分布式光儲微電網(wǎng)設(shè)計及應(yīng)用研究

黃小紅 程鵬志 白兆海 黃智尚

微電網(wǎng)作為實現(xiàn)大規(guī)模分布式光伏利用的重要途徑，規(guī)劃建設(shè)分布式光儲微電網(wǎng)，可降低用能系統(tǒng)對大電網(wǎng)的依賴?？傮w來說，發(fā)展分布式光儲微電網(wǎng)的意義主要有以下4個方面：

第一，平滑光伏發(fā)電的輸出功率波動。由于光伏發(fā)電具有很強的間歇性、波動性和不確定性，接入電網(wǎng)時會帶來很大的沖擊。通過配置適量的儲能裝置，可使得光伏發(fā)電對整個電網(wǎng)來說具有功率可控性與可調(diào)度性，有效提高光伏發(fā)電接入電網(wǎng)的穿透率。

第二，降低電網(wǎng)負荷峰谷差值，提高電網(wǎng)設(shè)施利用率。現(xiàn)有電力系統(tǒng)如果配置了足夠大容量的儲能系統(tǒng)，能夠大規(guī)模地儲存電能，即在負荷低谷時段內(nèi)將電能儲存起來，并在負荷高峰時段將其釋放出來，這樣也可以減少電網(wǎng)設(shè)施的配置容量，提高輸配電設(shè)備的利用率，延緩現(xiàn)有配電網(wǎng)的建設(shè)。

第三，提高電源的備用容量，增強電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。為保證一定供電安全可靠性，必須對現(xiàn)有的電源提供備用容量，這樣當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，可將儲能系統(tǒng)作為備用電源，臨時組建微電網(wǎng)，為重要負荷提供備用電源直至電網(wǎng)恢復(fù)。

第四，應(yīng)急備用電源。當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)電能質(zhì)量很差、拉閘限電或故障停電時，光儲微電網(wǎng)可脫離電網(wǎng)，由儲能變流器通過電池建立穩(wěn)定電壓，保證光伏正常發(fā)電，為本地重要負荷獨立供電，提供應(yīng)急備用電源。

一、分布式光儲微電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

光儲微電網(wǎng)可以看成是一組由分布式光伏、儲能裝置、本地負荷組成的包括發(fā)、輸、配、用管理系統(tǒng)在內(nèi)的小型局域電網(wǎng)，并通過唯一的公共連接點接入大電網(wǎng)，既可以并網(wǎng)運行也可以獨立運行。微電網(wǎng)中的電源以光伏等分布式發(fā)電電源為主，容量相對較?。ㄒ话?0MW以下）。相比于傳統(tǒng)的大電網(wǎng)供電方式，分布式光儲微電網(wǎng)可以更好地滿足用戶越來越高的安全和可靠性要求，并為不同的用戶提供多樣化及個性化的供電需求。

微電網(wǎng)自2001年由美國學(xué)者提出以來，目前在全球各地得到了廣泛的關(guān)注并得到了示范應(yīng)用，但截至目前為止，全球不同的國家及研究機構(gòu)對微電網(wǎng)的定義和研究側(cè)重點各有不同，比如美國對微電網(wǎng)的研究著重于利用微電網(wǎng)提高電能質(zhì)量和可靠性；日本則在微電網(wǎng)方面的研究強調(diào)對可再生能源的利用；歐洲微電網(wǎng)的研究則更關(guān)注多個微電網(wǎng)的互聯(lián)和市場交易等問題。

分布式光儲微電網(wǎng)是保證我國能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實施的有效途徑之一，發(fā)展?jié)摿薮蟆译娋W(wǎng)的“十三五”規(guī)劃中指出，分布式電源發(fā)展是能源變革的方向之一。以光伏為主的分布式電源開發(fā)主要本著“因地制宜，科學(xué)利用”的原則，從本質(zhì)上講就是在用戶側(cè)就近安裝電源，就近消納，從而提高用電效率，減少輸電損耗與成本。

可以預(yù)見，隨著我國電改9號文的深入實施，現(xiàn)有供電系統(tǒng)中，政府職能與企業(yè)職能將逐步分開，發(fā)電與輸配電網(wǎng)徹底分離，發(fā)電側(cè)競爭市場機制的建立，從而為分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。正在發(fā)生中的能源變革也為分布式電源在電網(wǎng)中應(yīng)用提供了巨大機遇。國網(wǎng)公司提出的“十三五”電網(wǎng)規(guī)劃中，明確提出要認真落實國家關(guān)于推動能源生產(chǎn)和消費革命的戰(zhàn)略部署，并逐步優(yōu)化配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，建設(shè)智能配電網(wǎng)，適應(yīng)分布式電源點多面廣的發(fā)展特點，滿足分布式能源的靈活接入與高效利用，全力支持2020年全國100個新能源示范城市、200個綠色能源示范縣建設(shè)，最大限度滿足分布式新能源發(fā)展需要[1]。

