高原高寒地區(qū)智能分布式光伏微電網(wǎng)現(xiàn)狀及案例分析*

萬溧

（西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 拉薩 850000）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅猛發(fā)展，城市集中化、擴(kuò)大化程度不斷提高，電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)速度越來越難以跟上城市化的建設(shè)速度。如2006年的西歐大停電；2007年的哥倫比亞大停電；2009年的巴西大停電；2012年的印度大停電，這些世界范圍內(nèi)的大規(guī)模停電事故更是將當(dāng)今社會(huì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的脆弱性暴露無遺。傳統(tǒng)的市政電網(wǎng)系統(tǒng)逐漸難以滿足用戶側(cè)愈來愈多樣化、復(fù)雜化的用電要求［1］。智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)作為一種盡量利用就近可再生能源進(jìn)行發(fā)電的分布式供電系統(tǒng)應(yīng)際而生。相對(duì)傳統(tǒng)的市政電網(wǎng)系統(tǒng)而言，智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)不僅采用就近發(fā)電、供電的原則，且其運(yùn)行模式相對(duì)靈活、設(shè)備容量相對(duì)更小，同時(shí)該系統(tǒng)將分布式可再生電源（太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿龋?、?chǔ)能單元、負(fù)載監(jiān)測(cè)、控制保護(hù)等設(shè)備有機(jī)耦合［2］，使用戶側(cè)可實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)部件及環(huán)節(jié)，以達(dá)到用戶側(cè)多樣化、復(fù)雜化的用電目的。智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)利用靜態(tài)開關(guān)與市政電網(wǎng)系統(tǒng)相連接［2］，其不僅可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運(yùn)行模式的平穩(wěn)切換，還可增強(qiáng)對(duì)市政電網(wǎng)系統(tǒng)的抗干擾能力［3］。即使當(dāng)市政電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生停電、設(shè)備出錯(cuò)或電能質(zhì)量低下等故障時(shí)，智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)仍可進(jìn)行離網(wǎng)運(yùn)行模式工作，保障了區(qū)域性供電的安全性及穩(wěn)定性［4］。

其中，智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

自主性：光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)主要由分布式的太陽(yáng)能電源、儲(chǔ)能裝置、負(fù)載監(jiān)測(cè)及智能控制四大部分組成，其可實(shí)現(xiàn)自主性的運(yùn)行操作，達(dá)到自我管理及控制的目的；

互動(dòng)性：光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)在每個(gè)組成單元上均設(shè)置了數(shù)據(jù)采集功能，其不僅實(shí)現(xiàn)了用戶側(cè)的監(jiān)控管理，還實(shí)現(xiàn)了與遠(yuǎn)程廠家的信息互動(dòng)；

清潔性：光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)由于使用清潔、可再生的太陽(yáng)能作為電源，符合國(guó)家節(jié)能減排的政策要求，減少了污染氣體及煙塵等污染物的排放。

文章在簡(jiǎn)單介紹智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，以西藏自治區(qū)能源研究示范中心45.9kW智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)為例，對(duì)影響該系統(tǒng)發(fā)電效率的因素進(jìn)行了分析。

1 智能分布式微電網(wǎng)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

1.1 國(guó)外智能分布式微電網(wǎng)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

隨著世界各國(guó)對(duì)可再生能源的不斷開發(fā)，分布式微電網(wǎng)應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，智能化程度的不斷提升，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛提出了清潔能源利用計(jì)劃，將智能微電網(wǎng)與可再生能源相結(jié)合，以求最大程度的發(fā)揮微電網(wǎng)系統(tǒng)的效益。

最早提出微電網(wǎng)系統(tǒng)概念的是美國(guó)電氣可靠性技術(shù)協(xié)會(huì)（簡(jiǎn)稱：CERTS）［1］，由于通過解決微電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電量并入市政電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性及可靠性而得到了美國(guó)政府的關(guān)注［3］。CERTS提出分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)要想實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)的開發(fā)利用，必須要解決：當(dāng)市政電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)能無縫切換到離網(wǎng)運(yùn)行模式；當(dāng)市政電網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)后，又能無縫重新并網(wǎng)運(yùn)行［5］。以此來保障用戶側(cè)的供電質(zhì)量。美國(guó)在曼德瑞沃建設(shè)的第一個(gè)分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)示范項(xiàng)目成功運(yùn)行，并得到分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論［1］。

