光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)

□陳星宇 義 琦 陳 瑩 覃傳妹 胡寧峪

近年來(lái)，光伏、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)獲得飛速發(fā)展，分布式發(fā)電作為一種新型的供電方式，因其可以提高資源綜合利用效率，并且最大程度的滿足當(dāng)前不斷增長(zhǎng)的用電需求，因而獲得廣泛的利用。但是這種發(fā)電模式也存在一定的弊端，如控制起來(lái)十分復(fù)雜，成本相對(duì)比較高，技術(shù)基礎(chǔ)相對(duì)不夠成熟，并網(wǎng)時(shí)會(huì)對(duì)大系統(tǒng)的電壓以及頻率產(chǎn)生沖擊。它所帶來(lái)的這些負(fù)面影響使其運(yùn)行方式被限制，并進(jìn)一步影響其在未來(lái)的廣泛應(yīng)用。微網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為解決這個(gè)問(wèn)題提供了有效的途徑。

一、光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)確定型運(yùn)行優(yōu)化模型

光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)的發(fā)展一直受到成本高的制約。但通過(guò)制定合理的運(yùn)行計(jì)劃，不僅可以使其運(yùn)行成本降低，同時(shí)還可以降低其更換頻率。本文以經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)為目標(biāo)，進(jìn)行光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)優(yōu)化模型設(shè)計(jì)。

(一)光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成。光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)由光伏發(fā)電模塊、配電網(wǎng)、蓄電池組、雙向逆變器、并網(wǎng)逆變器以及負(fù)載構(gòu)成。其中光伏發(fā)電模塊和蓄電池組將會(huì)分別經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器，然后通過(guò)變壓器與交流母線連接，并入配電網(wǎng)絡(luò)[1]。這種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)電能從光伏發(fā)電模塊到公共電網(wǎng)、光伏發(fā)電模塊到負(fù)載、光伏發(fā)電模塊到蓄電池組、蓄電池組到負(fù)載、公共電網(wǎng)到負(fù)載的單向流動(dòng)，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)蓄電池組與公共電網(wǎng)之間的雙向能量流動(dòng)。系統(tǒng)處于離網(wǎng)模式時(shí)，若公共電網(wǎng)停電，可以在光照充足的情況下，使用光伏提供的能量，為負(fù)載供電，同時(shí)將剩余的能量存儲(chǔ)在蓄電池組中；如果在光照不充足的情況下，可以同時(shí)利用光伏以及蓄電池組，為負(fù)載供電，進(jìn)而維持負(fù)載正常運(yùn)行[2]。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行處在并網(wǎng)模式時(shí)，公共電網(wǎng)可以在谷期為蓄電池組以及負(fù)載同時(shí)提供電能，或者將蓄電池組中剩余的電能向電網(wǎng)出售，獲取收益。而在峰期則可以利用光伏發(fā)模塊以及蓄電池組，配合公共電網(wǎng)來(lái)為負(fù)載供電。

(二)系統(tǒng)組成單元的特性。

1.光伏電池板。光伏電池板是基于光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)，直接或間接將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換成電能的一種發(fā)電裝置。其輸出功率的大小與電池板的制造材料、受光面積以及陽(yáng)光輻射強(qiáng)度等存在密切的關(guān)系。當(dāng)太陽(yáng)光照強(qiáng)度相同時(shí)，光伏電池板的短路電流基本上保持不變，但是開(kāi)路電壓將會(huì)隨著溫度的升高，發(fā)生明顯的下降。因此可以得出結(jié)論，光伏電池板的輸出功率與光照強(qiáng)度呈正相關(guān)，和表面溫度呈負(fù)相關(guān)[3]。

2.蓄電池。當(dāng)前，蓄電池是微網(wǎng)中常見(jiàn)的儲(chǔ)能元件，在微網(wǎng)中使用較廣，可以抑制光伏出力不穩(wěn)定的缺陷，使整個(gè)系統(tǒng)的供電質(zhì)量以及可調(diào)度性大大提高。

3.逆變器。由于光伏以及蓄電池組輸出的電能均為直流電，因此無(wú)法直接接入交流側(cè)，需要通過(guò)逆變器的作用把直流轉(zhuǎn)換成交流。逆變器的配置主要需要考慮額定輸出功率、整機(jī)效率、輸出電壓調(diào)整能力等參數(shù)。

