高原高寒地區(qū)智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及效益*

次仁平措

（西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 拉薩 850000）

國際上均認(rèn)為智能分布式微電網(wǎng)技術(shù)將是未來電力系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向之一。對于發(fā)達(dá)國家而言，由于技術(shù)先進(jìn)且電力系統(tǒng)發(fā)展較早，已經(jīng)基本完成了智能分布式微電網(wǎng)技術(shù)理論方面的研究工作，且實(shí)施了技術(shù)相對成熟的有關(guān)項(xiàng)目。2003年，歐盟科技框架計(jì)劃為了研究智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行、監(jiān)控、保護(hù)及通訊等方面的基礎(chǔ)理論，分別開展了：Microgrids和More Microgrids兩個(gè)智能分布式微電網(wǎng)項(xiàng)目［1］，且在希臘、荷蘭等成員國內(nèi)建立了示范工程；同時(shí)在2003年，日本為了對新能源發(fā)電技術(shù)、能量管理及系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)等方面進(jìn)行更為深入的研究，其新能源產(chǎn)業(yè)開發(fā)機(jī)構(gòu)分別在愛知縣、京都及青森三個(gè)地方建立了示范工程［2］；2005年，英國政府在其首都建立了可進(jìn)行并網(wǎng)切換的智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)［3］；2006年，美國DOE和GE兩個(gè)公司通過合作開發(fā)，針對智能分布式微電網(wǎng)技術(shù)的商業(yè)用途及分布式電源對市政電網(wǎng)的影響等方面展開了研究［4］；同年，不僅美國能源部提出將智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)作為未來電力系統(tǒng)的重要組成部分之一，而且德國的國家太陽能所還建立了配電容量達(dá)200KVA的智能微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室［5］；2010年，日本通過組建智能化社區(qū)聯(lián)盟來開展智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的示范性研究工作［6］。中國對智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的研究工作主要體現(xiàn)在“863”及“973”計(jì)劃上，2008年，天津大學(xué)針對利用多種新能源進(jìn)行發(fā)電的智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)，開展了優(yōu)化運(yùn)行策略的研究工作［7］；同年，合肥工業(yè)大學(xué)通過搭建實(shí)驗(yàn)室平臺，研究了智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)在用能管理及智能監(jiān)控等方面的耦合協(xié)調(diào)運(yùn)行［8］。

文章主要研究了智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)在高原高寒地區(qū)（拉薩）的設(shè)計(jì)與效益。主要包含有太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的預(yù)測效益。文章的研究內(nèi)容對西藏地區(qū)智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展具有實(shí)際意義，且筆者作為課題的負(fù)責(zé)人參與了整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)施工作。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目工程位于西藏自治區(qū)能源研究示范中心，由1套光伏發(fā)電單元組成，光伏組件總安裝容量為45.9KWp，分別布置在新舊宿舍樓及車庫的屋頂，配置2臺直流匯流箱，使用1臺50KVA儲能逆變器、240KWh蓄電池組、通過1臺交流并網(wǎng)柜接入配變低壓側(cè)母線，實(shí)現(xiàn)在有市電情況下將光伏組件發(fā)電功率直接并網(wǎng)，在無市電狀態(tài)下通過儲能逆變器建立微型電網(wǎng)為特定辦公樓提供電源。在該儲能式建筑光伏系統(tǒng)中，蓄電池用來在無市電、無陽光等情況下通過雙模式逆變器持續(xù)向特定辦公樓提供電能。

1.1 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目太陽能光伏組件安裝區(qū)域主要有三處，分別是新舊宿舍樓屋頂和車庫屋頂，光伏組件布置方案如圖1所示。太陽能光伏組件選用255Wp多晶硅組件，組件尺寸1650×990×40（mm），開路電壓37.7V，MPPT電壓30V，短路電流9.01A。組串采用18塊組件串聯(lián)為1串，新宿舍樓可安裝3串，舊宿舍樓可安裝4串，車庫可安裝3串，共安裝光伏組件10串，180塊，直流功率為45.9kW。

