技术文章

胡冠楠

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定

摘要：为了推动光伏发电和电动汽车的发展，在土地资源日益紧缺的城市区域，需合理共享现有土地资源，实现资源大化利用。城市变电站由于其合理的分布密度以及便利的接入条件，对于建设分布式光伏发电、充换电站具有很好的优势。可利用变电站旧站改造以及新建的机会，在变电站内配套建设分布式光伏发电与充换电站。针对“变电站+分布式光伏发电+充换电站"的能源互补建设模式，结合具体工程实例，讲述设计原理，为这种创新建设模式提供一份参考。

关键词：分布式光伏发电；充换电站；变电站；电动汽车

0引言

出于对能源紧缺和环境保护的重视，能耗低、无污染、噪声低的电动汽车受到愈来愈多的鼓励和支持，但是续航里程和充电便捷性构成了纯电动汽车发展的两大瓶颈。充换电站、充电桩等充换电设施是电动汽车发展中不可少的基础设施，其重要性日渐突出。城市大型充换电站高昂的前期建设成本也是阻碍电动汽车普及和发展的一个因素。与变电站相结合的建设，可以合理降低建设运营成本，为推动电动汽车的发展贡献一份力量。光伏发电作为一种重要的绿色清洁分布式能源也逐渐由独立系统朝大规模并网系统方向发展。同时，分布式发电具有占地小、投资少、建设周期短等特点，近些年得到了大规模的发展。本文利用变电站旧站改造的机会，在变电站中加入分布式光伏发电系统、充换电站，践行了绿色、环保、节能的发展理念，取得了可复制推广的建设经验，前景十分广阔。

1主要建设原则

我分布式光伏发电建设思路：可以根据太阳光照条件因地制宜地充分利用太阳能，当地使用、当地并网，有效解决了光伏发电的并网问题，以及长距离输电的损耗问题。

主要电气设备一般包括光伏电池组件、逆变器、汇流箱、交流配电柜等。通过合理布置光伏板，使光伏电池组件更好地接收太阳光照射，将太阳能转化为直流电能。根据逆变器输入回路MPPT及电压、电流限制，合理对光伏电池组件组串，接入逆变器。由逆变器将直流输入电源逆变成交流电源。逆变器输出电源通过汇流箱、交流配电柜、变压器等，根据分布式光伏发电量的大小，合理选择并网电压等级，按照就近使用的原则接入电网。充换电站建设：需要根据充电站规模合理布置充电桩车位，并设置换电池车位，更好地满足快速充电的需求。

充换电站在建设时可综合考虑屋面光伏的布置，在建设时增设光伏组件固定所需的基础埋件，并满足安装组件设备等荷载要求，为后期组件的安装提供便利的条件。充换电站一般选用非车载快充，需要配套建设1台箱式配电站，10kV外接电源接至箱式配电站内10kV母线。箱式配电站内设备包括10kV进线柜、出线柜、变压器，0.4kV进线计量柜、低压出线柜。低压出线柜出线至户外落地式配电柜，由配电柜分配充电桩及其他负荷用电。因充电桩采用高频开关整流模式，可实现有源功率因数校正功能，因此，可不单独设置滤波装置及无功补偿。充电站内设置系统监控、视频监控、火灾报警等，充电机内配置交、直流电能表等计量计费装置。

