微储能型末端电网低电压治理装置

  完成单位：国网湖北省电力有限公司电力科学研究院、湖北方源东力电力科学研究有限公司

  主要完成人：凌在汛、崔一铂、成诚、梅欣、蔡万里、李喆、向慕超、刘曼佳、游力、郭雨

一、研发背景

  1.薄弱的农村电网难以适应农民生活用电发展需求

我国的农村电网自“十一五”基本完成“村村通、户户通”，实现人人有电用，有效支撑国家脱贫攻坚战略落地。随着国民经济的不断发展，农村电气化进程也取得了长足进步，用电需求由原来的“看个电视、亮盏灯”演进至空调、冰箱、洗衣机等现代电器普遍覆盖。至2021年末，全国农村居民平均每百户空调拥有量为89台，比2012年提高250.8%；平均每百户电冰箱拥有量为103.5台，比2012年提高53.8%；平均每百户洗衣机拥有量为96.1台，比2012年提高42.9%。因此，由此引发的农网用电需求更是迅猛攀升。

虽然各省政府、电网公司每年投入数十亿元用于农网改造，但在我国中西部、西南部，还存在大量的山区、林区薄弱农网。该类地区村落布局分散、末端户数少、远离骨干电网，普遍存在台区供电半径大、线路长、电网带载能力差等问题。在烤茶/灌溉等农业生产、春节/寒暑假等年轻人集中回归，以及末端大功率电器开机运行期间，负荷陡升造成线路电流增加，导线压降大，间歇性低电压问题凸显。以现场实际案例为例，湖北广水某农网台区供电电源为一台10kV/80kVA变压器，总用电户数42户，最远分支线路距离达到5km，虽然采用了35平方铝芯电缆来尽量减小线路压降，但末端用户仍无法正常用电，供电电压随线路负荷情况在95~240V间波动。

  2.传统的低电压治理措施实际应用成效有限

传统低电压治理措施主要有并联无功补偿、调压器调压等手段。其中，并联无功补偿是在无功源端（一般为大功率异步电机）并联接入电容式无功补偿装置，以降低系统无功电流，减小线路压降；而调压器调压则是在线路末端接入具备快速档位调节能力的调压器，使输出电压稳定在220V。

在实际应用过程中，对于并联无功补偿措施，农网末端低电压主要由线径细、阻性压降大引起，即使无功电流补偿至零，仍然无法避免有功电流压降；而对于调压器调压措施，因需串接线路，容量及可靠性受限，当输入侧电压较低，输出侧负载较大时，仍然会产生低电压问题，且该类装置会进一步降低前端电网电压，造成其他用户用电质量恶化。

  3.农网改造高昂的投资成本给电网建设带来沉重负担

对于偏远农网的低电压问题，其最有效的措施是农网改造。通过靠近末端新建10kV供电台区，减小低压线路半径，提升用户电压质量。但该措施建设成本往往在50~150万不等，需大量人力开展杆塔、线路、配变的安装调试，持续时间长达3个月左右，改造过程中会影响用户正常用电。此外，该类项目从需求提出、可研评审、项目批复、费用下达，往往需1~3年，部分项目因投资过大导致迟迟无法解决。

综上，为攻克偏远地区农网末端低电压难题，项目团队自2020年6月起，在湖北省内偏远山区农网开展广泛现场调研，对其网架结构、用电特性、低电压成因等进行了全面、深入分析。在此基础上，依托微储能、四象限变流控制、电网运行状态感知等核心技术，成功研制了微储能型末端电网低电压治理装置；并在现场开展运行测试及装备优化升级，历经五代优化，现已在湖北地区70余个山区农网投入运行，有效支撑2022年春节保供及迎峰度夏工作，有效解决农网间歇性低电压问题，收到农网运维人员及村民的一致好评。

二、发明团队介绍

本项目发明团队来自国家电网湖北省电力有限公司电力科学研究院能源互联网技术中心，共有研发人员14名，其中博士4人、硕士10人，教授级高工3人，高级工程师6人。团队长期开展储能、新能源、电网控制运行等技术研究及电力工程调试工作，支撑世界首个县域级100%新能源供电新型电力系统示范工程、我国首台出口海外的百万机组调试、国内首个规模化构网型电化学储能电站示范工程等多项国内外重大任务，具备扎实的科研攻关和工程能力。

近五年来，发明团队累计发表高水平论文87篇、受理授权发明专利56项、主持创制标准16项；研发了以“微储能型末端电网低电压治理装置”、“充电站光储充放集成装置”及“构网型储能移动式并网检测平台”等为代表的一系列科技转化成果，累计成果转化合同近亿元；先后获得中国机械工业协会科技进步特等奖、中国教育部科技进步一等奖、国网科技进步一等奖等8项省部级成果，以及“全国工人先锋号”、“国家电网公司工人先锋号”等荣誉称号。

