边远站点电源保障系统研究与应用

北京特种工程设计研究院 李龙刚 任建平 刘惠文

1 项目概况

本项目地处我国西北某地区，属于无人区，最近的市电电源是距离约为70km的一座220/35/10kV变电站。该地区光照资源较为丰富，年日照时间较长，日照百分率为60%～80%，日照6h以上的天数在250～325天，水平地表年太阳辐射总量为5000MJ/m2～6500MJ/m2，年平均为5800MJ/m2，根据当地气象站统计数据，由Meteonorm软件（一款瑞士开发的综合气候数据库，分析各地的气象资料软件，其数据来源全球8325个气象站、5颗同步气象卫星以及WMO（世界气象组织））得到该地区1～12月的辐射量(MJ/m2)数值分别为219.6、295.2、453.6、576、687.6、691.2、680.4、615.6、507.6、396、244.8、169.2，总计5536.8。

根据《太阳能资源等级总辐射》（GB/T31155-2014）太阳能资源评估方法，太阳能资源总量根据太阳总辐射资源总量划分为四个等级（表1）。

表1 太阳能等级表

本工程场区年太阳辐射量为5536.8MJ/(m2.a)，资源丰富程度属于资源很丰富等级。根据该地区气象站多年风速资料，该地区每年2月～8月风速较大，9月～次年1月份风速较少，具有较明显的季节变化特点。即春夏季风大，冬季风略小，1～12月风速（m/s）分别为1.5、2.0、2.6、2.8、2.7、2.5、2.4、2.3、2.0、1.7、1.4、1.3，年平均2.11。根据该地区多年观测资料统计，平均最低气温-24℃、平均最高气温33℃、年平均降水总量77.7mm。

该项目主要用电负荷的安装功率（kW）、工作时长（h/d）、耗能（kWh）有：冬季采暖用电约为30/24/720，水设备用电约为28/8/224，通信设备用电约为5/24/120，照明用电约为15/10/150，办公工作用电约为5/10/50，合计安装功率约为83kW，合计耗能1264kWh；夏季用电设备的安装功率（kW）、工作时长（h/d）、耗能（kWh）有：夏季空调用电约为20/6/120，水设备用电约为28/8/224，通信设备用电约为5/24/120，照明用电约为15/10/150，办公工作用电约为5/10/50，合计安装功率约为73kW，合计耗能664kWh。

2 电源方案

本站点电源可以选用市电电源、太阳能光伏电源、风能发电，也可以采用柴油发电机组发电等方式。下面就四种电源在初期投入和全寿命阶段的运行成本做综合比较。

2.1 市电电源

根据《工业与民用供配电设计手册》中的相关规定，各级电压架空线输送容量和距离的最佳的配置中，电压等级（kV）、负荷量（MW）、输送距离（km）分别为6/0.1～1.2/15～4、10/0.2～2/20～6、35/2～8/50～20、66/3.5～10/100～30、110/10～50/150～50。

本站点的冬季负荷为83kW，而夏季负荷73kW，按照最大的冬季负荷为最低保障条件，负载按83kW考虑。从线路损失方面考虑到不同等级电压输送电能对输送距离的限制，可以选择的电压等级为35kV。以下以35kV架空线作为本站点供给电源进行配置计算。在变电站内设置一台35/0.4kV的160kVA变压器及相应的35kV和0.4kV配电装置，主要设备数量和投资见表2，市电电源的设备总投资为1562万元。可以看得出，投资大部分都是在线路上，约占比接近90%。

表2 主要材料及投资表

2.2 光伏电源

用电设备的安装功率为83kW。按冬至日光伏全功率发电时间为4.0小时，光伏的转换效率为0.9。储能容量按照1天设置。光伏发电量应该大于1264kWh，则应设置光伏功率为352kW，考虑一定的余量，按照光伏的设置规模为500kWp光伏发电，储能规模暂时按150kW×8h的容量配置。光伏板占地面积约为100×50m2，电池采用高效铅晶电池，储能单元采用集装箱型式。主要材料及投资表见表3。

