微儲能型末端電網(wǎng)低電壓治理裝置

薄弱的農(nóng)村電網(wǎng)難以適應(yīng)農(nóng)民生活用電發(fā)展需求

我國的農(nóng)村電網(wǎng)自“十一五”基本完成“村村通、戶戶通”，實現(xiàn)人人有電用，有效支撐國家脫貧攻堅戰(zhàn)略落地。隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，農(nóng)村電氣化進程也取得了長足進步，用電需求由原來的“看個電視、亮盞燈”演進至空調(diào)、冰箱、洗衣機等現(xiàn)代電器普遍覆蓋。至2021年末，全國農(nóng)村居民平均每百戶空調(diào)擁有量為89臺，比2012年提高250.8%；平均每百戶電冰箱擁有量為103.5臺，比2012年提高53.8%；平均每百戶洗衣機擁有量為96.1臺，比2012年提高42.9%。因此，由此引發(fā)的農(nóng)網(wǎng)用電需求更是迅猛攀升。

雖然各省政府、電網(wǎng)公司每年投入數(shù)十億元用于農(nóng)網(wǎng)改造，但在我國中西部、西南部，還存在大量的山區(qū)、林區(qū)薄弱農(nóng)網(wǎng)。該類地區(qū)村落布局分散、末端戶數(shù)少、遠離骨干電網(wǎng)，普遍存在臺區(qū)供電半徑大、線路長、電網(wǎng)帶載能力差等問題。在烤茶/灌溉等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、春節(jié)/寒暑假等年輕人集中回歸，以及末端大功率電器開機運行期間，負荷陡升造成線路電流增加，導(dǎo)線壓降大，間歇性低電壓問題凸顯。以現(xiàn)場實際案例為例，湖北廣水某農(nóng)網(wǎng)臺區(qū)供電電源為一臺10kV/80kVA變壓器，總用電戶數(shù)42戶，最遠分支線路距離達到5km，雖然采用了35平方鋁芯電纜來盡量減小線路壓降，但末端用戶仍無法正常用電，供電電壓隨線路負荷情況在95~240V間波動。

傳統(tǒng)的低電壓治理措施實際應(yīng)用成效有限

傳統(tǒng)低電壓治理措施主要有并聯(lián)無功補償、調(diào)壓器調(diào)壓等手段。其中，并聯(lián)無功補償是在無功源端（一般為大功率異步電機）并聯(lián)接入電容式無功補償裝置，以降低系統(tǒng)無功電流，減小線路壓降；而調(diào)壓器調(diào)壓則是在線路末端接入具備快速檔位調(diào)節(jié)能力的調(diào)壓器，使輸出電壓穩(wěn)定在220V。

在實際應(yīng)用過程中，對于并聯(lián)無功補償措施，農(nóng)網(wǎng)末端低電壓主要由線徑細、阻性壓降大引起，即使無功電流補償至零，仍然無法避免有功電流壓降；而對于調(diào)壓器調(diào)壓措施，因需串接線路，容量及可靠性受限，當(dāng)輸入側(cè)電壓較低，輸出側(cè)負載較大時，仍然會產(chǎn)生低電壓問題，且該類裝置會進一步降低前端電網(wǎng)電壓，造成其他用戶用電質(zhì)量惡化。

農(nóng)網(wǎng)改造高昂的投資成本給電網(wǎng)建設(shè)帶來沉重負擔(dān)

對于偏遠農(nóng)網(wǎng)的低電壓問題，其最有效的措施是農(nóng)網(wǎng)改造。通過靠近末端新建10kV供電臺區(qū)，減小低壓線路半徑，提升用戶電壓質(zhì)量。但該措施建設(shè)成本往往在50~150萬不等，需大量人力開展桿塔、線路、配變的安裝調(diào)試，持續(xù)時間長達3個月左右，改造過程中會影響用戶正常用電。此外，該類項目從需求提出、可研評審、項目批復(fù)、費用下達，往往需1~3年，部分項目因投資過大導(dǎo)致遲遲無法解決。

綜上，為攻克偏遠地區(qū)農(nóng)網(wǎng)末端低電壓難題，項目團隊自2020年6月起，在湖北省內(nèi)偏遠山區(qū)農(nóng)網(wǎng)開展廣泛現(xiàn)場調(diào)研，對其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、用電特性、低電壓成因等進行了全面、深入分析。在此基礎(chǔ)上，依托微儲能、四象限變流控制、電網(wǎng)運行狀態(tài)感知等核心技術(shù)，成功研制了微儲能型末端電網(wǎng)低電壓治理裝置；并在現(xiàn)場開展運行測試及裝備優(yōu)化升級，歷經(jīng)五代優(yōu)化，現(xiàn)已在湖北地區(qū)70余個山區(qū)農(nóng)網(wǎng)投入運行，有效支撐2022年春節(jié)保供及迎峰度夏工作，有效解決農(nóng)網(wǎng)間歇性低電壓問題，收到農(nóng)網(wǎng)運維人員及村民的一致好評。