三、成果简介   

  1.运行原理

   微储能型末端电网低电压治理装置以微储能与四象限交直流变流控制技术为核心，并联挂接于末端用户聚居点线路杆塔或电缆分支箱处，基于中长时电压预测确定最优功率控制策略，在农网夜间等负荷较轻、电压较高时段进行储能补电，在早晚用电高峰等负荷加重、电压偏低时段自动向电网补偿功率，与系统共同向负载供电，达到抬升末端用电电压的目的，并降低系统负荷高峰时的负载率，实现居民的稳定用电。

以湖北广水某台区装置投入后24h的电压情况如下：

（1）在11:30~13:00、17:00~20:00等时段，台区用电负载较大，电压较低，装置自动对外输出功率，联同系统共同供电，使台区最低电压维持在198V及以上；

（2）在00:00~01:30等时段，台区负载较小，电压较高，装置自动进行储能充电，保障电池续航能力，为下一次低电压时段的功率支撑做好准备。

通过对台区高-低电压时段装置充放电功率的灵活功率控制，在有效治理低电压问题的同时，保障了装置的长期、稳定运行。

  2.核心专利体系建设

针对控制策略、装置结构、测试方法等方面技术要点，开展了本成果（专利）的核心专利体系建设，形成布局紧密的专利保护网络。其中发明专利授权1项（核心）、受理2项、在审6项，累计9项。

（1）授权专利（核心专利）

 ZL 202111383736.8《针对偏远弱联电网电压问题的并联型综合治理装置及其控制方法》，公开日期（授权）：2022.07.29。

（2）受理专利

①ZL202210261416.3《电网长距离低压供电问题串联型治理装置及其控制方法》，公开日期（公开）：2022.07.15。

②ZL202211295385.X《一种储能型末端电网低电压治理装置性能测试系统及方法》，申请日：2022.10.21。

（3）在审专利

①《偏远弱电网电压预测与控制方法》

②《微储能电池电量资源优化与充放电控制方法》

③《无电流测量微储能偏远弱电网电压治理控制方法》

④《一种微储能电池电量资源优化与充放电控制方法》

⑤《基于长短期记忆神经网络的偏远弱电网电压预测与控制方法》

⑥《一种基于改进k均值聚类算法的电网用户数据分析方法》

  3.基本功能

（1）综合补偿

通过将装置安装在低电压问题高发的台区末端，在因系统负荷加重而导致末端产生低电压时，可自动补偿输送有功及无功功率，提升末端电压，降低系统负载，进而整体提升系统电压水平，大大提高农村电网的供电效率和电能质量，有效解决了弱联电网现存的痛点问题。单台装置即可解决3~8个用户的低电压问题。

（2）智能预测

为应对农网负荷随季节、温度、节假日等因素变化而导致的负载特性变化，团队基于XGB算法开发了末端电压中长时预测算法，以便根据负荷特性的变化调整功率控制定值，提高装置支撑效果和适应能力。

（3）智能运维

具备设备状态远程监测、OTA在线升级能力，可高效实现远程设备调试、状态监测、程序升级、保护预警、远程定位等一系列功能，提高运维便捷性。

（4）新能源消纳

本装置在应对台区末端低电压问题的同时，还可针对近年来因光伏接入导致农网末端间歇性高电压问题进行综合治理。

  4.技术对比

   针对农网低电压治理，目前市场上较为成熟的技术路线主要包括无功功率补偿及调压器调节。本成果与以上两种技术比较，在补偿效果、线损影响、可靠性等方面均具有显著优势，三种技术的具体对比结果如下表1所示。

表1  农网低电压治理三种技术对比

四、成果转化情况

 1.产品开发

（1）原理验证

2021年6月~8月，基于专利技术原理，研发团队利用储能电池、变流器、控制板等元器件搭建装置模型，在实验室偏远农网模拟测试环境下，验证了不同电压水平下装置功能的完备性，为小试样机的开发指明了方向。

（2）样机开发

2021年9月~10月，研发团队以微储能与四象限交直流变流控制技术为核心，将储能电池、变流器、控制板、GPS通讯模块等模块集成安装于装置箱体内，完成了末端电网低电压治理装置小试样机的开发工作。

（3）样机小试

2021年11月~12月，研发团队进行了多项小试样机测试工作，包含基本性能测试、充放电深度测试、充放电状态快速切换测试、高低温交变测试等，试验结果均满足指标要求，验证了装置样机在复杂电压水平下功能的有效性及完备性，为现场顺利试运行打造了坚实基础。

（4）现场试运行

2022年1月~2月，为充分应对春节前后用电负荷激增、低电压治理需求突出的严峻形式，研发团队辗转湖北三县十六镇，完成了首批30台新型末端电网低电压治理装置小试样机的现场安装及试运行工作。设备运行期间，台区末端最低电压基本提升至200V，满足了用户日常用电需求，低电压问题得到有效治理，有力支撑了多地供电公司打赢春节电力保供攻坚战，同时为装置的进一步优化升级提供了现场实践支撑。

（5）设备中试

2022年3月~5月，基于小试样机的现场运行情况，研发团队对小试样机进行了进一步优化升级，形成了小型化、模块化、智能化于一体的微储能型末端电网低电压治理装置，委托中国电科院武汉分院完成了装置样机的型式试验工作，包含性能试验、工频耐压试验、冲击电压试验、电磁兼容试验、温升试验、防护等级试验等总计12项试验项目，试验结果均为合格，充分验证了装置的安全、有效性，为装置后期的定型工作奠定了基础。

