微電網系統(tǒng)綜合能源示范工程綜述

邵喬樂，張程翔，賀 軍

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

近年來，為了充分發(fā)揮可再生能源的利用價值，同時降低分布式能源接入電力系統(tǒng)所造成的諸多不良影響，微電網技術成為了研究熱點[1]。

因其具有清潔環(huán)保的特點，太陽能、風能等分布式能源成為可再生能源的熱門研究方向。但其不易控制、間歇性的缺陷，使得如何將可再生能源發(fā)出的電能儲存下來，避免棄光棄風問題的發(fā)生成為技術難點[2]。因此，輔以儲能系統(tǒng)的分布式能源應運而生。目前，儲能系統(tǒng)的主要功能是[3-4]：

（1）增加微電網的柔性調節(jié)能力，實現(xiàn)微電網與電網聯(lián)絡線功率控制，以滿足電網管理要求。

（2）為微電網提供快速的功率支持，實現(xiàn)微電網并網和離網運行模式的靈活切換，并作為黑啟動電源。

（3）參與微電網能量優(yōu)化管理，兼顧不同類型分布式電源及負荷的輸出特性，實現(xiàn)微電網經濟高效運行。

文獻[5-6]分析了國內外儲能電站發(fā)展現(xiàn)狀，對儲熱、蓄冷與儲電技術進行了介紹，并針對發(fā)電側、輸電側和配電側等應用場景做出了概括綜述與前景展望。文獻[7]根據負荷密度法，結合風光系統(tǒng)間歇性波動的特點，提出了一種風、光、儲互補的海島微電網供電模式。文獻[8]采用啟發(fā)式調整策略與粒子群算法建立最優(yōu)模型，探討鉛酸電池壽命損耗成本、電源出力調整策略對經濟運行的影響。文獻[9]提出的控制策略可減少并網模式下交換功率的波動以及避免離網模式下因線路呈電阻性而產生系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，其經濟調度方面則采用分時電價調度儲能設備的方法。文獻[10]提出一種基于柴油發(fā)電機作主電源和儲能系統(tǒng)作主電源的運行策略，實現(xiàn)風、光、柴、儲之間多能互補協(xié)調控制。文獻[11]包含配電網負荷預測、電源規(guī)劃、網架優(yōu)化和無功優(yōu)化等內容，形成了一套智能電網規(guī)劃的新體系。

此外，國內外也有諸多綜合能源示范工程。在國內能源互聯(lián)網的背景下，“源-網-荷-儲”的協(xié)調優(yōu)化運行模式開始得到推廣[12]。某綜合能源工程搭配了分布式燃氣以及屋頂光伏，美中不足的是新能源占比較低[13]。風光儲系統(tǒng)與區(qū)域小水電互補的微電網示范工程已應用于實際，其模式較適合于水資源豐富的地區(qū)，因而適用性有所受限[14]。我國西部出現(xiàn)了新農村可再生能源示范工程，其結合了太陽能沼氣技術與風光互補發(fā)電系統(tǒng)，對于沼氣技術的依賴較大[15]。國際知名的歐盟曼徹斯特、ELECTRA 和E-DeMa 等示范項目，其主要模式是分層分布式控制、高滲透率的分布式能源社區(qū)、能源階梯利用協(xié)調以及大數據分析，設計理念較為先進，值得借鑒與學習[16-22]。

本文介紹了國網浙江某綜合能源示范基地園區(qū)微電網系統(tǒng)的基本構成以及運行策略，其中包含智慧小屋、光伏風機、冷熱電三聯(lián)供以及復合儲能等分布式供能系統(tǒng)。該結構下的系統(tǒng)可再生能源占比較高，可應用于一般城市地區(qū)，適用性較廣。其能保證整個基地園區(qū)設備的穩(wěn)定運行，平抑可再生能源的間歇和波動，優(yōu)化供能區(qū)域的冷熱電供應平衡，實現(xiàn)可再生能源的充分利用以及為重要負荷不間斷供電。其獨有的智慧小屋系統(tǒng)能夠模擬構建未來家庭式綜合能源服務場景，為負荷行為的精準預測技術以及用戶內部可控資源的優(yōu)化調控策略研究提供了良好的平臺。

