基于光伏发电的配电站房所用电供电系统设计与实现

钱卫良　孙琦　丁律　陈超杰

摘 要：所用电供电系统是配电站房重要的组成部分，其可靠性直接影响到配电站房内设备的正常运行。为进一步提升配电站房内所用电供电系统的可靠性及智能化水平，提出一种基于光伏发电的配电站房所用电供电系统，通过配电站房负荷分析，制定所用电供电系统控制策略，通过持续检测光伏储能器电压来实现交直流转换和站内负载供电方式的切换功能，以解决光伏发电所产生的电能运用不够充分的问题，并通过配电智能监控系统实现整个配电站房的实时监控。实践证明，该系统运行稳定、可靠，是新型电力系统在所用电供电系统领域的有效实践。

关键词：所用电；光伏；供电系统

中图分类号：TM727.4    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）13-0047-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.012

0    引言

随着国家新型城镇化的不断推进，中低压配电网的规模不断扩大，配网线路电缆化率也越来越高，配电站房的数量也会越来越多。配电房、开关站等站房在整个配电网中扮演着电能分配及转换的重要角色，而配电站房的所用电通常采用PT柜引出AC220 V电源，并以备用蓄电池作为专用UPS电源[1-2]，这种供电方式虽然能实现主备供电源自动切换，但可靠性较低，备用蓄电池需定期运维，且往往会导致线路线损率较高，不利于碳达峰、碳中和的尽早实现。随着新型电力系统的提出与不断发展，绿色环保、可就地消纳、技术成熟的光伏发电应用越来越广泛[3]，把光伏发电与配电站房所用电供电系统结合，将是一种新的尝试。

本文提出了一种基于光伏发电的配电站房所用电供电系统，包括光伏发电系统、储能系统、交直流电源切换系统、负载设备、配电智能辅助监控系统，由光伏储能模块、交流电输入模块、输电模块组成。该系统通过检测光伏储能器的电压，判断光伏储能器内储存的能源的量，当光伏储能器储能完成时，通过光伏储能器为负载供电，而当光伏储能器还处于充电过程中时，通过交流电为负载供电，在保证负载正常工作的情况下，充分运用光伏储能器中储存的能源，提高能源的利用效率。

1    配电站房负载分析

由于配电站房内的负载大多为电子类产品，电子类产品工作电源为直流电源，而国内普遍采用交流供电体系，所以为适应国内的供电方式，需要在每种电子产品本身的体系中增加开关电源，用于将交流电源转化成适应本体工作的直流电源。本着最优供电、最少耗电的原则，可以采用锂电储能系统直接对负载进行供电，减少负载前端交流变直流的电源转换部分，节省设备成本的同时，也大大提高了电能的利用率，为后续直流供电体系的设计提供了一种新思路、新理念。

根据配电站房的负载类型，本次规划可以将负载设备分为两路供电系统供电，一路为交流供电，一路为直流供电。其中能耗大的负载，如除湿系统由于没有直流供电，只能采用交流供电，即交流AC220 V/50 Hz；其他负载，如风机、照明、辅控类、传感器类，特别是传感器类电子设备，本身为直流工作电源，采用直流供电模式，直流供电电压为DC200 V，在负载端根据设备额定电压，通过降压电源提供满足设备额定工作电压的直流电。这样分类供电更能体现直流供电的优越性。

以一座自动化配电站房为例，所用电二次负载除站房内常规的照明、通风、环网柜电操机构及指示灯、除湿机等外，还需配置智能监测系统、DTU、显示器、传感器等自动化设备，涉及直流12、24、48 V以及交流220 V四种电压。配电站房负载清单如表1所示。

2    所用电供电系统设计

2.1    所用电供电系统硬件设计

储能系统电量来源于光伏发电，在需要对外提供电能时，根据负载类型，对于直流负载，提供负载需要的直流供电电源；对于交流负载，通过逆变控制系统将储能系统中的直流电能逆变成220 V的交流电供给设备使用。国内低压供电系统采用220 V/50 Hz的交流供电方式，国内的低压电器设备统一采用交流输入方式，所有电器铭牌都会标明额定电压、额定电流、额定功率等参数。

根据配电站房的负载分析，本系统硬件设计时，对耗能大的负载如除湿系统等采用交流体系供电，即AC220 V/50 Hz。这类设备平时不需要长时间工作，所以逆变系统不产生电能损耗，只是在需要开启时才会工作。其他如风机系统、照明系统、传感器系统等基本为电子类设备，本身为直流工作电源，所以这部分负载采用直流方式供电，直流供电电压为DC200 V，在负载端根据实际情况降压为设备需要的其他电压等级的直流电。