圖1 太陽能光伏組件布置方案

1.1.1 方陣間距計(jì)算。太陽能光伏方陣的布置應(yīng)避免屋頂構(gòu)筑物或其它高大建筑物形成陰影而造成的遮擋，否則在遮蔭部分，非但沒有電力輸出，反而將消耗電力，形成局部性發(fā)熱，產(chǎn)生“熱斑效應(yīng)”，嚴(yán)重時(shí)將損壞該太陽能光伏組件。陰影遮擋確定原則為：一年中冬至日太陽高度角最低，方陣間距D應(yīng)大于冬至日真太陽時(shí)上午9∶00和下午15∶00時(shí)的陰影的最大長度，保證在該時(shí)段內(nèi)不發(fā)生陰影遮擋，則太陽能光伏陣列一年之中太陽能輻射較佳利用范圍內(nèi)時(shí)不會發(fā)生陰影遮擋。根據(jù)該項(xiàng)目所在地的地理緯度、太陽運(yùn)動情況、高度差等可由以下公式計(jì)算最大陰影長度D。

式中：φ——當(dāng)?shù)鼐暥龋ㄔ诒卑肭驗(yàn)檎?，南半球?yàn)樨?fù)），項(xiàng)目所在地為北緯29.66°；

δ——冬至日的太陽赤緯角，項(xiàng)目所在地為-23.5°；

ω——時(shí)角，上午9∶00 和下午3∶00 的時(shí)角為±45°；

α——太陽高度角；

β——太陽方位角。

該項(xiàng)目屋頂太陽能光伏方陣均采用單排豎向最佳傾角布置，即θ＝35°時(shí)，求得D＝3.05m，文中設(shè)計(jì)取值為3.1m。

1.1.2 光伏組件串并聯(lián)數(shù)計(jì)算。項(xiàng)目中太陽能光伏組件串并聯(lián)數(shù)量的確定，需要與所選擇的并網(wǎng)逆變器相匹配，匹配計(jì)算取值和公式如下。

項(xiàng)目選用255Wp的多晶硅太陽能光伏組件，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。為了保證太陽能光伏系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，根據(jù)建設(shè)地的氣象資料，該光伏系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在-20℃至70℃的情況下能正常工作運(yùn)行。由于太陽能光伏組件在極限溫度下的參數(shù)會發(fā)生變化，其溫度系數(shù)應(yīng)如表2所示。

表1 255Wp多晶硅太陽能光伏組件技術(shù)參數(shù)

表2 255Wp多晶硅太陽能光伏組件溫度系數(shù)

1.1.3 太陽能光伏組件串并聯(lián)組合計(jì)算公式。

式中：N——太陽能光伏組件串聯(lián)數(shù)（N取整數(shù)）；

Kv——太陽能光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)；

Kˊv——太陽能光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)；

t——太陽能光伏組件在工作條件下的極限低溫（℃）；

t——太陽能光伏組件在工作條件下的極限高溫（℃）；

Vdcmax——逆變器允許的最大直流輸入電壓（V）；

Vmpptmax——逆變器MPPT電壓的最大值（V）；

Vmpptmin——逆變器MPPT電壓的最小值（V）；

Voc——太陽能光伏組件的開路電壓（V）；

Vpm——太陽能光伏組件的工作電壓（V）。

通過以上公式的計(jì)算可以得到：針對并網(wǎng)逆變器和充電控制器設(shè)計(jì)太陽能光伏組串?dāng)?shù)時(shí)，還應(yīng)同時(shí)考慮到高原高寒地區(qū)電氣絕緣性能降容的問題（海拔每升高1000米，降容約10%左右），因此每條支路串聯(lián)太陽能光伏組件為18-20塊最合適，文中設(shè)計(jì)選擇為18塊。

1.2 儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目擬通過采用市電、分布式光伏發(fā)電與儲能系統(tǒng)相結(jié)合的智能微電網(wǎng)技術(shù)真正做到智能綠色電源，提高用電管理水平和可靠性，打造綠色環(huán)保的新型電源體系。電源系統(tǒng)采用“太陽能光伏組件陣列+鋰電池儲能系統(tǒng)+市電”的三電源系統(tǒng)設(shè)置。

儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要由：電池組、電池管理系統(tǒng)、PCS、配電系統(tǒng)等組成，設(shè)計(jì)容量為60KW/240KWh。儲能電池系統(tǒng)由電池架儲能單元組成，每個(gè)電池架儲能單元由1個(gè)電池組串組成，容量為80KWh，共3個(gè)單元電池架，總?cè)萘繛?40KWh，與配置1臺58KW儲能變流器，構(gòu)成60KW/240KWh儲能系統(tǒng)。為保障儲能系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，系統(tǒng)內(nèi)部還配置一套消防系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、BMS等以保證儲能系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