二、光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)案例

本文結(jié)合某示范工程，對(duì)其發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及微網(wǎng)控制管理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹和分析。

(一)總體設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，采用的是分布式并網(wǎng)的設(shè)計(jì)理念。已知某棟節(jié)能建筑樓的負(fù)荷約為65Kw。考慮設(shè)計(jì)余量，則該光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)容量為80kWp。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)所需要的80kWp系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的劃分，將其分解為4個(gè)相同的并網(wǎng)發(fā)電單元，每個(gè)單元為20kWp，并用4個(gè)20Kw的并網(wǎng)逆變器將其接入到0.4kv的交流電網(wǎng)中。

(二)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.光伏電池陣列設(shè)計(jì)。光伏電池采用多晶硅太陽(yáng)電池組，電池組的功率為250Wp。這種電池組在日常工作中的共組電壓和開(kāi)路電壓分別為29.6V和37.1V。20kw的并網(wǎng)逆變器的MPPT工作電壓范圍是300V～1,000V，因此在對(duì)電池進(jìn)行串列設(shè)計(jì)時(shí)，需要將20塊相同的電池串列在一起，作為一個(gè)電池串聯(lián)組，每一個(gè)并網(wǎng)逆變器需要配備4個(gè)并列的電池串聯(lián)組，即每一個(gè)并網(wǎng)逆變器需要80塊電池組，其發(fā)電功率大致為20kWp。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，總共分為4個(gè)并網(wǎng)逆變器，因此也就是說(shuō)總共需要320塊電池，16個(gè)并列的電池串聯(lián)組。

2.并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)。如前所述，本系統(tǒng)采用4臺(tái)20kW的并網(wǎng)逆變器，連在一起組成最大輸出功率為80kwp的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

(三)儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。考慮供電可靠性和穩(wěn)定性，在對(duì)整棟樓進(jìn)行供電的過(guò)程中，采用的供電方式是儲(chǔ)能和光伏相混合的方式。具體來(lái)說(shuō)，就是在市電正常的情況下，通過(guò)市電以及光伏為整棟樓的負(fù)荷供電，而在市電斷電之后，則自動(dòng)切換為由儲(chǔ)能系統(tǒng)以及光伏供電。

1.蓄電池選型以及串聯(lián)、并聯(lián)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)所承載的最大負(fù)荷為65kw。按蓄電池備用時(shí)間為10h計(jì)算，其最大需要電量大致為650kWh，考慮0.7的電池電能轉(zhuǎn)換系數(shù)，大致計(jì)算出需要消耗的電量約為930kWh。選擇使用閥控密封免維護(hù)的蓄電池，其中每一節(jié)電池的電壓都是2V，電量為1,500Ah。共計(jì)使用的310節(jié)電池，將所有的電池串聯(lián)起來(lái)，其電池端口的電壓則總共為620v(2×310v)，據(jù)此可以計(jì)算出電池組的總?cè)萘繛?30kWh。

2.儲(chǔ)能變流器選型。在設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，需要選擇合適的儲(chǔ)能變流器，本系統(tǒng)所選擇的儲(chǔ)能變流器為雙向逆變器，該雙向逆變器所采用的是充電/逆變一體機(jī)的形式，可將交流母線、光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)三者連接在一起。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)容量，儲(chǔ)能變流器的容量、交流輸出電壓分別為80kw、400Vac，直流輸入電壓為500～800V。若考慮在離網(wǎng)狀態(tài)下，設(shè)備空載時(shí)，80KW光伏系統(tǒng)通過(guò)PCS為電池進(jìn)行充電的情況，還需要預(yù)留20%的系統(tǒng)容量，這時(shí)PCS容量應(yīng)為96kW(80kW×120%)。