二、分布式光儲微電網(wǎng)的典型設(shè)計方案

1.分布式光儲微電網(wǎng)的組成

分布式光儲微電網(wǎng)主要包括分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、電池儲能系統(tǒng)以及相關(guān)的配電、能量管理系統(tǒng)（EMS）等。其中，有電網(wǎng)支撐時，光伏儲能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)內(nèi)的主要供電微電源，負荷用電主要來自于光伏發(fā)電，儲能系統(tǒng)則可以平滑光伏發(fā)電波動，提高微電源的電網(wǎng)接入友好性；電網(wǎng)停電時，光儲微電網(wǎng)則啟動應(yīng)急備用供電功能，由儲能變流器建立微網(wǎng)母線支撐，光伏發(fā)電系統(tǒng)可為微電網(wǎng)內(nèi)的負荷提供持續(xù)的能量供應(yīng)。典型光儲微電網(wǎng)的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

（1）光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏組件和光伏逆變器。光伏組件是光伏系統(tǒng)的主要發(fā)電來源。光伏組件的種類有很多，如單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池和多元化合物太陽電池等。一般應(yīng)用，“多晶硅”是首選。光伏逆變器是實現(xiàn)交直流能量轉(zhuǎn)換的核心部分。光伏逆變器主要有組串式逆變器和集中型逆變器，小型電力系統(tǒng)一般選用組串式逆變器。

（2）電池儲能系統(tǒng)

電池儲能系統(tǒng)主要包括儲能電池、電池管理系統(tǒng)和儲能變流器。儲能電池作為能量存儲的載體，既可實現(xiàn)能量搬移，也可實現(xiàn)功率補償。其中，鋰離子電池儲能技術(shù)是一種大規(guī)模高效電化學(xué)儲能新技術(shù)，相比于其他電池儲能技術(shù)，鋰離子電池具有如下優(yōu)勢：電壓高、能量密度高、輸出功率高，能量效率高；電池使用壽命長，自放電低、環(huán)保無污染等，因此大規(guī)模儲能系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。電池管理系統(tǒng)可以對電池陣列組進行全方位的監(jiān)控、管理、保護、報警等，最大化延長儲能電池堆使用壽命。大型儲能系統(tǒng)一般采用三層模塊化結(jié)構(gòu)，包括電池堆管理系統(tǒng)（BAMS）、電池簇管理系統(tǒng)（BCMS）、電池模塊管理單元（BMU）等組件。

（3）能量管理系統(tǒng)（EMS）

EMS是整個光伏微網(wǎng)系統(tǒng)的控制器，其能量管理功能包括系統(tǒng)運行模式判斷、功率調(diào)度及設(shè)備運行狀態(tài)控制，具體而言就是根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)判斷系統(tǒng)處于獨立運行還是并網(wǎng)運行，在獨立運行時需要根據(jù)功率動態(tài)平衡原則完成光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)的功率調(diào)度，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)及設(shè)備狀態(tài)完成光伏并網(wǎng)逆變器的啟?？刂坪碗p模式逆變器的組網(wǎng)控制；在并網(wǎng)運行時根據(jù)蓄電池的狀態(tài)完成雙模式逆變器的充電控制及并網(wǎng)逆變器的啟?？刂?。

2.設(shè)計原則

筆者設(shè)計的光伏混合微電網(wǎng)系統(tǒng)，應(yīng)考慮如下幾個關(guān)鍵問題：

①蓄電池（如鉛酸電池）應(yīng)具有較高的運行壽命。一般情況下，在100%放電深度下，鉛酸電池的充放電循環(huán)次數(shù)為600～1 000次，80%放電深度下為800～1 200次。②微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計本著簡單、可靠，自動化程度高。微電網(wǎng)系統(tǒng)的各種電源及設(shè)備的運行控制應(yīng)完全采用無人值守的設(shè)計運行，整個系統(tǒng)維護工作量少。③在保證系統(tǒng)安全、可靠的前提下，提供高品質(zhì)的電能質(zhì)量，保證當(dāng)?shù)鼐用竦挠秒娦枨?。④結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀毁Y源及負荷側(cè)需求響應(yīng)特性，盡可能高的利用太陽能資源，減少棄光的同時，要保證在連續(xù)陰雨天2天內(nèi)，50%的重要負荷供電需求。⑤系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，后期擴容方便，滿足即插即用的設(shè)計需求。