1 綜合能源示范基地概況

國網浙江某綜合能源示范基地擁有“互聯(lián)網+”營銷服務、智能運檢、電科院創(chuàng)新實驗室、青創(chuàng)空間等創(chuàng)新團隊，覆蓋了電網發(fā)展、建設、營銷、運檢、財務、人資、物資、后勤和信息通信等專業(yè)領域，開展了智能機器人、區(qū)塊鏈、客戶識別、知識圖譜等前瞻性研究。

該基地的基本構成如圖1 所示，其配置了一定規(guī)模的風、光、儲+內燃機系統(tǒng)。其中儲能系統(tǒng)用電化學儲能，將風電、燃機和光伏等多種能源系統(tǒng)生產出來的電能儲存起來，通過智能化BMS（電池管理系統(tǒng)）可以實現(xiàn)削峰填谷、調峰調頻的目的。

圖1 某綜合能源示范基地基本構成

2 箱式儲能系統(tǒng)

該綜合能源示范基地結合微電網建設，配置總容量550 kW/1 161 kWh 集中式鋰電池箱式儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)的基本拓撲結構如圖2 所示，分為儲能電池組和控制系統(tǒng)兩部分。

圖2 儲能系統(tǒng)基本拓撲結構

儲能電池組由3 組電池組組成，容量為250 kW/525.204 kWh 的前兩組經過箱式儲能系統(tǒng)的BMS 接入380 V 母線。而容量為50 kW/110.592 kWh 的第三組電池組則經過能量路由器直接接入380 V 母線。

控制系統(tǒng)則由中控柜、直流匯流箱、BMS、DC/AC 儲能變流器、隔離變壓器及輔助系統(tǒng)組成。

2.1 儲能電池參數

2.1.1 電池組

電池總體分為3 組，1 號電池組與2 號電池組分別由3 簇電池簇組成，每簇電池簇的額定直流電壓729.6 V，額定電流120 A，容量達到175.104 kWh。每個電池簇包含19 個電池模組與1 個控制箱，串并方式為1 并19 串。1 個電池模組則擁有48 顆單體電池，按4 并12 串組合方式封裝而成。

由圖2 可知，1 號、2 號電池組由電纜連接至1 號、2 號直流匯流箱，分別經過容量為250 kW 的1 號、2 號AC/DC 儲能雙向PCS（變流器），并經過300 kVA 的隔離變壓器連接至微電網系統(tǒng)380 V 配電母線。而3 號電池組由1 簇電池簇組成，該簇電池只有12 個電池模塊。額定直流電壓460.8 V，額定電流120 A，其通過電纜連接能量路由器的DC/DC 柜，并經由路由器的變壓器柜直接連接至微電網系統(tǒng)380 V 配電母線，其規(guī)格如表1 所示。

表1 電池簇主要規(guī)格參數

2.1.2 BMS

BMS 主要包括電池的電壓、電流、溫度采集、容量診斷SOC（荷電狀態(tài)）、SOH（電池健康狀況）預估和電池組單體均衡維護等工作。電池的各種狀態(tài)、報警等信息由基層的BCMS（電池簇管理系統(tǒng)）通過DC 匯流柜中的BAMS（電池組管理系統(tǒng)）傳輸到中控柜，及時上傳給后臺，后臺通過BMS 上傳的各種信息進而控制PCS 對電池組進行有效的充放電，達到調峰調頻、削峰填谷、動力輸出等目的。其通信拓撲如圖3 所示。

圖3 通信拓撲

2.2 中控柜與直流匯流箱參數

中控柜（配電系統(tǒng)）主要作用是為儲能系統(tǒng)交流用電設備提供380 V 電源，通過接入UPS（不間斷電源系統(tǒng)）為電池堆以及BMS 部件提供不間斷電源。此外，通信管理也是中控柜的主要功能之一，柜內控制部分由BAMS 以及工業(yè)交換機等通信和控制單元組成。

表2 中控柜與直流匯流箱主要規(guī)格參數

直流匯流柜是將電池陣列各個直流支路的電池簇直流電匯合在一起的設備，并經過輸出總開關到達PCS。柜內主要由電池簇斷路器和匯流銅排構成，其規(guī)格如表2 所示。