1.2.1 儲能逆變器。儲能逆變器是連接市政電網(wǎng)、太陽能光伏組件及儲能電池組的電力電子接口設(shè)備，通過控制可實(shí)現(xiàn)電壓、電流的交直流雙向變換功能。由光伏組件最大功率跟蹤模塊、主功率部分、信號檢測部分、控制部分、驅(qū)動部分、監(jiān)控顯示部分和輔助電源等部分構(gòu)成，儲能逆變器拓?fù)淙鐖D2所示。本文中該儲能系統(tǒng)對儲能逆變器要求功能：①能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)離網(wǎng)切換運(yùn)行模式；②蓄電池充電功能；③蓄電池充放電保護(hù)功能。

圖2 儲能逆變器拓?fù)鋱D

儲能系統(tǒng)的充放電模式：①充電時(shí)：以P/Q源模式運(yùn)行，跟隨電網(wǎng)電壓以恒功率充電；②放電時(shí)：以V/F源模式運(yùn)行，輸出一個(gè)恒定的電壓和頻率，根據(jù)用戶側(cè)實(shí)際的負(fù)載需求供電。

此外，儲能系統(tǒng)還應(yīng)具有以下特點(diǎn)：①全方位、多層次的電池保護(hù)策略、故障隔離措施，高安全性；②開放式以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)，可提供便捷的通訊接口；③鋰電池系統(tǒng)運(yùn)行情況受溫度高低的影響。儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一套具備耐寒性能的電池系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)，在高原高寒地區(qū)能高效率運(yùn)行，保證負(fù)載供電及備電需求，具備溫度補(bǔ)償功能，靈活應(yīng)對高原高寒地區(qū)的氣溫變化；④針對高原高寒地區(qū)空氣稀薄、溫度低、靜電現(xiàn)象頻繁等情況，開發(fā)出適用于高原高寒地區(qū)的電池管理系統(tǒng)，耐寒程度提高，具備有效的防靜電功能，促使電池管理系統(tǒng)快速檢測電芯運(yùn)行的信息，并對故障信息快速響應(yīng)。

1.2.2 電池管理系統(tǒng)。項(xiàng)目中電池管理系統(tǒng)（BMS）由：電池組管理單元BMU、電池組串管理系統(tǒng)MBMS、電池堆管理系統(tǒng)BAMS及高壓控制箱HVC組成。BMS系統(tǒng)具有模擬信號高精度檢測及上報(bào)、故障告警上傳和存儲、電池保護(hù)、參數(shù)設(shè)置、主動均衡、電池組SOC定標(biāo)和與其它設(shè)備信息交互等功能。設(shè)計(jì)中BMS系統(tǒng)針對西藏高原高寒地區(qū)空氣稀薄、溫度低、靜電現(xiàn)象頻繁等情況，針對性的設(shè)計(jì)出適用于高原高寒地區(qū)的電池管理系統(tǒng)。

電池管理系統(tǒng)（BMS）主要特點(diǎn)：①三層架構(gòu)管理系統(tǒng)；②對電池運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施全面檢測，包括電壓、電流、溫度等信息；③單體電池電壓檢測精度高：±2mV,保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析可信度；④多點(diǎn)溫度監(jiān)控，避免電池?zé)崾Э兀Ｕ舷到y(tǒng)安全；⑤多種均衡方式，有效延長電池壽命；⑥模塊化設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性強(qiáng)；⑦完備可靠的電池保護(hù)功能；⑧支持GPRS數(shù)據(jù)采集及無線傳輸；⑨排障導(dǎo)引、事件及操作日志記錄；⑩增強(qiáng)電池運(yùn)行數(shù)據(jù)分析能力，提高報(bào)表功能負(fù)載聯(lián)動控制優(yōu)化，緊密配合PCS、儲能調(diào)度系統(tǒng)，提高系統(tǒng)效率;具備溫度補(bǔ)償功能，靈活應(yīng)對西藏高原高寒地區(qū)的氣溫變化。

