光伏智能微電網(wǎng)現(xiàn)狀與案例分析

■ 鄭洪 康微微 曲博

(1. 沈陽工程學(xué)院產(chǎn)業(yè)管理處；2. 遼寧太陽能研究應(yīng)用有限公司)

0 引言

工業(yè)社會(huì)發(fā)展的今天，用電負(fù)荷日益激增，致使現(xiàn)有的供電網(wǎng)絡(luò)很難滿足快速增加的用電負(fù)荷供給需求，電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性與安全性已成為關(guān)注焦點(diǎn)。尤其在歐美等一些國(guó)家和地區(qū)，近幾年連續(xù)發(fā)生大型互聯(lián)電網(wǎng)大規(guī)模停電事故后，各國(guó)紛紛將光伏發(fā)電系統(tǒng)提上日程。近年，我國(guó)各省市也相應(yīng)出臺(tái)了光伏電站政府補(bǔ)貼政策，加快推動(dòng)分布式光伏微電網(wǎng)能源系統(tǒng)的產(chǎn)生和分布式電源的大規(guī)模應(yīng)用。

由于分布式微電網(wǎng)的存在對(duì)于大電網(wǎng)的電能質(zhì)量、運(yùn)行穩(wěn)定可靠性等方面易產(chǎn)生不利影響，對(duì)電力系統(tǒng)造成較大沖擊，現(xiàn)如今各國(guó)將協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式微電網(wǎng)之間的矛盾作為研究重點(diǎn)，目的在于最大限度地發(fā)掘分布式微電網(wǎng)在經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境中的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)發(fā)揮綠色清潔能源的特點(diǎn)。智能微電網(wǎng)是相對(duì)傳統(tǒng)大電網(wǎng)而言的，是由多個(gè)分布式電源、負(fù)載、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、保護(hù)裝置和管理控制系統(tǒng)構(gòu)成的獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，既可與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可孤立運(yùn)行。分布式電源一般包括天然氣、太陽能、生物質(zhì)能、氫能、風(fēng)能、小水電等可再生清潔能源。

1 智能微電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著各國(guó)微電網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，清潔能源應(yīng)用范圍越來越廣，智能化程度越來越高。歐洲的丹麥、德國(guó)、希臘等國(guó)家紛紛建立了智能電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室；美國(guó)、法國(guó)等國(guó)家曾提出能源計(jì)劃，修建智能電網(wǎng)，提高變電站自動(dòng)化水平，最大限度發(fā)揮國(guó)家電網(wǎng)的價(jià)值和效率。

智能微電網(wǎng)應(yīng)用的逐步擴(kuò)大可促進(jìn)可再生能源發(fā)展。我國(guó)正在大規(guī)模發(fā)展可再生能源，只有通過微電網(wǎng)集成分布式發(fā)電技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、電力電子技術(shù)等，才能充分有效地發(fā)揮可再生能源的潛力。智能微電網(wǎng)可提高電力系統(tǒng)抗災(zāi)能力，我國(guó)目前正在發(fā)展特高壓電網(wǎng)，一旦將地理位置接近的重要負(fù)荷組成微電網(wǎng)，設(shè)計(jì)合適的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和控制，必然會(huì)有力地提高電網(wǎng)的抗災(zāi)能力。在我國(guó)偏遠(yuǎn)農(nóng)村和荒漠地區(qū)，地形條件復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后，遠(yuǎn)距離輸電成本高、可靠性差，可通過建立并網(wǎng)光伏電站、風(fēng)力發(fā)電、小水電等形式的微電網(wǎng)解決這些地區(qū)的居民用電問題，將多余電量接入大電網(wǎng)，進(jìn)一步帶動(dòng)當(dāng)?shù)匕l(fā)展。智能微電網(wǎng)還可降低投資和運(yùn)營(yíng)成本，超大型電站與分散的微型電源相結(jié)合，可縮短電力的傳輸距離，降低在輸配電線路上的投資，使電力系統(tǒng)更安全、更經(jīng)濟(jì)。

近年來，我國(guó)對(duì)智能微電網(wǎng)給予了大力支持，國(guó)家電網(wǎng)公布了“智能電網(wǎng)”的發(fā)展計(jì)劃，先后建立了多個(gè)示范項(xiàng)目，包括：