（6）装置批量运行

2022年6月至今，研发团队总计完成了近80台装置的批量化生产工作，完成了湖北随州、黄冈、神农架、恩施、十堰、襄阳、黄石的七市十一地76个台区的现场运行工作。迎峰度夏期间运行时间累计达 45425 小时， 其中补偿时间累计 3951 小时，充电时间累计 4698 小时，最高补偿时长比例高达 32.8%，有力支撑了当地迎峰度夏工作。

  2.市场转化推广

本装置依托湖北公司成果转化平台进行孵化，由于其技术先进实用、市场推广前景良好入选了省公司十大重点成果，并在系统内、外进行了广泛推介，获得了市场的高度关注。近期，接连参与了2023年省公司专利奖申报、2022年运维专业创新成果申报、新型电力系统关键技术领域高价值专利转化典型案例或技术成果申报等多个奖项申报工作，成果可期。

为进一步推动成果的转化推广，湖北电科院依托省管产业平台，不断推进产研销服一体化。生产上，依据国网公司产业政策和省管产业的功能定位，采用集体投资方式，确保各项合同快速落地，保障装置的批量化生产；研发上，依托电科院人才技术优势，持续加强资金投入，开展各项测试及优化升级工作，保障装置性能的市场领先性，形成具有自主知识产权、性能优良的成果产品；销售上，充分发挥湖北电科院及省管企业在电力系统的工作优势，积极对接各地供电公司，通过先试点后销售的方式，在打开装置知名度的基础上稳步推进产品的销售布局工作，与当地供电公司建立长期友好合作关系。服务上，充分发挥市场化技术服务优势，积极开展售前台区调研、需求挖掘、问题分析及治理方案制定，持续完善售中装置安装及性能调试，稳步提升售后智能运维、异常检修及用户反馈收集，通过建立涵盖现场全环节的服务工作，进—步完善产品性能和销售体系。

同时，为加快推动本科技成果的市场化运营转化工作，已于2022年6月申请进入湖北公司电商平台名目，目前流程办理中，可为进一步扩大装备产能、缩短合同签订周期、提升市场占有率、加快形成品牌效益等提供强大助力。

截至2022年12月，微储能型末端电网低电压治理装置市场转化推广数目总计105台。以现场运行数据及用户体验反馈为基础，研发团队在硬件结构、控制策略、智能运维等方面持续优化设计，不断提升装置模块化、智能化、便捷化水平，目前已完成五代产品的更新迭代，预计于2023年1月推出第六代产品，进一步提升装置综合治理性能，确保装置在市场上的领先地位。

五、经济效益与社会效益

1.经济效益

截至2022年12月，本成果已签订转化合同63.7万元，另有51万元在签，242万待签，直接经济收益累计357万。装置累计解决了湖北省内75个台区的低电压问题，按照30万/台区的常见网改费用计算，为实施单位节省开支2250万元（经济收益证明见佐证材料）。

根据前期现场调研结果，整个湖北省乃至全国各县市普遍存在着台区低电压问题，市场需求潜力十分巨大。在持续巩固省内市场的同时，有序向四川、重庆、甘肃、贵州、湖南等山地、林区较多省份开展市场拓展，预计五年内装置总销售数量可达7500台，合同签订额度在3亿元左右，缓解农网改造投资瓶颈上百亿。

此外，专利装置的快速推广应用，解决了因经费卡口导致的网改难以实施难题，有效降低了当地居民投诉率，避免了因专项工作考核、服务负面评价等给电网公司带来的间接经济损失和声誉影响。

  2.社会效益

（1）促进科学技术进步

本成果聚焦偏远弱联电网这一常见应用场景，通过储能与电力电子技术的创新结合，解决了农网台区的低电压难题，极大拓展了储能技术应用场景，有效探索了储能在强化农村电网网架结构、提升农村电网装备水平、提升可再生分布式能源消纳水平等方面的重要作用，为“双碳”目标落地和新型电力系统建设大背景下的储能技术进步及推广提供了有力支撑。

（2）提高科学管理水平

本专利的成功实施大幅缓解了农网改造投资卡口，有效填补了现有技术在农网低电压治理问题上的短板，提升了国网公司应对农网供电可靠性问题的科学管理水平。

  （3）提高人民物质文化生活水平

乡村振兴，电力先行，本专利为农网低电压顽疾提供了有效解决方案。自投运以来，微储能型末端电网低电压治理装置在多个低电压频发的钉子户台区得到广泛应用，有效提升末端电压至正常水平，降低了用电投诉率，解决了当地的低电压问题，保障了农村居民用户的用电可靠性，并对春节保电、迎峰度夏等重要节点的保供电工作提供了有力支撑。同时，极大提高了农村居民的用电意愿与家电购买意愿，解决了正常用电的迫切需求，形成了良好的社会效益。