微儲(chǔ)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(guó)的農(nóng)村電網(wǎng)自“十一五”基本完成“村村通、戶戶通”，實(shí)現(xiàn)人人有電用，有效支撐國(guó)家脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)略落地。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，農(nóng)村電氣化進(jìn)程也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，用電需求由原來(lái)的“看個(gè)電視、亮盞燈”演進(jìn)至空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等現(xiàn)代電器普遍覆蓋。至2021年末，全國(guó)農(nóng)村居民平均每百戶空調(diào)擁有量為89臺(tái)，比2012年提高250.8%；平均每百戶電冰箱擁有量為103.5臺(tái)，比2012年提高53.8%；平均每百戶洗衣機(jī)擁有量為96.1臺(tái)，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(guó)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(lèi)地區(qū)村落布局分散、末端戶數(shù)少、遠(yuǎn)離骨干電網(wǎng)，普遍存在臺(tái)區(qū)供電半徑大、線路長(zhǎng)、電網(wǎng)帶載能力差等問(wèn)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(kāi)機(jī)運(yùn)行期間，負(fù)荷陡升造成線路電流增加，導(dǎo)線壓降大，間歇性低電壓?jiǎn)栴}凸顯。以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際案例為例，湖北廣水某農(nóng)網(wǎng)臺(tái)區(qū)供電電源為一臺(tái)10kV/80kVA變壓器，總用電戶數(shù)42戶，最遠(yuǎn)分支線路距離達(dá)到5km，雖然采用了35平方鋁芯電纜來(lái)盡量減小線路壓降，但末端用戶仍無(wú)法正常用電，供電電壓隨線路負(fù)荷情況在95~240V間波動(dòng)。

傳統(tǒng)的低電壓治理措施實(shí)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(wú)功補(bǔ)償、調(diào)壓器調(diào)壓等手段。其中，并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償是在無(wú)功源端（一般為大功率異步電機(jī)）并聯(lián)接入電容式無(wú)功補(bǔ)償裝置，以降低系統(tǒng)無(wú)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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償措施，農(nóng)網(wǎng)末端低電壓主要由線徑細(xì)、阻性壓降大引起，即使無(wú)功電流補(bǔ)償至零，仍然無(wú)法避免有功電流壓降；而對(duì)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(fù)載較大時(shí)，仍然會(huì)產(chǎn)生低電壓?jiǎn)栴}，且該類(lèi)裝置會(huì)進(jìn)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(lái)沉重負(fù)擔(dān)

對(duì)于偏遠(yuǎn)農(nóng)網(wǎng)的低電壓?jiǎn)栴}，其最有效的措施是農(nóng)網(wǎng)改造。通過(guò)靠近末端新建10kV供電臺(tái)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(wàn)不等，需大量人力開(kāi)展桿塔、線路、配變的安裝調(diào)試，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月左右，改造過(guò)程中會(huì)影響用戶正常用電。此外，該類(lèi)項(xiàng)目從需求提出、可研評(píng)審、項(xiàng)目批復(fù)、費(fèi)用下達(dá)，往往需1~3年，部分項(xiàng)目因投資過(guò)大導(dǎo)致遲遲無(wú)法解決。

綜上，為攻克偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)網(wǎng)末端低電壓難題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自2020年6月起，在湖北省內(nèi)偏遠(yuǎn)山區(qū)農(nóng)網(wǎng)開(kāi)展廣泛現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、用電特性、低電壓成因等進(jìn)行了全面、深入分析。在此基礎(chǔ)上，依托微儲(chǔ)能、四象限變流控制、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)感知等核心技術(shù)，成功研制了微儲(chǔ)能型末端電網(wǎng)低電壓治理裝置；并在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展運(yùn)行測(cè)試及裝備優(yōu)化升級(jí)，歷經(jīng)五代優(yōu)化，現(xiàn)已在湖北地區(qū)70余個(gè)山區(qū)農(nóng)網(wǎng)投入運(yùn)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?jiǎn)栴}，收到農(nóng)網(wǎng)運(yùn)維人員及村民的一致好評(píng)。