表3 主要材料及投资表

2.3 风能发电

本区域内地势最高海拔2800米，最低海拔700米。属于干旱的温带大陆性气候，昼夜温差大、干燥少雨、地表植被稀少，有荒漠戈壁、丘陵山地、雅丹及沙漠等多种地貌。用电设备安装功率为83kW，综合考虑目前国内小风机制造商业绩、技术成熟度、运行稳定性等因素，选择FD25/100kW作为备选机型，该机型为低温型风电机组，技术指标如下：额定功率100kW、功率调节方式为变桨变速调节、叶轮直径25m、切入风速3m/s、额定风/11m/s、切出风/25m/s、极限风速52.5m/s、工作温度-20～50℃、叶片数3、扫风面/490m2、发电机类型为永磁直驱、额定电压400V、额定转速50、高度42m。

储能规模按150kW×8h的容量配置，电池采用高效铅晶电池，储能单元采用集装箱型式。主要材料及投资表见表4。

表4 主要材料及投资表

2.4 柴油发电机组

设置柴油发电机组发电功率为125kW，耗油量为42L/h，日耗油量为1008L，按照一个月的存储油量为30m3。主要材料及投资表见表5。

表5 主要材料及投资表

3 方案比较

方案比较基于电气设备使用年限为25年考虑。统计近两年的采暖日期为10月15日到次年4月15日，共计182天，春（4.15～6.30）、秋（9.1～10.15）季两季共计121天不考虑采暖，夏（7.1～8.31）共62天为制冷天。夏天的制冷按每天6小时（其使用系数为0.25）计算，冬采暖按照使用系数0.6计算。

表6 主要设备耗能表

市电电源。设备初期总投资约为1562万元。架空线长度为70km，年巡检线路费用按4万元/年计算，设备维修费按每年1.8%，即2.92万/年，总的用电量195856度，线路损耗按1%计算，按照当地2021年现行电价为0.515元/度。可以算出一年的运行费用约为25.92万元/年。运行25年的总费用为1816.5万元，平均每年费用为72.66万元。

光伏电源。设备总投资约为635万元。碳晶电池的使用年限为5～8年，按5年完全更换一次，共更换4次，单晶硅光伏板的使用年限为25年，期间不需要更换，维修率按1%计算，需3.5万/年，电池等设备日常维护量按1.5%考虑，需1.875万/年，其它人工清扫按一人工资，每年工资3.6万/年，25年总共费用约为1070.375万元，平均每年费用为42.815万元。

风能电源。设备总投资约为395万元。碳晶电池的使用年限为5～8年，按5年完全更换一次，共更换4次，风力发电机使用年限为25年，期间不需要更换，维修率按3%计算，需5.4万/年，电池等设备日常维护量按1.5%考虑，需1.875万/年，25年总共费用约为861.875万元，平均每年费用为34.475万元。

柴油发电机组电源。设备总投资约为90万元。柴油发电机组25000小时（34个月）大修一次，费用约为机组价30%～40%，按35%计算，约为7万元，大修次数一般不大于3次，按2次后（即5年半）更换发电机组考虑，大修6次、更换机组3次，设备投资约为337万元，日常维护按照2万/年计算，25年需要50万元。按照年需要的电量为195856度计算，每300ml柴油发一度电，年消耗油量为58.76m3，按2021年7月市面上的油价6.19元/L计算，年需要36.37万元/年。25年总的费用为1296.25万元，平均每年费用为51.85万元/年。

各种电源性能比较。根据正常运行25年的数据分析，列出表7。

表7 性能比较表

4 结语

从上面四种电源的比较分析，不难看出：市电的主要造价在于线路部分，35kV线路在50km以内，安装容量大于1000kW时，市电的初期投资大，但在运行中成本较低，综合性价比较高；光伏发电初期投资较大，更换电池量较大，易受光照的影响，在新疆地区日照充足的地方有很大优势，长期来看平均年耗资较低；风能电源需配一定量的蓄电池，并对所在场区风力情况有一定要求，风速在3m/S以上才能启动，然而整个场区内年平均风速为2.1m/s，在很长时间内都有可能不能启动发电；柴油发电机电源较为灵活，受天气变化的影响不大，工作时噪声大，靠燃烧柴油来发电，对油料的依赖大，需要油料的保障，在边远站点保障有一定难度。

在确定哪种方案作为应用方案时，不仅仅要考虑造价方面的问题，还要充分结合场区内的自然资源，并应该考虑电源的可靠性和稳定性问题。

综上，经过经济和技术的比较，本站点选用光伏发电为主要电源，同时考虑到在这里存在极端天气，有可能连续存在阴雨天气，光伏发电量不充足，设置相应容量柴油发电机作为备用电源，储油量可以兼顾各站点车辆的油料保障。