2024年10月18日，在“第5屆電力人工智能大會暨第3屆電力行業數字化轉型大會”上，第3屆“智創獎”電力數智化轉型技術創新應用評選結果公布。
中國電建集團河北工程有限公司憑借其“基于分布式光伏電站的直流微電網工業供電技術應用案例”案例，獲得“智慧光伏創新應用案例獎”。
01
創新點
1
光伏直流并網逆變器技術
針對電解鋁行業供電系統對電力穩定性與高效性的特殊要求，對光伏直流并網逆變器進行了優化設計。通過采用先進的大噸位一體化壓鑄技術，新型光伏逆變器實現了功率密度的大幅提升，提高了逆變器的轉換效率，顯著增強了其運行的穩定性，減少了系統損耗，為電解鋁行業提供了更加可靠、高效的綠色電力支持。
2
光伏電站直供技術
光伏陣列輸出的直流電，經過匯流箱進行匯流和保護后，通過直流電能路由器（隔離型DC/DC變換器）進行隔離和控制，中間不需要其它變換，通過母線保護柜進行逆止保護后，直接注入鋁電解槽系列母線。簡化了光伏組件到鋁電解直流母線“直—交—直”的變換過程，提高系統綜合效率。同時該種接入方式與公共電網沒有直接連接，整流機組成為中間的單向隔離環節，實現了與電網的有效隔離。
3
光伏陣列布局設計技術
該項目利用廠內空地、建筑屋頂及停車場等區域進行建設，針對電解鋁廠區的實際情況和光照條件，對光伏陣列布局進行了科學合理的設計。通過利用廠區內閑置的土地或屋頂空間，結合光伏組件的轉換效率、安裝角度及朝向等因素，進行精細化的布局規劃，可以最大限度地提高光伏發電效率，同時減少占地面積。
圖：鳥瞰圖總體
4
系統控制策略技術
采用直流高效隔離變換技術、直流微電網獨立構網技術、小功率高速電力電子變換裝置與大功率整流裝置并聯運行與自動系列電壓跟隨技術、光伏側最大功率追蹤與電解系列側自動追蹤控制技術、接入大容量直流系統設備的短路保護技術，利用標準的電力電子功率模塊（PEBB），系統能夠實時捕捉光伏發電量的變化以及電解鋁生產負荷的波動，實現了對光伏發電與電解鋁生產用電的精準調控。
根據直流微電網電壓變換和功率變換需求，創造性地采取低壓側分組串聯，高壓側分組并聯的方式，配置成多種輸出電壓，根據負荷需求，靈活控制低壓側電壓和功率流向，組合成各種直流電壓和功率變換的直流電能路由器（PET）。
5
獲得4項實用新型專利：《一種光伏板安裝調試裝置》《一種分布式光伏并網管理箱》《一種全預制裝配式變電站的施工用固定支撐設備》和《光伏區直流匯集組網系統》。
6
獲獎情況：論文《分布式智能電網多場景發展路徑研究》榮獲中國電力技術市場協會2024年度電力行業論文三等獎。
02
應用成效
本應用案例光伏電站總裝機容量14.72兆瓦，直流微電網及大功率晶閘管/二極管整流柜控制系統，4套（2套3.6MW+2套4.5MW）電解鋁裝置。電解系列供電系統穩流控制策略將新增的直流電能路由器輸出直流電流以通信（ModbusTcp）和模擬量（遠程IO）方式發送給電解整流總控制器，由整流總控制器將該電流值與原各整流器電流輸出總電流求和，作為整流系統實際執行的給定電流，對整流系統進行控制。
圖：控制系統畫面
1.本應用案例針對電解鋁行業供電系統對電力穩定性與高效性的特殊要求，對光伏直流并網逆變器進行了優化設計。通過采用先進的大噸位一體化壓鑄技術，新型光伏逆變器實現了功率密度的大幅提升，在相同功率段的產品中體積最小，便于在電解鋁廠區有限的空間內靈活安裝與運輸。提高了逆變器的轉換效率，顯著增強了其運行的穩定性，減少了系統損耗，為電解鋁行業提供了更加可靠、高效的綠色電力支持。
2.本應用案例由光伏發電站通過直流微電網直接向電解鋁槽系列供電，沒有“直—交—直”的電能變換環節。相對于傳統模式減少了設備投資，降低電能轉換損耗，提高了用電效率和系統綜合效率。同時系統接入于鋁電廠整流變負荷側，實現了光伏發電系統與電網的隔離，不對公共交流電網產生安全性影響，沒有孤島安全風險。
圖：母線保護并網柜
3.本應用方案突破了電解鋁廠用動力系統的電網容量限制，提高電解鋁生產的能源自給率，降低對外部電網的依賴，減少生產成本。在保持電解鋁生產動力容量不變的同時，實現了綠電消納，從而降低了噸鋁交流電耗，減少了高額加價電價的征收總額，實現了客觀的經濟，全年節省電費1.95億元。
4.本應用案例建設地點為高耗能的電解鋁廠，綠電消納能力強，擴容潛力大。減少溫室氣體排放，改善生態環境，促進企業向綠色低碳轉型。能夠享受國家及地方政府對光伏發電的補貼政策。不僅符合綠色低碳的發展趨勢，還能為企業帶來顯著的經濟和社會效益。本案例每年可提供約3026萬千瓦時綠電，二氧化碳減排約25898噸。
5.本案例通過引入基于實時數據監測和智能控制策略的方法，系統能夠實時捕捉光伏發電量的變化以及電解鋁生產負荷的波動，實現了對光伏發電與電解鋁生產用電的精準調控。不僅提高了系統的整體運行效率，還有效減少了能源浪費，提升了系統的經濟性與環保性。
圖：并網成功
