針對光伏儲能的微電網系統(tǒng)設計

李想

摘 要：微電網是近年來出現(xiàn)的一種新型能源網絡化供應與管理技術的簡稱，它能夠便于將可再生能源和清潔能源系統(tǒng)接入，實現(xiàn)需求側管理以及現(xiàn)有能源的最大化利用。微電網將發(fā)電子系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)及負荷相結合，通過相關控制裝置間的配合，可以同時向用戶提供電能和熱能，并能夠適時有效地支撐大電網，起到消峰填谷的作用。所以微電網概念一經提出，就引起世界能源專家和電力工業(yè)界的廣泛重視，世界很多國家都加強了相關基礎科學研究的力度，對微電網的認識隨著研究的進行在不斷地具體化、深入化和系統(tǒng)化。而微電網對于解決我國現(xiàn)有大電網運行中凸顯的問題，以及能源危機等相關問題，無疑提供了一個好的解決途徑。

關鍵詞：并網光伏發(fā)電；儲能；微網

引言

隨著光伏、風電等可再生能源發(fā)電技術的發(fā)展，分布式發(fā)電日漸成為滿足負荷增長需求、提高能源綜合利用效率、提高供電可靠性的一種有效途徑，并在配電網中得到廣泛的應用。但分布式發(fā)電的大規(guī)模滲透也產生了一些負面影響，如單機接入成本較高、控制復雜、對大系統(tǒng)的電壓和頻率存在沖擊等。這限制了分布式發(fā)電的運行方式，削弱了其優(yōu)勢和潛能。微網技術為分布式發(fā)電技術及可再生能源發(fā)電技術的整合和利用提供了靈活、高效的平臺。

文章結合某城市建筑學院金太陽示范工程，選擇該高校節(jié)能建筑樓共80kWp建設規(guī)模，進行光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和微網控制管理系統(tǒng)研究和設計，完成分布式光伏儲能發(fā)電接入工程總體技術方案，為實現(xiàn)綠色光伏電源無障礙并網提供技術指導。

以下對工程的發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和微網控制管理系統(tǒng)方案設計進行重點描述。

1 總體設計方案

系統(tǒng)將采用分布式并網的設計方案+儲能微網系統(tǒng)，將80kWp系統(tǒng)分成4個20kW并網發(fā)電單元，通過4臺20kW并網逆變器接入0.4kV交流電網，實現(xiàn)并網發(fā)電。

2 發(fā)電系統(tǒng)設計

2.1 光伏電池陣列設計

系統(tǒng)的電池組件選用功率為250Wp的多晶硅太陽電池組件，工作電壓約為29.6V，開路電壓約為37.1V。根據(jù)20kW并網逆變器的MPPT工作電壓范圍（300V～1000V），每個電池串列按照20塊電池組件串聯(lián)進行設計，每個20kW的并網單元需配置4個電池串聯(lián)組并列，80塊電池組件，其功率為20kWp；整個80kWp系統(tǒng)需要16個電池串聯(lián)組并列，共320塊電池組件。

2.2 并網逆變器設計

發(fā)電系統(tǒng)設計為4個20kWp的逆變器光伏并網發(fā)電，整個系統(tǒng)配置4臺該型號的光伏并網逆變器，組成80kWp并網發(fā)電系統(tǒng)。

3 儲能系統(tǒng)設計

系統(tǒng)采用光伏和儲能混合供電，有市電情況下，由光伏和市電給負載供電，市電斷電時，由儲能系統(tǒng)和光伏繼續(xù)供電，電池備用時間為10h，負載為65KW。

3.1 系統(tǒng)一次圖：

3.2 電池選型和串并聯(lián)設計

由于系統(tǒng)負載65KW，備用10小時，則需要電量為650KWh，考慮0.7的電池放電深度，則需要電量大約為930KWh。

該儲能系統(tǒng)選用閥控密封免維護蓄電池（AGM膠體）：每節(jié)2V，1500Ah。采用310節(jié)串聯(lián)。電池端口電壓620V。這樣電池組的總容量為：