(四)系統(tǒng)運(yùn)行說(shuō)明。

1.市電正常。在市電正常供電時(shí)，本系統(tǒng)的運(yùn)行模式為并網(wǎng)運(yùn)行模式，此時(shí)的運(yùn)行過(guò)程主要是：第一，并離網(wǎng)控制柜中的控制器發(fā)揮自身的檢測(cè)作用，對(duì)與市電相連的開(kāi)關(guān)上端的電壓和頻率進(jìn)行檢測(cè)，如果測(cè)量值處于正常范圍，則會(huì)自動(dòng)閉合并離網(wǎng)的開(kāi)關(guān)。第二，光伏逆變器檢測(cè)到市電電壓處于正常范圍，將會(huì)根據(jù)相關(guān)的參數(shù)設(shè)定，自動(dòng)將光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)，使其正常運(yùn)行，為負(fù)載供電，若有剩余電能，則返送至電網(wǎng)。第三，當(dāng)系統(tǒng)處在并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，PCS的狀態(tài)將會(huì)設(shè)定為充電狀態(tài)。

2.市電故障。在市電故障無(wú)法正常供電時(shí)，本系統(tǒng)的運(yùn)行模式是離網(wǎng)運(yùn)行模式，此時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程如下：第一，并離網(wǎng)控制柜中的控制器將會(huì)對(duì)市電進(jìn)行檢測(cè)，如果在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)市電斷電，則將并離網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，同時(shí)給儲(chǔ)能變流器發(fā)出并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)的控制信號(hào)。第二，光伏逆變器在對(duì)市電的檢測(cè)過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)市電故障，將會(huì)自動(dòng)進(jìn)入孤島運(yùn)行保護(hù)程序，然后根據(jù)相關(guān)要求在2s內(nèi)停機(jī)。第三，PCS在接收到并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)的相關(guān)指令后，將會(huì)對(duì)并網(wǎng)側(cè)的端口電壓進(jìn)行檢測(cè)，確定市電確實(shí)故障后，將會(huì)先關(guān)機(jī)然后再次啟動(dòng)，同時(shí)切換至離網(wǎng)模式運(yùn)行。特別說(shuō)明，若PCS在接收到相關(guān)指令后，不對(duì)端口的電壓狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，而是直接進(jìn)行相關(guān)的狀態(tài)切換，其需要花費(fèi)的時(shí)間大致為80ms；但是一般情況下，為了確保PCS的可靠運(yùn)行，需要在接收到指令后對(duì)端口電壓進(jìn)行檢測(cè)，避免誤判，這種情況下?tīng)顟B(tài)切換需要多花費(fèi)380ms的時(shí)間，也就是光伏逆變器孤島保護(hù)時(shí)間。第四，光伏逆變器檢測(cè)到PCS提供的支撐電壓滿足供電要求時(shí)，將會(huì)自動(dòng)開(kāi)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)光伏發(fā)出的電能大于負(fù)載消耗時(shí)，多余的電能可以通過(guò)PCS給儲(chǔ)能電池充電；若光伏系統(tǒng)輸出功率小于負(fù)荷時(shí)，則光伏將會(huì)和PCS共同為負(fù)荷供電。

3.市電恢復(fù)。當(dāng)市電恢復(fù)正常后，本系統(tǒng)的運(yùn)行模式將會(huì)重新變?yōu)椴⒕W(wǎng)運(yùn)行模式，這一轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：第一，當(dāng)并離網(wǎng)控制柜中的控制器檢測(cè)到市電已經(jīng)恢復(fù)至正常狀態(tài)后，會(huì)將這個(gè)信息傳遞給儲(chǔ)能變流器，當(dāng)并離網(wǎng)開(kāi)關(guān)上端以及下端的頻率、電壓幅值、相位保持一致時(shí)，會(huì)自動(dòng)閉合并離網(wǎng)開(kāi)關(guān)。第二，光伏逆變器將會(huì)繼續(xù)保持運(yùn)行。第三，PCS在得到市電恢復(fù)正常運(yùn)行的信息后，將會(huì)對(duì)電壓進(jìn)行一定的調(diào)整，同時(shí)將自身的運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)模式。在整個(gè)過(guò)程中，可能會(huì)受到通訊延遲的影響，因此PCS會(huì)遭受一段時(shí)間的沖擊。當(dāng)PCS轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)運(yùn)行模式后，恢復(fù)為充電狀態(tài)，負(fù)載供電并不會(huì)因此間斷。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)可以真正實(shí)現(xiàn)分布式光伏發(fā)電，實(shí)現(xiàn)與配電網(wǎng)并網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，突顯出智能微網(wǎng)能量?jī)?yōu)化調(diào)度控制的效果。