2.3 PCS 參數

PCS 與儲能電池組配套，連接于電池組與電網之間，主要功能是把電網電能存入電池組或將電池組能量回饋到電網。PCS 主要由開關設備、三相高頻IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）換流器、工頻變壓器和控制單元等構成。PCS 控制器通過通信接收后臺控制指令，根據功率指令的符號及大小控制IGBT 三相換流器對電池進行充電或放電，實現(xiàn)對電網有功功率及無功功率的調節(jié)，其規(guī)格如表3 所示。

2.4 隔離變壓器參數

儲能系統(tǒng)的隔離變壓器起隔離作用，將線路的三相三線制變?yōu)槿嗨木€制，連接儲能雙向變流器與微電網系統(tǒng)380 V 配電母線，其規(guī)格如表4 所示。

表3 PCS 主要規(guī)格參數

2.5 輔助系統(tǒng)

（1）溫度控制系統(tǒng)?？紤]氣流均勻及安全冗余，儲能系統(tǒng)集裝箱內部配置了3 套5 000 kW制冷量一體式空調作為溫度控制系統(tǒng)。

（2）消防系統(tǒng)。儲能箱內采用七氟丙烷滅火器，滅火器容量應滿足集裝箱內空間范圍滅火要求。集裝箱具有報警系統(tǒng)，通過在特殊位置安裝報警燈，能夠為外界提供醒目提示，從而起到預警作用。

（3）照明系統(tǒng)。照明燈具有防爆功能，為集裝箱內部的監(jiān)控提供一個安全的照明環(huán)境，管理人員可在現(xiàn)場用手動開關控制照明燈。

（4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。儲能箱兩端各安裝了一個攝像機，其組成的視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用遠程網絡傳輸方式。通過網絡傳輸，控制中心可在遠方監(jiān)控到現(xiàn)場設備的運行情況。

3 智慧小屋系統(tǒng)

智慧能源小屋是該綜合能源基地的重要子系統(tǒng)，通過分布式光伏、光儲一體機以及洗衣機、空調等家庭用電設備，智慧小屋能源系統(tǒng)進行分布式發(fā)電、儲能和用能數據的采集與分析工作，改善能源利用效率與經濟性。智慧小屋運行策略如下：

（1）在日照時段，光伏瓦片、幕墻、道路進行光伏發(fā)電，供給小屋負載。

（2）若負載小于光伏發(fā)電量，則發(fā)電余量由光儲一體機的蓄電池吸收；若負載大于光伏發(fā)電量，光儲一體機將根據自身SOC 決定是由蓄電池給予負荷輸送電能還是使用外部電源。

（3）在非日照時間，小屋內負荷主要由光儲一體機蓄電池供能，若電池能量低于限度，則使用外部電源。

（4）當風機以及光伏發(fā)出的電能不能滿足大樓正常工作用電需求時，外部市電系統(tǒng)將補充剩余不足的電量。

3.1 光伏系統(tǒng)

智慧小屋的光伏系統(tǒng)包含： 110×100 W 幕墻光伏、230×30 W 光伏瓦片、78×175 W 光伏路面。光伏瓦片覆蓋智慧小屋屋頂部分；光伏幕墻覆蓋B 座7 樓東、南、北三面屋身以及B 座6 樓一部分；光伏道路覆蓋3 個方向小屋前的主干道路。小屋的光伏系統(tǒng)為智慧小屋提供最先的電能支撐。

3.2 光儲一體機

智慧小屋的光儲一體機設備用于實現(xiàn)交/直流電能轉換，協(xié)調控制小屋光伏、一體機自帶蓄電池以及外部系統(tǒng)的電能出力，平抑光伏電池的功率波動，并通過儲能變流技術輸出滿足標準要求的交流電能來為屋內負載供電。其主要規(guī)格如表5 所示。

同時，針對蓄電池、光伏系統(tǒng)不同的工作狀態(tài)與不同的負荷狀況，小屋系統(tǒng)的光儲一體機有3 種工作模式。

（1）自用模式。其工作狀態(tài)為： 光伏發(fā)電充足，電能優(yōu)先供給負荷，有余電再充電池，再有余電則上網；光伏發(fā)電不足以充電，則光伏優(yōu)先匹配負荷，電池限功率充電；光伏發(fā)電不足以匹配負荷，則電池放電匹配負荷；光伏發(fā)電與電池不足以匹配負荷，則市電供應部分負荷。