本文设计的所用电供电系统如图1所示，系统电能来源于屋顶光伏发电系统，根据标准化配电站房大小，在屋顶共设置4阵列光伏发电单元，每阵列9块光伏板串联供电，4阵列合计36块太阳能光伏板，合计面积63 m2。光伏发电产生的电能一路通过逆变器转换为交流220 V，经过转换器给站内的除湿机供电，另一路以直流电的形式存储于磷酸铁锂蓄电池中，额定电压为直流200 V，容量为40 kW·h，蓄电池输出经过切换开关和电压变换器分别转换为直流12、24、48 V给不同的设备供电。在交流220 V回路中，转换器主要用于切换互感器柜输出的交流电与逆变器转换输出的交流电，当光伏发电功率不足或储能系统输出不足时，转换器自动切换至互感器柜输出供电，以保障系统稳定性。

2.2    所用电供电系统控制策略

根据最优能源管控与自动化程度的要求，将配电站房中的监控类、照明类、除湿通风类负载系统分为两级进行能源管理：视频系统、监控屏柜、传感器类、大屏一体机、照明系统归为重要负载（一类设备），此类设备必须保持24 h运行，不允许间断供电；通风类、除湿类归为一般負载（二级设备），对于这类负载，光伏储能系统仅在电量充足的情况下提供电能，在储能不足的情况下，将通风系统切换到市电备用供电，除湿类设备停止工作。一类设备中，照明系统在有工作人员工作时或夜间开启，其他时间段处于关闭状态，所以一类设备中除照明的672 W外，其他传感器类、视频系统等设备累加总工作功率为1 270 W，一类设备正常工作功率为1 270 W。

磷酸铁锂蓄电池规格为40 kW·h，根据本文设计的光伏发电配置，平均每天可以发电60 kW·h。配电站房内供电系统需要不间断供电的功率为1.27 kW，每天耗电量约为30.5 kW·h，照明系统按照每天工作1 h计算，需要耗电约0.7 kW·h；对于白天時段08：30—16：30，光伏系统可以保证系统正常供电，且剩余电能存储于锂电系统中，其他时间段则需要储能系统外溢供电，约需额外提供32 kW·h的电量，这些电量需要通过白天的光伏补充。对于除湿系统、通风系统，在白天发电效率较高的时间段且储能系统电量大于60%，即储能电量大于24 kW·h时，由光伏储能提供工作电能，其他时间则切换到市电补充供电，弥补由于储能系统发电不稳定导致不能提供多余电能的缺点。当储能电量低于10%时，将辅控系统、传感器系统、照明系统切换到市电辅助供电，等到光伏储能电量大于50%时，再次将供电电源切换到光伏储能系统供电，由于辅控设备、视频系统、传感器类负载本身为直流工作电源，设计所有设备的工作电源均具有交直流通用输入功能，以避免发生由于供电回路的交直流变换而烧毁设备的严重事故。

3    所用电供电系统的实现

根据本文设计的基于光伏发电的配电站房所用电供电系统，对浙江湖州某10 kV开关站进行改造，屋顶设置36块太阳能光伏板，储能间设置规格为40 kW·h的磷酸铁锂蓄电池，同时采用超温自动排风功能，联动风机排风，用于降低储能间的温度，并安装除湿机和干粉灭火装置，以优化蓄电池运行环境。开关站除常见的开关柜等设备之外，额外配置监控系统、所用电供电系统控制柜、配电智能辅助监控柜。配电智能辅助监控系统主要由环境监测、声纹监测、储能监测、智能分析、安防视频以及门禁管理六部分组成，如图2所示。

本站自2022年12月投运以来，所用电供电系统运行稳定，实现了光伏发电的全部消纳。

4    结束语

综上所述，本文提出了一种基于光伏发电的配电站房所用电供电系统，结合新能源发电、储能技术、智能监控技术等，有效解决了以往配电站房所用电供电系统可靠性低、线损率高等问题。实践证明，本系统运行稳定、可靠，是新型电力系统在所用电供电系统领域应用的有效实践，具有一定的推广价值。

[参考文献]

[1] 邓玲，桂实.开闭所所用电源设计方案的探讨[J].科技传播，2012，4（22）：65.

[2] 周劲峰.配电所所用电重要性分析[J].黑龙江科技信息，2014（21）：5.

[3] 张珍珍，吕清泉，张健美.“双碳”目标下分布式光伏发电技术的研究进展及展望[J].太阳能，2023（1）：17-21.

收稿日期：2023-03-14

作者简介：钱卫良（1973—），男，浙江湖州人，高级工程师，研究方向：配网运维检修。

通信作者：孙琦（1990—），男，浙江湖州人，硕士研究生，工程师，研究方向：配网运维检修。