董飞（大庆油田天宇工程设计有限责任公司）

阀室在天然气长输管道系统中具有重要作用，其主要功能是可截断来气，并放空特定管段内天然气，出事故时可防止管道事故扩大、减少环境污染，在维护改造时可保障施工操作安全进行。长输管道每间隔一定距离设置1座截断阀室，因此多数情况下阀室都往往位于偏僻的野外环境，电力依托条件较差，采用传统的10 kV供电方案，存在供电线路距离长、线损高、变压器空载率高等诸多问题[1-2]。利用光伏储能供电系统，不仅可以保障阀室的供电，而且节省了长距离电力线路的工程投资和征地费用[3-4]。目前光伏储能供电系统已应用在西气东输管道、西部管道、兰郑长管道、陕京线、广东管网2021工程等多个长输管道项目中[5]。

1 系统组成

光伏储能供电系统主要由光伏阵列、光伏防雷汇流箱、逆变控制一体配电柜、储能柜等组成[6]。光伏储能系统组成见图1。各部分主要功能如下：

光伏阵列：由太阳能板组成光伏阵列，每3块串联为一组，再由5或6组经汇流箱并联汇总，送到逆变控制一体配电柜中的光伏充电控制器，经最大功率跟踪后对电池组阵列进行充电。发电系统电压尽量接近48 V直流储能额定电压，有利于提高转换效率，而且电压低有利于保障维护人员的安全。

光伏防雷汇流箱：可承受20 kA 8/20 uS的雷击电流冲击，以保证极端条件下控制器及逆变器免遭雷击影响。另外，可实现每组光伏太阳能板的汇流功能，以方便检修测量断电。

光伏充电控制器：主要实现每组太阳能板的最大功率点的跟踪功能，以实现最高效率为蓄电池提供充电电能。另外，可实现相关的保护功能，如电池反接、短路反向放电等。

逆变器：主要实现直流/交流的转换，将直流电能转换成交流电能，以满足交流负载的供电需求[7]。另外，逆变器还具有交流输入充电端口，满足紧急条件下接入备用发电机的功能。

交流输出配电及控制：主要是实现交流/直流回路的各分支输出、开关控制等。采用二次下电控制，当电池放电到设定容量（如：60%）以下时，关闭非重要负荷，容量恢复到设定值（如：90%）时恢复非重要负荷供电。

储能柜：将光伏发电系统输出的电能转化为化学能存储起来，以备供电不足时使用。

图1 光伏储能系统组成Fig.1 Composition of photovoltaic energy storage system

2 阀室的用电需求和负荷

阀室的主要用电设备有：远程控制单元RTU、通信光端机、安防系统、阴极保护设备以及照明灯具等[8]。设备选型尽量选用低功耗，高功率因数的节能型设备，从而可以降低光伏阵列的装机功率和储能电池的容量，节省投资。另外，在进行负荷计算时需按照设备的重要性分类，储能电池容量的计算原则一般为可保证连续1 d阴雨天为满负荷供电，之后连续4 d阴雨天为重要负荷供电。

典型阀室的用电负荷计算详见表1。该阀室内用电设备有功功率合计3.75 kW，其中重要负荷0.95 kW，每天实际负载耗电量约为90 kWh，其中22.8 kWh为重要负荷，67.2 kWh为非重要负荷。经计算，储能蓄电池容量需求为181.2 kWh。

3 阀室独立光储系统工作原理

太阳能板选用了单晶硅太阳能板，具有发电效率高，发电稳定等优点。太阳能板3块串联为1组，6组经汇流并联汇总后为一台6 kW的光伏充电控制器提供光伏电能。光伏充电控制器具有最大功率跟踪功能，能够根据当前光照以及太阳能板的光伏特性，进行最大功率跟踪，保证当前光照条件下光电的转换效率最高。光伏充电部分共由3台6 kW光伏充电控制器组成，完成整个光储系统的充电功能。光伏充电控制器的输出接储能阵列柜，为储能柜中的锂电池提供电能。

