2024年10月18日，在“第5届电力人工智能大会暨第3届电力行业数字化转型大会”上，第3届“智创奖”电力数智化转型技术创新应用评选结果公布。
中国电建集团河北工程有限公司凭借其“基于分布式光伏电站的直流微电网工业供电技术应用案例”案例，获得“智慧光伏创新应用案例奖”。
01
创新点
1
光伏直流并网逆变器技术
针对电解铝行业供电系统对电力稳定性与高效性的特殊要求，对光伏直流并网逆变器进行了优化设计。通过采用先进的大吨位一体化压铸技术，新型光伏逆变器实现了功率密度的大幅提升，提高了逆变器的转换效率，显著增强了其运行的稳定性，减少了系统损耗，为电解铝行业提供了更加可靠、高效的绿色电力支持。
2
光伏电站直供技术
光伏阵列输出的直流电，经过汇流箱进行汇流和保护后，通过直流电能路由器（隔离型DC/DC变换器）进行隔离和控制，中间不需要其它变换，通过母线保护柜进行逆止保护后，直接注入铝电解槽系列母线。简化了光伏组件到铝电解直流母线“直—交—直”的变换过程，提高系统综合效率。同时该种接入方式与公共电网没有直接连接，整流机组成为中间的单向隔离环节，实现了与电网的有效隔离。
3
光伏阵列布局设计技术
该项目利用厂内空地、建筑屋顶及停车场等区域进行建设，针对电解铝厂区的实际情况和光照条件，对光伏阵列布局进行了科学合理的设计。通过利用厂区内闲置的土地或屋顶空间，结合光伏组件的转换效率、安装角度及朝向等因素，进行精细化的布局规划，可以最大限度地提高光伏发电效率，同时减少占地面积。
图：鸟瞰图总体
4
系统控制策略技术
采用直流高效隔离变换技术、直流微电网独立构网技术、小功率高速电力电子变换装置与大功率整流装置并联运行与自动系列电压跟随技术、光伏侧最大功率追踪与电解系列侧自动追踪控制技术、接入大容量直流系统设备的短路保护技术，利用标准的电力电子功率模块（PEBB），系统能够实时捕捉光伏发电量的变化以及电解铝生产负荷的波动，实现了对光伏发电与电解铝生产用电的精准调控。
根据直流微电网电压变换和功率变换需求，创造性地采取低压侧分组串联，高压侧分组并联的方式，配置成多种输出电压，根据负荷需求，灵活控制低压侧电压和功率流向，组合成各种直流电压和功率变换的直流电能路由器（PET）。
5
获得4项实用新型专利：《一种光伏板安装调试装置》《一种分布式光伏并网管理箱》《一种全预制装配式变电站的施工用固定支撑设备》和《光伏区直流汇集组网系统》。
6
获奖情况：论文《分布式智能电网多场景发展路径研究》荣获中国电力技术市场协会2024年度电力行业论文三等奖。
02
应用成效
本应用案例光伏电站总装机容量14.72兆瓦，直流微电网及大功率晶闸管/二极管整流柜控制系统，4套（2套3.6MW+2套4.5MW）电解铝装置。电解系列供电系统稳流控制策略将新增的直流电能路由器输出直流电流以通信（ModbusTcp）和模拟量（远程IO）方式发送给电解整流总控制器，由整流总控制器将该电流值与原各整流器电流输出总电流求和，作为整流系统实际执行的给定电流，对整流系统进行控制。
图：控制系统画面
1.本应用案例针对电解铝行业供电系统对电力稳定性与高效性的特殊要求，对光伏直流并网逆变器进行了优化设计。通过采用先进的大吨位一体化压铸技术，新型光伏逆变器实现了功率密度的大幅提升，在相同功率段的产品中体积最小，便于在电解铝厂区有限的空间内灵活安装与运输。提高了逆变器的转换效率，显著增强了其运行的稳定性，减少了系统损耗，为电解铝行业提供了更加可靠、高效的绿色电力支持。
2.本应用案例由光伏发电站通过直流微电网直接向电解铝槽系列供电，没有“直—交—直”的电能变换环节。相对于传统模式减少了设备投资，降低电能转换损耗，提高了用电效率和系统综合效率。同时系统接入于铝电厂整流变负荷侧，实现了光伏发电系统与电网的隔离，不对公共交流电网产生安全性影响，没有孤岛安全风险。
图：母线保护并网柜
3.本应用方案突破了电解铝厂用动力系统的电网容量限制，提高电解铝生产的能源自给率，降低对外部电网的依赖，减少生产成本。在保持电解铝生产动力容量不变的同时，实现了绿电消纳，从而降低了吨铝交流电耗，减少了高额加价电价的征收总额，实现了客观的经济，全年节省电费1.95亿元。
4.本应用案例建设地点为高耗能的电解铝厂，绿电消纳能力强，扩容潜力大。减少温室气体排放，改善生态环境，促进企业向绿色低碳转型。能够享受国家及地方政府对光伏发电的补贴政策。不仅符合绿色低碳的发展趋势，还能为企业带来显著的经济和社会效益。本案例每年可提供约3026万千瓦时绿电，二氧化碳减排约25898吨。
5.本案例通过引入基于实时数据监测和智能控制策略的方法，系统能够实时捕捉光伏发电量的变化以及电解铝生产负荷的波动，实现了对光伏发电与电解铝生产用电的精准调控。不仅提高了系统的整体运行效率，还有效减少了能源浪费，提升了系统的经济性与环保性。
图：并网成功
03
技术路线