03
技術路線
本應用案例光伏電站總裝機容量14.72兆瓦，直流微電網及大功率晶閘管/二極管整流柜控制系統，4套（2套3.6MW+2套4.5MW）電解鋁裝置。技術路線如下：
1
光伏組件選擇與安裝
1.光伏組件選擇：根據項目的具體需求和經濟效益，選擇適合的光伏組件類型，如單晶硅、多晶硅或薄膜太陽能電池。
2.安裝方式設計：根據建筑物的特點和光照條件，設計合理的光伏組件安裝方式，包括固定支架、可調節支架等，確保光伏組件能夠最大程度地接收太陽能。
2
直流微電網構建
1.直流母線設計：在直流負荷集中場所建立直流型微電網，設計穩定的直流母線電壓，確保電能傳輸的穩定性和可靠性。
2.DC/DC電路接入：分布式光伏電源通過DC/DC電路接入直流母線，實現高效的電能轉換和控制。
3.采用獨立構網方式，實現了將光伏發電矩陣、直流微電網、大功率工業負荷的有機組合，采用隔離型DC/DC變換裝置，具有高效的輸入-輸出電氣隔離能力。
3
微電網協調控制
1.負荷檢測與預測：利用先進的負荷檢測技術，實時監測負荷波動，預測未來負荷需求。
2.協調控制策略：根據負荷預測結果，協調控制交流供電網與直流供電網內分布式光伏電源、儲能裝置的輸出功率，維持微電網內電能平衡。
4
電網接入與并網技術
1.并網技術選擇：根據分布式光伏電站的規模和實際情況，選擇合適的直流并網技術。
2.并網安全控制：確保分布式光伏電站與電網的安全連接，防止電網故障對光伏電站的影響。
3.本應用案例建設在高耗能電解鋁廠，因此具有與百兆瓦級整流機組和直流負荷并聯運行的能力，滿足并聯運行過程的EMI匹配、電壓動態響應匹配、安全性匹配等要求。
5
系統監控與管理
1.遠程監控系統：建立遠程監控系統，實時監測光伏電站的運行狀態、發電量、儲能狀態等關鍵參數。
2.故障檢測與預警：通過智能算法和數據分析技術，及時發現和預警潛在故障，提高系統的運行效率和可靠性。
04
應用場景
本案例應用場景為大型電解鋁工廠。首先根據案例所在地電解鋁廠區的地理位置、氣候條件及用電需求，合理布局光伏板陣列，采用高效光伏組件，并配置智能跟蹤系統以最大化太陽能收集效率。采用直流變換與傳輸技術，設計高效直流變換器，將光伏產生的直流電直接升壓至電解鋁生產所需的電壓等級，減少交流轉換過程中的能量損失。采用低壓直流配電網，實現光伏電能的直接供給。對電解鋁工藝進行了優化，調整電解鋁生產線的電氣參數，使其與直流供電系統相匹配，優化電解槽結構，提高電流效率和電能利用率。
本案例應用于擁有與百兆瓦級大功率晶閘管/二極管整流柜并聯供電運行的電解鋁用直流微網設備以及制銅、制氫等應用場景，滿足大功率直流-直流轉換的需求，滿足與百兆瓦級大功率整流并聯供電需求。
本案例符合國家鼓勵高耗能企業消納綠電的新能源發展政策，特別適合于實行階梯電價政策的電解鋁行業，響應了國家要求電解鋁行業提高可再生能源比例，建立綠色低碳、循環發展的產業體系的要求，能夠突破電解鋁動力系統容量限制，降低噸鋁交流電耗，降低了高額加價電價征收額，提高了電解鋁廠的能源綜合利用效率。
05
典型經驗和推廣前景
典型經驗
本案例是內蒙古自治區首例分布式光伏發電接入直流微電網的供給項目，現已投入持續運行，具有實際設計、施工、調試和運行經驗。
本案例擁有與百兆瓦級大功率晶閘管/二極管整流柜并聯供電運行的電解鋁用直流微網設備以及制銅、制氫等應用場景中具有較好的典型經驗。
本案例符合國家鼓勵高耗能企業消納綠電的新能源發展政策，特別適合于實行階梯電價政策的電解鋁行業，響應了國家要求電解鋁行業提高可再生能源比例，建立綠色低碳、循環發展的產業體系的要求，能夠突破電解鋁動力系統容量限制，降低噸鋁交流電耗，降低了高額加價電價征收額，提高了電解鋁廠的能源綜合利用效率。
本方案系統接入于鋁電廠整流變負荷側，實現了光伏發電系統與電網的隔離，不對公共交流電網產生安全性影響，沒有孤島安全風險。
推廣前景
本案例可應用于工業園區和商業建筑等電力需求大、負荷穩定的區域。隨著技術的不斷成熟和成本的降低，也可向更廣泛的領域拓展。例如，農村、偏遠地區及海島等電力供應不足或不穩定的地區，通過建設分布式光伏直流微電網，可以實現電力自給自足，提高供電可靠性和穩定性。這種靈活的應用模式不僅有助于解決這些地區的能源短缺問題，還能推動當地經濟的可持續發展。
本案例特別適合于實行階梯電價政策的高耗能行業，響應了國家要求高耗能行業提高可再生能源比例，建立綠色低碳、循環發展的產業體系的要求，能夠突破高耗能動力系統容量限制，降低單噸交流電耗，降低了高額加價電價征收額，提高了高耗能行業的能源綜合利用效率。
本案例直流微電網直供技術通過減少電能轉換次數、提高能源利用效率、降低輸電損耗等方式，實現了清潔能源的高效利用。隨著技術的不斷進步和市場需求的增加，該技術有望在更多領域得到廣泛應用，為能源轉型和環境保護做出更大貢獻。
上一篇：無