1)浙江北麂島1.274 MW離網(wǎng)儲(chǔ)能電站：是由柴油機(jī)發(fā)電、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備及蓄電池等電源設(shè)備進(jìn)行并網(wǎng)聯(lián)接，構(gòu)建新型綠色智能微型電網(wǎng)，給用戶負(fù)載提供較高質(zhì)量的電能，即使脫離了配電網(wǎng)，仍可獨(dú)立運(yùn)行。

2)珠海東澳島1 MW智能微電網(wǎng)系統(tǒng)：利用光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、柴油發(fā)電和蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)組成海島分布式供電系統(tǒng)，與海島原有的柴油發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)輸配系統(tǒng)集成為一個(gè)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)；最大程度地利用海島上豐富的太陽光和風(fēng)力資源，最小程度地利用傳統(tǒng)的柴油發(fā)電，為生態(tài)海島提供綠色電力供應(yīng)，保持供電穩(wěn)定。

3)天津智能微電網(wǎng)系統(tǒng)：2014年5月首個(gè)智能微電網(wǎng)項(xiàng)目在天津賽達(dá)工業(yè)園區(qū)落戶，該“光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能”3合1微電網(wǎng)采用300 kW光伏、400 kW風(fēng)力發(fā)電，鋰離子電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能，該智能微網(wǎng)系統(tǒng)有效改善了新能源并網(wǎng)的電能質(zhì)量。

4)上海迪斯尼110 kV變電站站用電微網(wǎng)系統(tǒng)：由屋頂19.6 kW光伏發(fā)電和磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池組成，2014年6月通過驗(yàn)收，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)在站用電部分采用微網(wǎng)系統(tǒng)的變電站工程，也是國(guó)際上率先在變電站內(nèi)嘗試建立微網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)例。

2 110 kW智能微電網(wǎng)設(shè)計(jì)案例分析

以遼寧太陽能研究應(yīng)用有限公司辦公大樓微電網(wǎng)系統(tǒng)為例，總裝機(jī)容量110 kW，總占地面積2700 m2。玻璃幕墻和采光頂組件約12 kW，樓頂平臺(tái)電站光伏組件96.18 kW(其中，10.8 kW為獨(dú)立電站，85.38 kW為并網(wǎng)電站)，雙軸跟蹤光伏組件2.25 kWP，共計(jì)110.43 kW；同時(shí)配備100 kW柴油發(fā)電機(jī)，組成微網(wǎng)系統(tǒng)。

大樓采光頂光伏陣列功率為3.465 kWP，組件安裝方式見圖1。玻璃幕墻光伏陣列功率為8.208 kWP，組件安裝方式見圖2。樓頂平臺(tái)電站光伏陣列功率為96.18 kW，組件安裝方式見圖3。100 kW柴油發(fā)電機(jī)見圖4。

圖1 采光頂光伏組件

圖2 玻璃幕墻光伏組件

圖3 樓頂并網(wǎng)電站

圖4 100 kW柴油發(fā)電機(jī)

正常情況下，微網(wǎng)內(nèi)太陽能電源與市電網(wǎng)共同為公司大樓照明、電腦、空調(diào)、生產(chǎn)設(shè)備、日常辦公等用電負(fù)荷供電，也可為園區(qū)內(nèi)電動(dòng)車試驗(yàn)提供充電服務(wù)。當(dāng)周末無用電負(fù)荷時(shí)，太陽能發(fā)電并入市電網(wǎng)；當(dāng)外部電網(wǎng)故障時(shí)，微網(wǎng)斷開與主網(wǎng)(市電網(wǎng))的連接，切換到柴油發(fā)電機(jī)組，與太陽能電源共同工作實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)運(yùn)行，單獨(dú)向用電負(fù)荷供電；當(dāng)主網(wǎng)故障排除后，微網(wǎng)從離網(wǎng)運(yùn)行模式重新切換回并網(wǎng)模式。系統(tǒng)用電負(fù)荷數(shù)據(jù)見表1。

表1 系統(tǒng)用電負(fù)荷數(shù)據(jù)表

本微網(wǎng)系統(tǒng)中，辦公大樓采光頂光伏電站由15個(gè)微型子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)均采用250 W微逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電匯入總系統(tǒng)，其安裝圖見圖5。