3.典型運行狀態(tài)

光儲微電網(wǎng)主要分為以下4種運行狀態(tài)。

（1）系統(tǒng)并網(wǎng)運行

系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，PCS處于并網(wǎng)運行狀態(tài)，EMS根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)判斷PCS是否需要對蓄電池進行充電以及以何種方式充電；對于不需要接受功率調(diào)度的微網(wǎng)電站，光伏并網(wǎng)逆變器最大功率發(fā)電，對需要接受調(diào)度指令的微網(wǎng)電站，EMS將調(diào)度指令發(fā)送給光伏并網(wǎng)逆變器按照指令控制發(fā)電功率。

（2）并網(wǎng)向獨立切換

在并網(wǎng)狀態(tài)下如果EMS檢測到電網(wǎng)失電或電網(wǎng)故障則控制并網(wǎng)開關(guān)斷開，同時PCS自動切換到獨立運行，以電壓源形式啟動組建系統(tǒng)電壓；光伏并網(wǎng)逆變器因失電停機，EMS在PCS啟動完成之后，控制并網(wǎng)逆變器重新啟動，系統(tǒng)進入獨立運行模式。

（3）系統(tǒng)獨立運行

系統(tǒng)獨立運行時，EMS的管理原則是通過電源和負荷的管理來維持微網(wǎng)功率的動態(tài)平衡，保證母線電壓和頻率的穩(wěn)定。此時PCS電壓源運行，輸出三相交流電壓組網(wǎng)，光伏并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運行。此時根據(jù)負荷大小與光伏發(fā)電等電源的發(fā)電功率大小EMS需要對電源和負荷進行管理。

這種情況下系統(tǒng)分為2種運行方式，一是負荷功率大于分布式電源的輸出功率，此時各電源最大功率發(fā)電，PCS補充負荷剩余部分的功率需求，蓄電池釋放電能，EMS實時監(jiān)測蓄電池狀態(tài)，當(dāng)蓄電池放電到截止電壓時，EMS應(yīng)啟動負荷管理。負荷管理需要根據(jù)實際情況對不同負荷進行分類，優(yōu)先重要敏感負荷的供電，首先切除不重要負荷直到蓄電池停止放電；二是負荷消耗的功率小于電源輸出的功率，此時PCS會給蓄電池充電，同樣EMS實時檢測蓄電池狀態(tài)，當(dāng)蓄電池電量充滿后EMS限制電源的功率輸出，對可以接受調(diào)度的光伏發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)負荷大小控制其輸出，對不能接受調(diào)度的發(fā)電系統(tǒng)，EMS通過控制其開關(guān)機實現(xiàn)對發(fā)電功率的控制。對于由多組并網(wǎng)逆變器構(gòu)成的系統(tǒng)，為降低光伏并網(wǎng)逆變器同時啟動對母線電壓的沖擊，需要根據(jù)實際情況（光伏逆變器的控制性能、數(shù)量、功率等級等）對其進行分步控制。

（4）獨立向并網(wǎng)切換

在獨立運行狀態(tài)下EMS檢測到電網(wǎng)電壓正常后，首先將PCS運行模式切換為并網(wǎng)運行，PCS自動調(diào)整輸出電壓與大電網(wǎng)的電壓同步，然后EMS閉合并網(wǎng)開關(guān)，所有設(shè)備并網(wǎng)運行，系統(tǒng)進入并網(wǎng)運行模式。

三、應(yīng)用案例設(shè)計分析

1.應(yīng)用場景描述

具體應(yīng)用的分布式光儲微電網(wǎng)拓撲如圖2所示，光伏陣列通過DC/DC智能充電控制器給儲能系統(tǒng)充電，后經(jīng)過DC/AC變流器接入交流母線，該方案廣泛應(yīng)用于光儲微電網(wǎng)、光儲一體化可控型并網(wǎng)系統(tǒng)以及電動汽車光伏直流充電樁等應(yīng)用場合。