2×1500×310=930KWh

3.3 儲能變流器選型

對于儲能系統(tǒng)，設計采用雙向逆變器實現(xiàn)蓄電池儲能系統(tǒng)與交流母線的能量交互。雙向逆變器采用逆變/充電一體機可以實現(xiàn)純正弦波輸出交流電壓，以及在交流逆變器中集合了蓄電池充電功能、交流自動切換開關等。由于它具有與電網并網運行或脫離電網單獨運行的雙重功能，雙向逆變器能夠與光伏發(fā)電系統(tǒng)一起，提供全天候或備用電能。

設備容量：80KW

直流輸入電壓范圍：500-800V

交流輸出電壓：400Vac

選型說明：在離網狀態(tài)下，設備空載時，80KW光伏通過PCS給電池充電，考慮20%的系統(tǒng)容量，則需要80×1.2=100KW的PCS容量。

4 系統(tǒng)運行說明

4.1 市電正常時，系統(tǒng)處于并網運行模式，設備并網的啟動和運行過程如下：

（1）并離網控制柜內的控制器會實時檢測與市電連接的并離網開關上端的電壓和頻率，當市電處于正常電壓范圍內時，控制器控制并離網開關閉合。（2）光伏逆變器檢測到市電在允許正常工作的范圍內后，根據(jù)設定的參數(shù)，在一定的啟動延時內自動開機運行，發(fā)出的電能提供給負載，多余的電能會返送回電網。（3）儲能變流器（PCS）在并網運行模式下，設定為充電狀態(tài)，使電池保持在浮充狀態(tài)。

4.2 市電故障時，系統(tǒng)處于離網運行模式，設備的運行狀態(tài)和模式切換過程如下：

（1）并離網控制柜內的控制器檢測到市電失電后，控制并離網開關斷開，同時發(fā)出并網轉離網的控制信號給儲能變流器。（2）光伏逆變器檢測到市電掉電后，進入孤島運行保護，標準要求2S內停機，假設300ms內可停機，則此段時間內交流母線還帶電。（3）PCS在接受到并網轉離網指令后，同時檢測設備端口確實失電后，PCS先關機再啟動并按離網模式運行。如PCS不檢測端口電壓狀態(tài)，則整個切換過程約80ms；如為確保PCS可靠運行，防止誤判斷，同時檢測端口電壓狀態(tài)，則整個切換過程需加上光伏逆變器孤島保護時間，約380ms。模式轉換過程中，負載會掉電一小段時間，離網運行時PCS的輸出功率由負載決定。（4）光伏逆變器檢測到PCS提供的支撐電壓在允許工作的正常范圍內時，自動開機運行。當光伏發(fā)出的電能小于負載的消耗時，光伏和PCS同時給負載供電；當光伏發(fā)出的電能大于負載的消耗時，多余的電能可以通過PCS反灌給電池充電。

4.3 市電恢復時，系統(tǒng)恢復并網運行模式，設備的運行狀態(tài)和模式切換過程如下：

（1）并離網控制柜內的控制器檢測到市電恢復后，發(fā)出同期信息給儲能變流器，當并離網開關上端和下端電壓幅值、頻率和相位一致時，控制并離網開關閉合，同時發(fā)出離網轉并網的控制信號給儲能變流器。（2）光伏逆變器保持運行。（3）PCS在根據(jù)同期信息調整輸出電壓，并根據(jù)離網轉并網指令轉成并網模式，由于通訊的延遲，此時PCS會承受短暫的沖擊，PCS轉成并網模式后保持模式變換前設定的參數(shù)運行，即充電狀態(tài)，負載供電不間斷。

5 結束語

本工程將建設一個真正包含光伏發(fā)電、電力儲能、并具有微網特性的實際運行系統(tǒng)示范工程；能夠真正實現(xiàn)分布式光伏電源、儲能系統(tǒng)友好接入電網，實現(xiàn)與配電網并網協(xié)調運行，實現(xiàn)微電網雙向潮流環(huán)境下控制保護協(xié)調工作的系統(tǒng)；可體現(xiàn)分布式光伏電源、儲能系統(tǒng)智能協(xié)調工作，凸顯智能微網能量優(yōu)化調度控制的效果。

參考文獻

[1]張建華，黃偉.微電網運行、控制與保護技術[M].中國電力出版社，2010.

[2]徐青山.分布式發(fā)電與微電網技術[M].人民郵電出版社，2011.