表5 智慧小屋光儲一體機主要規(guī)格參數

（2）家庭模式。其工作狀態(tài)為： 光伏發(fā)電充足，電能優(yōu)先供給負荷，有余電再供給小屋外并網負荷，再有余電充電池，最后余電上網；光伏發(fā)電不足以匹配負荷，則電池放電匹配；光伏發(fā)電與電池不足以匹配負荷，則市電供應負荷。

（3）續(xù)航模式。其工作狀態(tài)為： 光伏發(fā)電充足，同自用模式；光伏發(fā)電不足以匹配負荷，則市電供應負荷，電池待機。

4 園區(qū)微電網經濟策略

該示范基地采用風光儲聯(lián)動+微燃機的運行模式，其中微型內燃機配以溴化鋰機組冷熱水泵形成三聯(lián)供系統(tǒng)，具體參數如表6 所示。

表6 微型內燃機主要規(guī)格參數

園區(qū)在微燃機的基礎上，配置了242×305 W單晶硅的光伏系統(tǒng)以及1×2 kW 的風機系統(tǒng)，以形成風光儲系統(tǒng)+內燃機的能源系統(tǒng)。

該示范基地采用風光儲聯(lián)動配合微燃機的運行模式以提高能源利用率，其邏輯結構如圖4 所示，其典型運行方式如表7 所示，詳細步驟如下：

（1）在谷電時段，儲能系統(tǒng)會根據自身電池SOC，對各組儲能電池進行充電。

（2）在峰電時段，園區(qū)照明及辦公等用電優(yōu)先使用從垂直軸風機及太陽能光伏發(fā)出的電能。

（3）當風機以及光伏發(fā)出的電能超出大樓正常工作用電需求時，儲能系統(tǒng)將吸納剩余的光能和風能，以防止棄光棄風現(xiàn)象發(fā)生。

（4）當風機以及光伏發(fā)出的電能不能滿足大樓正常工作用電需求時，內燃機系統(tǒng)將補充不足的電量。

（5）當內燃機系統(tǒng)發(fā)出的電能也不足以滿足用電需求時，儲能系統(tǒng)將補充不足的電量。

圖4 微電網經濟運行邏輯框圖

表7 某綜合能源示范基地典型運行方式

（6）當儲能系統(tǒng)的電量不能維持正常工作用電需求時，再從外部電網吸收電能。

通過以上方式，該示范基地微電網系統(tǒng)優(yōu)先消納園區(qū)微電網中風機與光伏發(fā)出的電能，而后使用微型內燃機發(fā)出的電能。由于儲能系統(tǒng)在電能儲存和釋放時會有附加損耗，因而只有在風機、光伏以及微燃機都不能滿足園區(qū)用電需求時，儲能系統(tǒng)才會向微電網380 V 母線釋放電能。同時，儲能系統(tǒng)于谷電時段儲能、峰電時段釋放，以此達到削峰填谷、經濟運行的目的。

5 結語

國網浙江某綜合能源示范基地擁有風光儲系統(tǒng)+內燃機的園區(qū)微電網系統(tǒng)，其采用智慧能源管理系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)同調配各供能單元，打造智慧、綠色、低碳、環(huán)保的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地。與傳統(tǒng)功能模式相比，具有以下特點： 清潔能源利用效率超過75%；模式適用性廣，可用于一般城市微電網系統(tǒng)；供能可靠性高；高效化能源管理。

同時，園區(qū)特有的智慧小屋系統(tǒng)通過模擬多場景下用戶用能模式，研究基于數據挖掘技術的負荷行為精準預測技術；結合泛在能源互聯(lián)網的要求，研究用戶內部可控資源的優(yōu)化調控策略、電網的信息交互機制以及能量交互策略。

在分布式能源迅速發(fā)展的大環(huán)境下，該綜合能源示范基地作為一個微電網新能源示范點，其模式有較廣的適用性，為今后園區(qū)微電網研究在結構配置上和經濟運行策略上提供了參考。