日本由于國(guó)土所處地理原因，常規(guī)能源一直處于匱乏狀態(tài)，因此非常重視可再生能源的開發(fā)利用。日本新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織（簡(jiǎn)稱：NEDO）針對(duì)分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化控制，通過采用靈敏、迅速的控制器，以求對(duì)分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)中各部件運(yùn)行進(jìn)行最佳優(yōu)化［6］。同時(shí)NEDO還積極鼓勵(lì)利用多種清潔能源發(fā)電在分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)中的耦合集成［7］。NEDO在青森縣八戶市建設(shè)了一套智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)［6］，其完全利用了分布式新能源發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了用戶側(cè)的電能供應(yīng)及智能化管理。

歐盟各國(guó)對(duì)分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化研究一直處于積極狀態(tài)，其主要通過先進(jìn)的電子技術(shù)、可再生能源發(fā)電技術(shù)、智能化控制技術(shù)進(jìn)行有效耦合，同時(shí)鼓勵(lì)市場(chǎng)企業(yè)積極參與，共同推動(dòng)分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)智能化的前進(jìn)［4］。德國(guó)、意大利、丹麥等國(guó)均建設(shè)了不同規(guī)模大小的分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)，例如德國(guó)太陽(yáng)能研究所（簡(jiǎn)稱：ISET）建設(shè)了容量達(dá)200kVA的智能微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室［8］，丹麥的OESTKRAFT、意大利的CESI、葡萄牙的EDP等公司均針對(duì)分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化研究搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試基地［8］。

1.2 中國(guó)智能分布式微電網(wǎng)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

中國(guó)智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)相較國(guó)外而言，還處于起跑階段，尚需進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、能量管理、信息傳輸、智能控制等方面的試驗(yàn)與研究。

在運(yùn)營(yíng)模式方面：目前中國(guó)分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)模式還不明確，針對(duì)重要負(fù)載和優(yōu)先負(fù)載的供電安全性、可靠性及優(yōu)先性還尚待提高［9］。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)中國(guó)實(shí)際情況，需開展增強(qiáng)電能質(zhì)量與減少初投資等方面的研究工作；

在建設(shè)規(guī)劃方面：中國(guó)智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)參考國(guó)外微電網(wǎng)建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)，取其精華，并提煉出適用于中國(guó)實(shí)際需求的智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)供能模式，為中國(guó)規(guī)模化、規(guī)范化建設(shè)分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)提供指引［10］；

在關(guān)鍵技術(shù)方面：分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的核心部分是智能控制與協(xié)調(diào)運(yùn)行技術(shù)［9］。即使中國(guó)已在發(fā)展分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)，但其靈活性、實(shí)用性及智能性還有待提高，進(jìn)行智能化方面的技術(shù)攻關(guān)是當(dāng)下分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的首要解決問題。

中國(guó)地理位置偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)，尤其是西藏地區(qū)的農(nóng)村，現(xiàn)在仍有很多缺電甚至無電村的存在。這些村莊由于交通不便利、經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，致使市政電網(wǎng)系統(tǒng)的輸電成本高昂，不僅供電質(zhì)量極差，而且供電的可靠性得不到保障。因此利用當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能、風(fēng)能等資源建設(shè)智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)，具有極佳的可行性和保障性。當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民還可利用剩余電量入網(wǎng)從而領(lǐng)取補(bǔ)助的方式，在變相帶動(dòng)地方發(fā)展的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的投資及運(yùn)維成本。最近幾年來，中國(guó)政府對(duì)智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)給予了不斷支持，已經(jīng)建成的項(xiàng)目如天津賽達(dá)工業(yè)園：通過300kW光伏電站、400kW風(fēng)力機(jī)以及鋰電池組，利用風(fēng)/光互補(bǔ)智能聯(lián)合供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了分布式可再生能源的供電模式［11］。上海迪斯尼：通過在屋頂建設(shè)19.6kW的光伏電站及鐵鋰蓄電池組，驗(yàn)證了在變電站內(nèi)建設(shè)分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的可行性［11］。珠海東澳島：通過風(fēng)/光互補(bǔ)耦合柴油發(fā)電的多能互補(bǔ)形式，建設(shè)了一套1MW級(jí)的智能供電系統(tǒng)，不僅在利用風(fēng)能和太陽(yáng)能兩種可再生能源的基礎(chǔ)上，還利用了柴油發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了供電質(zhì)量的穩(wěn)定性和安全性［12］。

