变电站站用变380 V 母线。图2为接入系统示意图。

图2 接入系统示意图

2 示范工程应用分析

2.1 技术特点

冬奥延庆专区交直流混合配网示范工程的设计遵循安全可靠、绿色低碳的原则。

通过直流系统实现两条10 kV 交流线路在低压侧的合环，提高配电网系统潮流可控性，两条交流线路间可进行能量互济，降低系统备用容量、提高设备利用率。

可移动电力适配器具备多电压端口，在负荷中心提供动态无功支撑、接入应急电源、临时负荷，实现紧急功率支援。

采用直流供电技术，不存在无功和谐波等方面的问题，降低电网网损，提高电能质量。

在低压侧，通过光伏、储能、负荷间的协调控制，可以更好地接纳分布式电源、缓解负荷波动对交直流配电系统的冲击。

2.2 示范工程电气系统设计

2.2.1 场址选择

示范工程位于山地媒体中心附近的永久停车场西南角如图3所示。

图3 示范工程位置及位置及周边设施

2.2.2 负荷预测

初步拟建设6 台7 kW 交流充电桩、4 台60 kW直流充电桩和2 台180 kW 直流充电桩，为山地媒体中心落客区的电动大巴车和电动乘用车供电。直流充电桩总容量600 kW，考虑电动车同时满功率充电的情况较少且直流充电机具备限功率功能，充电同时系统取0.9，直流充电设备负荷为540 kW；交流充电桩总容量为42 kW；监控系统、空调等站用负荷约58 kW；总负荷为640 kW。考虑变流器的自身损耗，充电负荷预计为700 kW，如图4所示。

图4 负荷预测图

2.2.3 电气系统设计

示范工程两路10 kV 线路来自山地媒体中心10 kV 电缆分界室不同10 kV 母线。一路10 kV 线路经箱变降压到380 V 后，向交流母线和交直流双向变流器供电；另一路直接接入可移动电力适配器，转换为380 V交流和750 V直流为交流母线和直流母线供电。系统在交流侧接入6套7 kW交流充电桩和1 套1 MWh 储能系统，在直流侧接入4 台60 kW 直流充电桩、2台180 kW直流充电桩和1套9 kW光伏系统。直流线路两端通过两台交直流换流器与交流线路相连，构成交直流背靠背系统。总体框架详如图5所示。

图5 方案的系统总体框架

示范工程电气系统包括示范工程区域内的外电源模块、直流模块、储能模块、光伏模块和换流器模块。其中：直流模块为直流充电桩设备；分布式能源光伏系统安装在可移动电力适配器、充电站变流器和储能系统3个集装箱箱顶，总容量9 kW。光伏组件采用薄膜光伏，便于拆装、对集装箱箱顶称重要求较小且不会破坏箱体的防护等级。储能模块采用东杏园变电站的1辆移动储能车，1组500 kWh电池经储能变流器接入交流系统，1 组500 kWh 电池经储能DC/DC接入直流系统。

2.3 工程建设方案

2.3.1 预期建设效果

示范工程的设计效果图如图6 所示，示范工程主要包括可移动电力适配器集装箱、变流器集装箱和储能集装箱3台集装箱、1台箱变、6个直流充电桩和6个交流充电桩。

图6 效果图

2.3.2 总平面布置

充电站地面积约为300 m2，平面布局如图7 所示，其中可移动电力适配器占地13.5 m×4.1 m、总重量约20 t，变流器集装箱占地11 m×4.2 m、总重约15 t，储能集装箱占地12.5 m×2.5 m、总重约25 t；箱变占地7 m×5 m；大巴车停车区占地21 m×13.5 m（6车位）、乘用车占地21 m×13.5 m（6车位）。

图7 平面布置图

3 效益与展望

本项目建设将实现延庆东奥专区内电力消费100%来自可再生能源，供电可靠性≥99.99%，将为2022 年北京冬季奥运会提供可靠、绿色的电力供应。未来分布式能源供应将引领21世纪电力工业发展的方向，建立新型电力公司与用户的关系体系，妥善研究和制定与分布式发电有关的法律、法规和技术规范，推动清洁能源上网发电。当前分布式发电技术研究已进入深水区，今后的研究重点集中在如何将分布式电能平稳上网，进一步提升其可控性，是每一位电力技术人员认真思考的课题。