針對圖2所示的拓撲框圖，系統(tǒng)參數(shù)配置如下：光伏陣列：20kWp，開路電壓720V；DC/DC充電控制器：20kW一臺；儲能系統(tǒng)：鉛酸蓄電池72kWh（360V/200Ah）；DC/AC變流器：20kW一臺；交流負載：本地生活負載，包括空調(diào)、照明、做飯等負載。

2.光儲容量配置設(shè)計

首先本著因地制宜，科學(xué)設(shè)計的原則，在該應(yīng)用建筑屋頂250m2，可安裝光伏電池版20kWp。接下來關(guān)鍵是要根據(jù)光伏及負載情況來確定儲能系統(tǒng)的容量及配置。

交流最大負載約為17kW，考慮裕量后以20kW負載計算，滿足1h供能需求。儲能有效容量約需20kWh，考慮交直流變換的效率，設(shè)定為90%，最大充放電深度按照90%計算，系統(tǒng)容量系數(shù)取0.8，則需配置容量為20/0.8=25kWh。

直流側(cè)電壓需求：方案中DC/AC變流器交流采用了127：380的升壓隔離變壓器并網(wǎng)，逆變器調(diào)制比取0.85，這樣直流側(cè)電壓Udc≥210V，這決定了儲能系統(tǒng)的最低放電截至電壓。

考慮到是光儲一體化的應(yīng)用場景，充放電頻率按照平均一天一次；充放電電流最大1C。鋰離子電池儲能系統(tǒng)，單體電池電壓為3.2V（標(biāo)準(zhǔn)），2.5V電壓截止。表1列出了滿足本系統(tǒng)要求的3種儲能系統(tǒng)的配置。

由上述配置方式對比可知，上述方案均選擇較大Ah的電池單體，每個電池廠家常用電池型號不一，還需特殊考慮。

3.儲能管理系統(tǒng)設(shè)計

為了保證單體電池的均衡充放電，必須配置相應(yīng)的儲能管理系統(tǒng)來負責(zé)系統(tǒng)的管理，主要功能包括電池運行基本信息測量、電量估計、單體電池間的均衡、數(shù)據(jù)通信等幾個方面，具體如圖3所示。

為了完成對整個電池柜的智能化管理和控制，電池管理系統(tǒng)一般分3個層級：電芯管理控制層（CSC），電池組管理單元（SBMU）和電池能量管理單元（MBMU）。CSC位于電池箱內(nèi)，完成對電池箱內(nèi)部單節(jié)電池信息的數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)上傳給SBMU，同時根據(jù)SBMU下發(fā)的指令完成電池箱內(nèi)單體電芯間的均衡。SBMU位于主控箱內(nèi)，負責(zé)電池柜的管理工作，接收電池柜內(nèi)部CSC上傳的詳細數(shù)據(jù)，采樣電池柜的電壓和電流，進行SOC、SOH計算和修正，完成電池柜預(yù)充電和充放電管理，并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳給MBMU。MBMU安裝在主控箱內(nèi)，MBMU負責(zé)整個電池系統(tǒng)的運行管理，接收SBMU上傳的數(shù)據(jù)進行分析和處理，與外部設(shè)備通過干接點進行交互，并將電池柜系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給電池系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)顯示和保存。

4.運行結(jié)果分析

光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)一方面可以保證系統(tǒng)具有并網(wǎng)與獨立運行2種運行模式，另一方面也能平抑光伏發(fā)電的波動性，圖4是某典型日用于控制并網(wǎng)點處功率恒定的運行曲線。

從運行結(jié)果來看，分布式光儲微電網(wǎng)完全能夠平抑光伏等可再生能源的功率短時波動，減少分布式電源功率波動對配電網(wǎng)的沖擊。

四、結(jié)語

未來“能源互聯(lián)網(wǎng)”中，將以高壓輸電線路為“主干網(wǎng)”；而以各種可再生能源組成的微電網(wǎng)作為區(qū)域網(wǎng)?！澳茉椿ヂ?lián)網(wǎng)”強調(diào)的是大量分布式能源，尤其是光伏發(fā)電的接入，強調(diào)是信息和能量的高速和高效傳輸，強調(diào)的多方能源載體的對等參與市場調(diào)節(jié)。在“能源互聯(lián)網(wǎng)”背景下，微電網(wǎng)將取代現(xiàn)有的配電網(wǎng)，成為能源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中非常重要的環(huán)節(jié)，是大量負荷，分布式能源的接入載體，是實現(xiàn)分散能源利用、接入、消費、生產(chǎn)、管理和調(diào)節(jié)的綜合性網(wǎng)絡(luò)。

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