2 45.9kW智能分布式光伏微電網(wǎng)案例分析

2.1 45.9kW智能分布式光伏微電網(wǎng)基本情況

文章以西藏自治區(qū)能源研究示范中心45.9kW智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)為例，光伏電站裝機(jī)總?cè)萘繛?5.9kWp，光伏儲(chǔ)能發(fā)電單元配備容量為240kWh的儲(chǔ)能蓄電池。太陽(yáng)能組件選用255W多晶硅組件，組件尺寸1650×990×40（mm），開路電壓為37.7V，MPPT電壓為30V，短路電流為9.01A。組串采用每18塊光伏組件串聯(lián)為1串，其中新宿舍樓可安裝5.56串，共計(jì)25.5kW，太陽(yáng)能光伏組件安裝如圖1所示；舊宿舍樓可安裝3串，共計(jì)13.77kW，太陽(yáng)能光伏組件安裝如圖2所示；車庫(kù)可安裝1.44串，共計(jì)6.63kW，太陽(yáng)能光伏組件安裝如圖3所示?？傆?jì)安裝太陽(yáng)能光伏組件10串，共180塊，直流功率為45.9kW，太陽(yáng)能光伏組件的整體布置如圖4所示。

圖1 新宿舍樓頂光伏組件

圖2 舊宿舍樓頂光伏組件

圖3 車庫(kù)頂光伏組件

圖4 光伏組件的整體布置

在一般情況下，該智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)可為辦公樓中各種負(fù)載如：電燈、取暖器、熱水器、加濕器、電腦、打印機(jī)等提供保障性供電。當(dāng)天氣晴朗且日照條件較好時(shí)，該智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)在保證辦公樓用電的同時(shí)，將多余的電量利用蓄電池組進(jìn)行存儲(chǔ)，以供辦公樓在夜晚及市政電網(wǎng)系統(tǒng)停電時(shí)的用電需求；當(dāng)陰、雨、雪等天氣不利于太陽(yáng)能光伏組件發(fā)電時(shí)，該智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)先將蓄電池組中儲(chǔ)存的電量用于辦公樓用電需求，而當(dāng)蓄電量不足時(shí)，再進(jìn)行切換到市政電網(wǎng)系統(tǒng)用電。該智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)可自由、靈活的與市政電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行切換，保障了辦公樓永不斷電，及用電質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。文章中智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)在冬季時(shí)的用電負(fù)荷如表1所示。