表1 典型阀室的负荷计算Tab.1 Load calculation of typical valve chamber

4 阀室光伏阵列的布置

阀室光伏阵列的布置需要根据阀室的总体布局，确定可排布光伏阵列的区域，在选定安装区域时注意以下几点：周边物体对光伏阵列产生的阴影区域要排除[9]；布置区域要避开有爆炸危险的工艺装置区、放空区以及其它障碍物；在可利用区域内尽量提高光伏阵列的总体面积，以满足阀室内设备的用电需求[9-10]。

以上述典型阀室为例，经计算，该阀室光伏太阳能板安装总功率需求为17 kWp，需安装315 Wp单晶硅太阳能电池板54块，需占地面积约96.9 m2，考虑到需避开爆炸危险区以及遮挡阴影区，故可采用金属支架将太阳能板支起，典型阀室的光伏阵列布置图见图2，典型阀室的光伏支架见图3，整体安装于撬装小屋上方，既提高了太阳能板安装总功率，又合理避开设备、围墙等产生的阴影区。

图2 典型阀室的光伏阵列布置Fig.2 Photovoltaic array layout of typical valve chamber

图3 典型阀室的光伏支架Fig.3 Photovoltaic bracket of typical valve chamber

5 阀室光伏储能系统的防雷

由于光伏发电系统的系统结构、安装位置和周围环境的特殊性，容易遭受雷电所引起的损害。一般而言，对于阀室光伏储能系统的雷电危害主要有直击雷、感应雷、传导雷等。太阳能电池板是由真空钢化玻璃夹层和四周的铝合金框架做成，铝合金框架与金属支架连接，电池板易遭受直击雷侵袭，也易遭受感应雷侵袭。逆变器、电控柜等电气设备易遭受感应雷和雷电波的侵入，另外，在雷电的作用下，雷电波也可能侵入阀室内危及人身安全或损坏设备，严重的雷电袭击会对整个光伏储能系统造成极大的破坏。

外部防雷系统由防直击雷的系统组成，主要依靠合格的接闪针（带、网、线）系统。由于光伏太阳能板均布置于阀室站场内，故应优先考虑利用站场内的外部防雷系统，如果光伏设备处于保护范围内，则可以不用加装外部防雷系统，反之则要另外加装外部防雷系统。避雷针的布置，要考虑光伏设备在保护范围内又要尽量避免阴影投射到光伏组件上。

内部防雷系统由防雷电电磁脉冲措施组成，内部防雷电电磁脉冲的基本方法是：在入侵通道上将雷电过电压、过电流泄放入地，将雷电电磁脉冲屏蔽滤除，从而达到保护阀室内重要电子设备的目的。从外部进入阀室光伏发电小屋及储能柜的所有导电部件均需要接入等电位连接系统中，所有不带电的金属部件直接连接到等电位连接系统，带电部件则通过安装电涌保护器间接接入等电位连接系统。通过在带电电缆上安装浪涌保护器，减少电涌和雷电过电压对电子设备造成损坏。

6 经济对比分析

以典型阀室为例，以管道设计寿命20 a为周期，从建设成本、维护费用、节能效益等方面，对比10 kV变压器供电方式与光伏储能供电系统。

10 kV变压器供电方式的建设成本主要包括10 kV架空线路（以3 km计）、箱式变电站、征地费、安装费等，合计约61.9万元。运行维护费用主要包括：电费约1.6万元/a、维修费用约0.5万元/a。20 a建设成本及运行维护费用合计109.9万元。

光伏储能供电系统的建设成本主要包括单晶硅太阳能电池板、逆变控制柜、储能电池柜等，合计约37.72万元。每五年更换一次储能蓄电池，投资约20万元。20 a建设成本及运行维护费用合计97.72万元。

在20 a周期内，光伏储能供电系统的建设成本及运行维护费用合计比10 kV变压器供电方式节省约12.18万元。

另外，在节能效益方面，光伏储能供电系统20 a累计发电量约49.6×104kWh，与燃煤电厂相比，折合节约标准煤约157.4 t，可相应减少多种大气污染物的排放，其中减排碳粉尘为100 t、CO2为366 t、SO2为11 t。

7 结束语

太阳能是一种清洁的可再生能源，提高太阳能的利用率有利于保护环境。当天然气管道阀室位于偏远地区，外引电源困难时，采用光伏储能供电系统是一种安全可靠解决方案。光伏储能供电系统与传统的10 kV变压器供电方式相比建设成本和运行维护费用更低，节能减排效果更好。