微儲(chǔ)能型末端電網(wǎng)低電壓治理裝置工作原理

微儲(chǔ)能型末端電網(wǎng)低電壓治理裝置以微儲(chǔ)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(diǎn)線路桿塔或電纜分支箱處，基于中長(zhǎng)時(shí)電壓預(yù)測(cè)確定最優(yōu)功率控制策略，在農(nóng)網(wǎng)夜間等負(fù)荷較輕、電壓較高時(shí)段進(jìn)行儲(chǔ)能補(bǔ)電，在早晚用電高峰等負(fù)荷加重、電壓偏低時(shí)段自動(dòng)向電網(wǎng)補(bǔ)償功率，與系統(tǒng)共同向負(fù)載供電，達(dá)到抬升末端用電電壓的目的，并降低系統(tǒng)負(fù)荷高峰時(shí)的負(fù)載率，實(shí)現(xiàn)居民的穩(wěn)定用電。

以湖北廣水某臺(tái)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(shí)段，臺(tái)區(qū)用電負(fù)載較大，電壓較低，裝置自動(dòng)對(duì)外輸出功率，聯(lián)同系統(tǒng)共同供電，使臺(tái)區(qū)最低電壓維持在198V及以上；

2）在00:00~01:30等時(shí)段，臺(tái)區(qū)負(fù)載較小，電壓較高，裝置自動(dòng)進(jìn)行儲(chǔ)能充電，保障電池續(xù)航能力，為下一次低電壓時(shí)段的功率支撐做好準(zhǔn)備。

通過(guò)對(duì)臺(tái)區(qū)高-低電壓時(shí)段裝置充放電功率的靈活功率控制，在有效治理低電壓?jiǎn)栴}的同時(shí)，保障了裝置的長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行。

基本功能

1）綜合補(bǔ)償

通過(guò)將裝置安裝在低電壓?jiǎn)栴}高發(fā)的臺(tái)區(qū)末端，在因系統(tǒng)負(fù)荷加重而導(dǎo)致末端產(chǎn)生低電壓時(shí)，可自動(dòng)補(bǔ)償輸送有功及無(wú)功功率，提升末端電壓，降低系統(tǒng)負(fù)載，進(jìn)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(diǎn)問(wèn)題。單臺(tái)裝置即可解決3~8個(gè)用戶的低電壓?jiǎn)栴}。

2）智能預(yù)測(cè)

為應(yīng)對(duì)農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷隨季節(jié)、溫度、節(jié)假日等因素變化而導(dǎo)致的負(fù)載特性變化，團(tuán)隊(duì)基于XGB算法開(kāi)發(fā)了末端電壓中長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)算法，以便根據(jù)負(fù)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(yùn)維

具備設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、OTA在線升級(jí)能力，可高效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備調(diào)試、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、程序升級(jí)、保護(hù)預(yù)警、遠(yuǎn)程定位等一系列功能，提高運(yùn)維便捷性。

（4）新能源消納

本裝置在應(yīng)對(duì)臺(tái)區(qū)末端低電壓?jiǎn)栴}的同時(shí)，還可針對(duì)近年來(lái)因光伏接入導(dǎo)致農(nóng)網(wǎng)末端間歇性高電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行綜合治理。

對(duì)比

   針對(duì)農(nóng)網(wǎng)低電壓治理，目前市場(chǎng)上較為成熟的技術(shù)路線主要包括無(wú)功功率補(bǔ)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(bǔ)償效果、線損影響、可靠性等方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)，三種技術(shù)的具體對(duì)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(duì)比

截至2022年12月，微儲(chǔ)能型末端電網(wǎng)低電壓治理裝置市場(chǎng)轉(zhuǎn)化推廣數(shù)目總計(jì)105臺(tái)。以現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)及用戶體驗(yàn)反饋為基礎(chǔ)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在硬件結(jié)構(gòu)、控制策略、智能運(yùn)維等方面持續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)于2023年1月推出第六代產(chǎn)品，進(jìn)一步提升裝置綜合治理性能，確保裝置在市場(chǎng)上的領(lǐng)先地位。