表1 冬季時(shí)用電負(fù)荷

2.2 影響光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的遮擋因素

文章中該智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)在可行性測(cè)試階段，分別在新宿舍樓頂太陽(yáng)能光伏組串中一串采用了分離式逆變器，一串采用了集中式逆變器兩種逆變形式，原理如圖5所示。其中采用分離式逆變器的太陽(yáng)能光伏組串由18個(gè)微型逆變器組成，每個(gè)微型逆變器功率為300W（考慮到高原性降容），該組串將太陽(yáng)能光伏組件產(chǎn)生的直流電直接轉(zhuǎn)化為交流電后再匯入總系統(tǒng)。分離式逆變器由于采用的是小型模塊化設(shè)計(jì)，單個(gè)的太陽(yáng)能光伏組串甚至太陽(yáng)能光伏組件就能設(shè)置一個(gè)微型逆變器。每個(gè)微型逆變器的直流端擁有最大功率跟蹤的功能，而交流端產(chǎn)生的交流電則直接入網(wǎng)［13］。分離式逆變器模塊化的設(shè)計(jì)不僅使其可以不受組串或組件的差異性影響，而且即使某部分組串或組件出現(xiàn)遮擋情況的時(shí)候，其余組串或組件亦能不受影響。因此采用分離式逆變器可使整個(gè)光伏系統(tǒng)處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)，變相的增大了光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。就整個(gè)光伏系統(tǒng)運(yùn)行周期而言，采用分離式逆變器的發(fā)電量相比集中式更大、經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。

圖5 兩種逆變形式原理

為了試驗(yàn)測(cè)試不同遮擋情況對(duì)分別采用分離式及集中式逆變器光伏組串輸出功率的影響，因此文章中分別開展了無遮擋和遮擋太陽(yáng)能光伏組件1-4塊條件下，測(cè)試其系統(tǒng)的輸出功率。表2顯示了不同遮擋條件下太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的輸出功率。

表2 不同遮擋條件下光伏系統(tǒng)輸出功率

由表2可知，隨著太陽(yáng)能光伏組件遮擋數(shù)目的增多，無論是采用分離式逆變器的光伏組串還是采用集中式逆變器的光伏組串，其光伏系統(tǒng)的輸出功率均呈直線下降，如圖6所示。且采用集中式逆變器相對(duì)分離式逆變器而言，其下降比例更為嚴(yán)重，當(dāng)遮擋4塊光伏組件時(shí)，采用分離式逆變器的光伏組串相對(duì)采用集中式逆變器的組串而言，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的輸出功率相對(duì)增長(zhǎng)了近一倍。

圖6 功率變化趨勢(shì)

雖然由試驗(yàn)測(cè)試可以得到，采用分離式微型逆變器可相對(duì)增大太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的發(fā)電量，但是項(xiàng)目實(shí)施點(diǎn)位于拉薩市，其海拔高達(dá)3700m，高海拔和高輻射強(qiáng)度不僅使得分離式微型逆變器在戶外出現(xiàn)嚴(yán)重的降容現(xiàn)象，還使得微型逆變器的電氣元件老化速度劇增，因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)的可靠性、穩(wěn)定性及安全性角度出發(fā)，該智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)最后還是選擇采用放置于室內(nèi)的集中式逆變器。

文章中該智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)不僅在實(shí)現(xiàn)智能化控制的基礎(chǔ)上，而且利用了分布式的太陽(yáng)能作為發(fā)電來源，還達(dá)到了綠色電網(wǎng)系統(tǒng)的目的。截止2018年3月23日，該智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的總發(fā)電量為1280kW·h，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤139t，并同時(shí)減排CO2為382.5Kg、SO2為24.8Kg、NOX為12.2Kg及煙塵為6.7t。因此在滿足節(jié)能減排的同時(shí)，對(duì)西藏地區(qū)可再生能源的利用推廣和利用清潔能源發(fā)電均具有實(shí)用性及參考性。

3 結(jié)論

智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)主要有并網(wǎng)及離網(wǎng)兩種運(yùn)行方式，而智能化、模塊化、清潔化是智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)今后的發(fā)展方向。因此在開發(fā)微電網(wǎng)系統(tǒng)智能化的同時(shí)，將智能微電網(wǎng)系統(tǒng)與分布式可再生能源進(jìn)行有機(jī)耦合，是實(shí)現(xiàn)今后市政電網(wǎng)逐漸向清潔智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)變的必要過程。文章中通過試驗(yàn)測(cè)試，得到采用分離式微型逆變器可以更大程度的弱化遮擋因素對(duì)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)發(fā)電效率影響的同時(shí)，還可以得到無論是采用分離式微型逆變器還是采用集中式逆變器，遮擋現(xiàn)象的出現(xiàn)均會(huì)造成太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的輸出功率呈直線降低。