2工程概况

本文以广州某110kV变电站改造工程为依托，在该变电站改造之际，征得相关单位同意后，合理增设充换电站并配套建设分布式光伏发电。

分布式光伏发电具体设计过程如下：①经过现场勘测及查看首期结构资料，确定屋面荷载是否满足本期加装光伏板结构要求，得知充换电站及部分配电装置楼屋面可利用面积约900m2。②光伏组件选择方面。通过对比几种常用的太阳能电池，定于选用转换效率高、性能稳定、使用寿命长、故障率低且性价比高的容量为295Wp的单晶硅组件。③光伏组件布置方面。光伏组件在混凝土屋面沿南北向布置，并考虑屋面建筑物光照遮挡的因素，按当地光照条件佳倾角15°安装，以大限度地利用太阳能。屋面可安装360块光伏组件，实现装机容量为106.2kW。④逆变器的选择方面。选用的逆变器需具有一定的环境适应能力、抗干扰能力、过载能力、功率因素调整及各种保护功能。同时，需要实现畸变小、频率波动小、交流输出电压稳定、输出效率高；低电压穿越能力、孤岛保护、低电压穿越、短路保护等功能，内部输入侧直流以及输出侧交流均需加装防雷保护。外壳防护等级IP56、同时需要具备良好的环境温度特性，即耐热、耐雨、防老化以及高温下较高的输出效率。本工程选用2台50kW逆变器，输出380V交流电压。⑤配电箱的选择方面。配电箱内部断路器根据额定电压、电流进行选择，并经过短路校验。为了保护设备在遭受雷电或其他瞬时过电压时免于损害，内部需设置SPD防浪涌保护。同时由于避免瞬时故障导致断路器跳闸，需设置自动重合闸电源保护器，可减少线路停电时间、次数、纠正误跳闸，提高供电的可靠性。同时为计量光伏上网电量，需在配电箱内配置三相计量表。由于本项目装机容量小于1MW，选择0.4kV电压就近接入电网系统。配电箱接至充换电站箱式配电站内0.4kV侧，可实现光伏发电并网。⑥电缆的选择及敷设。根据线路载流量大小合理选择电缆截面，逆变器至配电箱之间电缆选用ZR-YJV22-0.6/1kV-4×35+1×16。配电箱至光伏并网柜之间电缆选用ZR-YJV22-0.6/1kV-4×70+1×35；光伏直流电缆选用光伏线缆PV1-F-1×4mm2。组件下方的线缆，直接用扎丝绑扎在支架上，无组件的地方槽盒内敷设。在电缆槽盒内敷设的线缆在进入和引出槽盒时，需金属管保护。槽盒内电缆有高差处，应防止电缆的拉断，每隔1.5～2m用1～2mm厚的铜带或铝带电缆卡固定1次，同时槽盒转弯处需满足电缆转弯半径的要求，并注意避免刮伤电缆防护外套，以保证电缆的安全稳定运行。⑦防火封堵设置。直流线缆与交流电缆分别设置独立槽盒，同一槽盒里放置多层电缆，需用防火隔板隔开。电缆进出防火槽盒需刷防火涂料，槽盒接头处及中间段做防火封堵。电缆进出配电柜设备底部及电缆沟、穿墙开孔处均需做好防火封堵。⑧接地设置。屋面光伏组件支架及屋面电缆槽盒、屋面逆变器、配电箱等金属外壳需采用50×5镀锌扁钢可靠焊接，形成等电位接地网。并沿建筑物墙面向下每隔20m明敷接地引下线，引下线敷设至地面以下与建筑物水平接地网连接，并在连接处设置L=2.5m垂直接地极；使接地电阻值满足小于4Ω。如果不能满足，则需要增加降阻剂或将接地网引至电阻率较低的地方。