微儲能型末端電網(wǎng)低電壓治理裝置工作原理

微儲能型末端電網(wǎng)低電壓治理裝置以微儲能與四象限交直流變流控制技術(shù)為核心，并聯(lián)掛接于末端用戶聚居點線路桿塔或電纜分支箱處，基于中長時電壓預(yù)測確定最優(yōu)功率控制策略，在農(nóng)網(wǎng)夜間等負荷較輕、電壓較高時段進行儲能補電，在早晚用電高峰等負荷加重、電壓偏低時段自動向電網(wǎng)補償功率，與系統(tǒng)共同向負載供電，達到抬升末端用電電壓的目的，并降低系統(tǒng)負荷高峰時的負載率，實現(xiàn)居民的穩(wěn)定用電。

以湖北廣水某臺區(qū)裝置投入后24h的電壓情況如下：

1）在11:30~13:00、17:00~20:00等時段，臺區(qū)用電負載較大，電壓較低，裝置自動對外輸出功率，聯(lián)同系統(tǒng)共同供電，使臺區(qū)最低電壓維持在198V及以上；

2）在00:00~01:30等時段，臺區(qū)負載較小，電壓較高，裝置自動進行儲能充電，保障電池續(xù)航能力，為下一次低電壓時段的功率支撐做好準備。

通過對臺區(qū)高-低電壓時段裝置充放電功率的靈活功率控制，在有效治理低電壓問題的同時，保障了裝置的長期、穩(wěn)定運行。

基本功能

1）綜合補償

通過將裝置安裝在低電壓問題高發(fā)的臺區(qū)末端，在因系統(tǒng)負荷加重而導(dǎo)致末端產(chǎn)生低電壓時，可自動補償輸送有功及無功功率，提升末端電壓，降低系統(tǒng)負載，進而整體提升系統(tǒng)電壓水平，大大提高農(nóng)村電網(wǎng)的供電效率和電能質(zhì)量，有效解決了弱聯(lián)電網(wǎng)現(xiàn)存的痛點問題。單臺裝置即可解決3~8個用戶的低電壓問題。

2）智能預(yù)測

為應(yīng)對農(nóng)網(wǎng)負荷隨季節(jié)、溫度、節(jié)假日等因素變化而導(dǎo)致的負載特性變化，團隊基于XGB算法開發(fā)了末端電壓中長時預(yù)測算法，以便根據(jù)負荷特性的變化調(diào)整功率控制定值，提高裝置支撐效果和適應(yīng)能力。

3）智能運維

具備設(shè)備狀態(tài)遠程監(jiān)測、OTA在線升級能力，可高效實現(xiàn)遠程設(shè)備調(diào)試、狀態(tài)監(jiān)測、程序升級、保護預(yù)警、遠程定位等一系列功能，提高運維便捷性。

（4）新能源消納

本裝置在應(yīng)對臺區(qū)末端低電壓問題的同時，還可針對近年來因光伏接入導(dǎo)致農(nóng)網(wǎng)末端間歇性高電壓問題進行綜合治理。

對比

   針對農(nóng)網(wǎng)低電壓治理，目前市場上較為成熟的技術(shù)路線主要包括無功功率補償及調(diào)壓器調(diào)節(jié)。本成果與以上兩種技術(shù)比較，在補償效果、線損影響、可靠性等方面均具有顯著優(yōu)勢，三種技術(shù)的具體對比結(jié)果如下表1所示。

表1  農(nóng)網(wǎng)低電壓治理三種技術(shù)對比

截至2022年12月，微儲能型末端電網(wǎng)低電壓治理裝置市場轉(zhuǎn)化推廣數(shù)目總計105臺。以現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)及用戶體驗反饋為基礎(chǔ)，研發(fā)團隊在硬件結(jié)構(gòu)、控制策略、智能運維等方面持續(xù)優(yōu)化設(shè)計，不斷提升裝置模塊化、智能化、便捷化水平，目前已完成五代產(chǎn)品的更新迭代，預(yù)計于2023年1月推出第六代產(chǎn)品，進一步提升裝置綜合治理性能，確保裝置在市場上的領(lǐng)先地位。