本应用案例光伏电站总装机容量14.72兆瓦，直流微电网及大功率晶闸管/二极管整流柜控制系统，4套（2套3.6MW+2套4.5MW）电解铝装置。技术路线如下：
1
光伏组件选择与安装
1.光伏组件选择：根据项目的具体需求和经济效益，选择适合的光伏组件类型，如单晶硅、多晶硅或薄膜太阳能电池。
2.安装方式设计：根据建筑物的特点和光照条件，设计合理的光伏组件安装方式，包括固定支架、可调节支架等，确保光伏组件能够最大程度地接收太阳能。
2
直流微电网构建
1.直流母线设计：在直流负荷集中场所建立直流型微电网，设计稳定的直流母线电压，确保电能传输的稳定性和可靠性。
2.DC/DC电路接入：分布式光伏电源通过DC/DC电路接入直流母线，实现高效的电能转换和控制。
3.采用独立构网方式，实现了将光伏发电矩阵、直流微电网、大功率工业负荷的有机组合，采用隔离型DC/DC变换装置，具有高效的输入-输出电气隔离能力。
3
微电网协调控制
1.负荷检测与预测：利用先进的负荷检测技术，实时监测负荷波动，预测未来负荷需求。
2.协调控制策略：根据负荷预测结果，协调控制交流供电网与直流供电网内分布式光伏电源、储能装置的输出功率，维持微电网内电能平衡。
4
电网接入与并网技术
1.并网技术选择：根据分布式光伏电站的规模和实际情况，选择合适的直流并网技术。
2.并网安全控制：确保分布式光伏电站与电网的安全连接，防止电网故障对光伏电站的影响。
3.本应用案例建设在高耗能电解铝厂，因此具有与百兆瓦级整流机组和直流负荷并联运行的能力，满足并联运行过程的EMI匹配、电压动态响应匹配、安全性匹配等要求。
5
系统监控与管理
1.远程监控系统：建立远程监控系统，实时监测光伏电站的运行状态、发电量、储能状态等关键参数。
2.故障检测与预警：通过智能算法和数据分析技术，及时发现和预警潜在故障，提高系统的运行效率和可靠性。
04
应用场景
本案例应用场景为大型电解铝工厂。首先根据案例所在地电解铝厂区的地理位置、气候条件及用电需求，合理布局光伏板阵列，采用高效光伏组件，并配置智能跟踪系统以最大化太阳能收集效率。采用直流变换与传输技术，设计高效直流变换器，将光伏产生的直流电直接升压至电解铝生产所需的电压等级，减少交流转换过程中的能量损失。采用低压直流配电网，实现光伏电能的直接供给。对电解铝工艺进行了优化，调整电解铝生产线的电气参数，使其与直流供电系统相匹配，优化电解槽结构，提高电流效率和电能利用率。
本案例应用于拥有与百兆瓦级大功率晶闸管/二极管整流柜并联供电运行的电解铝用直流微网设备以及制铜、制氢等应用场景，满足大功率直流-直流转换的需求，满足与百兆瓦级大功率整流并联供电需求。
本案例符合国家鼓励高耗能企业消纳绿电的新能源发展政策，特别适合于实行阶梯电价政策的电解铝行业，响应了国家要求电解铝行业提高可再生能源比例，建立绿色低碳、循环发展的产业体系的要求，能够突破电解铝动力系统容量限制，降低吨铝交流电耗，降低了高额加价电价征收额，提高了电解铝厂的能源综合利用效率。
05
典型经验和推广前景
典型经验
本案例是内蒙古自治区首例分布式光伏发电接入直流微电网的供给项目，现已投入持续运行，具有实际设计、施工、调试和运行经验。
本案例拥有与百兆瓦级大功率晶闸管/二极管整流柜并联供电运行的电解铝用直流微网设备以及制铜、制氢等应用场景中具有较好的典型经验。
本案例符合国家鼓励高耗能企业消纳绿电的新能源发展政策，特别适合于实行阶梯电价政策的电解铝行业，响应了国家要求电解铝行业提高可再生能源比例，建立绿色低碳、循环发展的产业体系的要求，能够突破电解铝动力系统容量限制，降低吨铝交流电耗，降低了高额加价电价征收额，提高了电解铝厂的能源综合利用效率。
本方案系统接入于铝电厂整流变负荷侧，实现了光伏发电系统与电网的隔离，不对公共交流电网产生安全性影响，没有孤岛安全风险。
推广前景
本案例可应用于工业园区和商业建筑等电力需求大、负荷稳定的区域。随着技术的不断成熟和成本的降低，也可向更广泛的领域拓展。例如，农村、偏远地区及海岛等电力供应不足或不稳定的地区，通过建设分布式光伏直流微电网，可以实现电力自给自足，提高供电可靠性和稳定性。这种灵活的应用模式不仅有助于解决这些地区的能源短缺问题，还能推动当地经济的可持续发展。
本案例特别适合于实行阶梯电价政策的高耗能行业，响应了国家要求高耗能行业提高可再生能源比例，建立绿色低碳、循环发展的产业体系的要求，能够突破高耗能动力系统容量限制，降低单吨交流电耗，降低了高额加价电价征收额，提高了高耗能行业的能源综合利用效率。
本案例直流微电网直供技术通过减少电能转换次数、提高能源利用效率、降低输电损耗等方式，实现了清洁能源的高效利用。随着技术的不断进步和市场需求的增加，该技术有望在更多领域得到广泛应用，为能源转型和环境保护做出更大贡献。
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