充换电站具体设计过程如下：①根据充换电站建筑规模，共设置5个充电车位，1个换电车位；电池充电可在电荷低谷期进行，避开负荷高峰期合理降低电力成本。②充电桩的选择方面。为了满足更多电动车用户的需求，本项目选择可以快充的落地式直流充电桩。充电桩外壳防护等级为IP54、耐热、防潮、耐低温、耐老化、耐撞击，良好的绝缘特性，外壳及电缆都要具有阻燃性能。本项目选用配置5台60kW非车载一体式充电机，充电机主要技术参数为额定功率60kW、输出电压350～700V、输出电流2～120A、功率因素≥0.98、效率≥0.93.同时，充电机内配备直流电能表，电度计量表准确等级不低于1.0级同时应具备分时计费功能。③箱式配电站的选型及布置。依据充换电站用电负荷以及光伏发电量，本工程选用1台400kVA的干式变压器，10kV侧选用负荷开关柜配置1台10kV进线柜、1台出线柜，形成单母线接线。0.4kV侧配置1台进线计量柜、2台低压出线柜，采用固定式低压柜单母线接线。1台出线柜接至充电站内充电机配电柜、1台低压出线柜作为光伏并网柜。箱式配电站内配套设置直流屏以及DTU等二次保护及自动化设备。箱式配电站设置在充换电站旁，周围设置护栏，外壳防护等级为IP54。④户外落地式配电柜的选择。额定输入电压Un=AC380V，额定输入电流In=630A，防护等级为IP54。柜内开关设置为1进9出，根据配电设备选型原则选定各路开关大小。配电柜设置在箱式配电站旁，联络低压出线柜与充电桩，为充电桩提供电源。⑤电缆的选择。低压出线柜至配电柜采用2根ZR-YJV22-4×120+1×70截面电缆埋管敷设；配电柜至各充电桩电缆选用ZR-YJV22-4×35+1×16截面电缆沿电缆沟敷设；其他站用电回路电缆截面根据电流大小配置。⑥其他配套建设内容。照明、通风、空调、充电监控、视频监控、火灾报警、通信等功能需同时配套建设。充换电站、分布式光伏发电接入系统配电接线图如图1所示。

3Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统

3.1平台概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电站的接入，*进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

3.2平台适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

3.3系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构

4充电站微电网能量管理系统解决方案

4.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电站及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图1系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。

4.1.1光伏界面

图2光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

4.1.2储能界面

图3储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图4储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图5储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图6储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图7储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图8储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图10储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图11储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

4.1.3风电界面

图12风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

4.1.4充电站界面

图13充电站界面

本界面用来展示对充电站系统信息，主要包括充电站用电总功率、交直流充电站的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电站的运行数据等。

4.1.5视频监控界面

图14微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

4.1.6发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图15光伏预测界面

4.1.7策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。

具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。

图16策略配置界面

4.1.8运行报表

应能查询各子系统、回路或设备*时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。

图17运行报表

4.1.9实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图18实时告警

4.1.10历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图19历史事件查询

4.1.11电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图20微电网系统电能质量界面

4.1.12遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图21遥控功能

4.1.13曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图22曲线查询

4.1.14统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的发电、用电、充放电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图23统计报表

4.1.15网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图24微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

4.1.16通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图25通信管理

4.1.17用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图26用户权限

4.1.18故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图27故障录波

4.1.19事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故*10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户随意修改。

4.2硬件及其配套产品

5结束语

本次在广州某110kV变电站改造工程中配套建设充换电站及分布式光伏发电系统，响应了发展清洁能源政策的号召，积极发展新能源，充分利用现有变电站屋顶、充换电站车棚屋顶建设分布式光伏发电系统。分布式光伏发电可就近补偿充换电站内用电，降低了光伏发电在变压器升压及长距离输送中的损耗；同时，减少火力发电煤炭消耗量和二氧化碳排放量，实现能源“绿色发展"。充换电站的建设，由于充电桩选用直流快充技术，可以为电动汽车提供方便快捷的充电服务，合理缓解充电难、充电慢的问题。“变电站+分布式光伏发电+充换电站"的建设模式探索，为未来深入地研究新能源综合建设模式提供了一个思路，建设经验值得推广。但在建设时，需合理评估其对电网及变电站带来的影响，在保证电网安全稳定的前提下，合理展开绿色建设模式的探索与实践。

【参考文献】

【1】薛飞，雷宪章，张野飚，等.电动汽车与智能电网从V2G到B2G的全新结合模式［J］.电网技术，2012,36(02):29-34.

【2】刘伟，彭冬，卜广全，等.光伏发电接入智能配电网后的系统问题综述［J］.电网技术，2009,33(19):1-6.

【3】黄素丽,谢运华,张楠.分布式光伏发电与充换电站在变电站内建设的探索与实践

【4】安科瑞高校综合能效解决方案2022.5版.

【5】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.