針對高原高寒地區(qū)空氣稀薄、溫度低、靜電現(xiàn)象頻繁等情況，設(shè)計(jì)出適用于高原高寒地區(qū)的電池管理系統(tǒng)，使其耐寒程度提高，具備有效的防靜電功能，促使電池管理系統(tǒng)快速檢測電芯運(yùn)行等信息，并對故障信息快速響應(yīng)。

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秉持科學(xué)安全，綠色環(huán)保，集約用地等原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，在盡量縮減該項(xiàng)目建設(shè)周期的情況下，促進(jìn)環(huán)境友好發(fā)展。表3給出了監(jiān)控系統(tǒng)的硬件材料清單，監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)如下。

1.3.1 自主學(xué)習(xí)式SOC/SOH評估算法。常規(guī)SOC估計(jì)和電池系統(tǒng)容量估計(jì)都存在累計(jì)誤差的問題，難以實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)的可用容量及SOC標(biāo)定的精確性。設(shè)計(jì)中采用深圳欣旺達(dá)獨(dú)有的SOC專利技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)能自主學(xué)習(xí)自主較正，可以有效消除累積誤差，提高SOC/SOH標(biāo)定的準(zhǔn)確性。

1.3.2 無損均衡技術(shù)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測每節(jié)電芯運(yùn)行狀態(tài)，采用高效的均衡技術(shù)，保障每串電芯之間的一致性，延長整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命。

1.3.3 高精度信息采集技術(shù)。對電芯的信息采集精度越高、其可靠性、一致性以及SOC精確性就越高，該項(xiàng)目選取深圳欣旺達(dá)成熟的BMS系統(tǒng)。

1.3.4 電池一致性保障技術(shù)設(shè)計(jì)要求所有的電芯均通過嚴(yán)格的自動分選、均衡、熱管理等各方面的技術(shù)測試，以保障系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各電芯的一致性，從而延長系統(tǒng)使用壽命。

表3 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件材料清單

2 系統(tǒng)的效益

2.1 發(fā)電量預(yù)測

通過綜合考慮太陽能光伏組件效率、低壓匯流及儲能逆變器效率、交流效率等因素的影響，確定該智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的總效率約為80%.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)25年運(yùn)行周期內(nèi)的電能輸出衰減幅度為每年-0.8%考慮，直到25年末。因此估算本設(shè)計(jì)中該項(xiàng)目建成后，年均發(fā)電量約為7.3萬度，平均年等效裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)約為1738h。表4給出了25年中每年發(fā)電量的預(yù)測情況。

表4 25年中每年發(fā)電量預(yù)測

2.2 環(huán)境效益

由于煤炭、石油、天然氣等化石能源屬于不可再生，且太陽能光伏發(fā)電利用太陽光產(chǎn)生電力，而且發(fā)電過程中無噪聲、廢物及廢氣的產(chǎn)生，是真正的可再生能源。該智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)在第1-1.5年里所發(fā)的電量就可以抵消光伏設(shè)備在生產(chǎn)過程中所消耗的能量，真正達(dá)到了環(huán)境友好、可持續(xù)。

通過預(yù)測該項(xiàng)目建成后，首年發(fā)電量可達(dá)79774.2KWh，可減排二氧化碳排放79774.2kg/年，相當(dāng)于種植4.36棵樹，同時(shí)還可以減少二氧化硫排放126.45kg/年，減少煙塵排放19.51kg/年，減少氮氧化物排放126.45kg/年。為保護(hù)西藏地區(qū)的生態(tài)環(huán)境做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

3 結(jié)論

文章以實(shí)際項(xiàng)目為依據(jù)，針對高原高寒地區(qū)智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能管理系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)三個(gè)方面做出了設(shè)計(jì)，并對該項(xiàng)目建成后的效益進(jìn)行了分析。其中在設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，其最大陰影長度為3.1m，光伏組件的最佳串聯(lián)數(shù)為18-20塊；而在設(shè)計(jì)儲能及監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)主要考慮高原高寒地區(qū)空氣稀薄、溫差大、溫度低、靜電現(xiàn)象頻繁等情況對設(shè)備造成的影響。該項(xiàng)目在建成后，其年均發(fā)電量約為7.3萬度，年均等效裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)約為1738h，且首年發(fā)電量可達(dá)79774.2KWh，大大減少了污染氣體及煙塵的排放，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。