圖5 采光頂光伏電站子系統(tǒng)微逆變器安裝圖

微逆變器具有對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)光伏組件進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控制的功能，因此，在實(shí)際安裝中對(duì)于每組組件一致性的要求降低了。實(shí)際應(yīng)用中在遭遇陰影遮擋、云霧變化、污垢積累、光伏組件老化等不理想條件時(shí)，采用分布式微逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)可提高多達(dá)20%的發(fā)電量。從長(zhǎng)期來看，系統(tǒng)整個(gè)生命周期內(nèi)的發(fā)電效益顯著提高。同時(shí)這種分布式架構(gòu)可保證不會(huì)因單點(diǎn)故障導(dǎo)致大陣列失靈(較適用于組件分散布置，微型用戶使用)。

樓頂光伏電站采用20臺(tái)5 kWp并網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電并入電網(wǎng)(配電柜見圖6)。其中，并網(wǎng)逆變器采用組串式逆變器(不帶有MPPT功能，見圖7)和集中式逆變器(帶有MPPT功能，見圖8)兩種。

在有不同陰影面積遮擋情況下，采用組串式逆變器與采用集中式逆變器系統(tǒng)的發(fā)電量不同。經(jīng)測(cè)試，其系統(tǒng)的輸出功率對(duì)比曲線見圖9，發(fā)電量對(duì)比數(shù)據(jù)見表2。

圖6 系統(tǒng)配電柜

圖7 分離式逆變器排布圖

圖8 集中式逆變器排布圖

圖9 組串式逆變器與集中式逆變器發(fā)電量對(duì)比

表2 不同陰影遮擋下發(fā)電量對(duì)比數(shù)據(jù)

圖9顯示了同樣遮擋情況下兩個(gè)單元的發(fā)電功率曲線，在8：00～10：00時(shí)間段內(nèi)組串式逆變器單元的發(fā)電量是集中式的2倍，在無陰影遮擋時(shí)間段內(nèi) (約 10：00～15：00)，由于組串式逆變器優(yōu)化器自身能量消耗，組串式單元發(fā)電功率略低于集中式單元發(fā)電功率。由全天發(fā)電功率曲線得出，組串式逆變器單元將系統(tǒng)日發(fā)電量提高了8.45%。經(jīng)過連續(xù)4個(gè)月的發(fā)電量統(tǒng)計(jì)得出，組串式單元將系統(tǒng)總發(fā)電量提高了6.48%。

本項(xiàng)目智能微網(wǎng)系統(tǒng)采用了分布式太陽能電源發(fā)電，日最大發(fā)電功率80 kW，日最大發(fā)電量500 kWh，年并網(wǎng)發(fā)電量可達(dá)10萬kWh，折合年節(jié)約標(biāo)煤30744 kg，減排二氧化碳 86839 kg，減排二氧化硫100 kg，減排粉塵330 kg。在節(jié)約能源的同時(shí)，有效推進(jìn)綠色清潔能源的應(yīng)用，并為用電負(fù)荷提供了高可靠性的供電，具有較高的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

3 結(jié)論

在本智能微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)中，創(chuàng)先將光伏電站分割成多個(gè)微型子系統(tǒng)，使用微逆變器能有效提高系統(tǒng)發(fā)電效率，并保證不會(huì)因單點(diǎn)故障導(dǎo)致大陣列失靈，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)通過組串式逆變器與集中式逆變器實(shí)際發(fā)電數(shù)據(jù)對(duì)比得出組串式逆變器單元可提高系統(tǒng)總發(fā)電量的結(jié)論，為今后微網(wǎng)電站項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供可靠參考依據(jù)。

智能微電網(wǎng)系統(tǒng)存在多種組合運(yùn)行方式，且都可并網(wǎng)和離網(wǎng)運(yùn)行。模塊化、智能化微網(wǎng)系統(tǒng)安裝方便、靈活可靠，是今后光伏電站的主要發(fā)展方向。開發(fā)和延伸微電網(wǎng)能充分促進(jìn)分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷多種能源形式的高可靠供給，是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式配電網(wǎng)的一種有效方式，是傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的過渡。

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