150 kW建筑直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫建峰

(艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，廣東深圳 518057)

0 引言

隨著綠色建筑概念的興起，新能源在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用是一個(gè)熱點(diǎn)。直流微電網(wǎng)技術(shù)是新能源利用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，吸引了越來(lái)越多的行業(yè)人士關(guān)注。作為微電網(wǎng)技術(shù)的一種，直流微電網(wǎng)技術(shù)具有容易控制、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容易并聯(lián)等特點(diǎn)，已成為近年的研究熱點(diǎn)。

本文介紹了150 kW直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)分析了系統(tǒng)的控制策略、保護(hù)和接地設(shè)計(jì)、系統(tǒng)監(jiān)控管理。

1 系統(tǒng)概況

某園區(qū)有4棟建筑，電網(wǎng)通過(guò)大樓配電間引入，太陽(yáng)能陣列安裝在樓頂。微電網(wǎng)的負(fù)載分散在4棟建筑中，負(fù)載包括直流照明系統(tǒng)、直流空調(diào)、電動(dòng)車(chē)充電站等。各大樓之間通過(guò)直流總線連接。整個(gè)系統(tǒng)配置峰值功率150 kW的太陽(yáng)能陣列。由于受太陽(yáng)能發(fā)電的容量限制，大樓內(nèi)一部分負(fù)載由微電網(wǎng)供電，另一部分負(fù)載直接由市電供電。

直流微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。微電網(wǎng)系統(tǒng)包括AC/DC模塊、太陽(yáng)能陣列和控制器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)載、監(jiān)控管理模塊等。

AC/DC模塊采用高頻整流技術(shù)，把電網(wǎng)的380 V交流輸入變換成380 V直流輸出。該模塊是一個(gè)單向模塊，不提供微電網(wǎng)到電網(wǎng)的逆流功能。AC/DC系統(tǒng)采用模塊化N+1冗余配置，每個(gè)模塊功率為15 kW。目前系統(tǒng)的容量為150 kW，隨著負(fù)載的增加，系統(tǒng)可平滑擴(kuò)容到400 kW。

太陽(yáng)能陣列安裝在屋頂，陣列的峰值輸出功率為150 kW。根據(jù)屋頂?shù)陌惭b和光照條件，整個(gè)陣列分為5組，每組的開(kāi)路輸出電壓為550 V。太陽(yáng)能陣列通過(guò)太陽(yáng)能控制器與直流母線相連，太陽(yáng)能控制器工作模式可自動(dòng)調(diào)整。當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電功率大于負(fù)載用電功率時(shí)，控制器工作在穩(wěn)壓模式;當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電功率小于負(fù)載用電功率時(shí)，控制器工作在最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)模式。太陽(yáng)能控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)，所有模塊安裝在一個(gè)機(jī)架里，并為未來(lái)預(yù)留了擴(kuò)容空間。為了保證系統(tǒng)可靠工作，控制器具備輸入短路、絕緣檢測(cè)等完善的保護(hù)功能。

圖1 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

儲(chǔ)能模塊對(duì)系統(tǒng)的能量管理和電網(wǎng)質(zhì)量穩(wěn)定有重要的作用。目前商用化的儲(chǔ)能模塊包括鉛酸電池、鐵鋰電池、超級(jí)電容、旋轉(zhuǎn)飛輪等?？紤]到技術(shù)成熟性和經(jīng)濟(jì)性，該項(xiàng)目選用鉛酸電池組成儲(chǔ)能單元。儲(chǔ)能單元直接與直流總線并聯(lián)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)DC/DC雙向變換器，系統(tǒng)通過(guò)控制母線電壓實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元的充放電控制。該設(shè)計(jì)主要考慮儲(chǔ)能單元直接掛在母線上，可以有效地濾除母線上噪聲，提高供電的質(zhì)量。對(duì)負(fù)載的瞬態(tài)波動(dòng)，儲(chǔ)能單元可迅速地響應(yīng)，以保持母線的穩(wěn)定。此外，當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，儲(chǔ)能單元還提供足夠的能量來(lái)保證保護(hù)單元可靠分?jǐn)唷?/p>

太陽(yáng)能單元和儲(chǔ)能模塊并聯(lián)工作，采用一個(gè)獨(dú)立的控制器控制，使母線在任何工況下穩(wěn)定。該控制器安裝在AC/DC柜中，與其他單元模塊通過(guò)RS-485總線實(shí)現(xiàn)通信。該控制單元也與上層監(jiān)控單元通信，并執(zhí)行上層監(jiān)控下發(fā)的指令。

微電網(wǎng)系統(tǒng)主要負(fù)載如表1所示。這些負(fù)載輸入電壓的要求、用電功率及工作時(shí)間有所不同，部分負(fù)載需要專門(mén)的DC/DC單元與母線連接。

表1 微電網(wǎng)系統(tǒng)主要負(fù)載

監(jiān)控模塊監(jiān)控和管理整個(gè)系統(tǒng)，主要功能包括微電網(wǎng)的工作環(huán)境和狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)整體控制、系統(tǒng)能耗測(cè)量及管理，也提供操作人員和微電網(wǎng)系統(tǒng)之間的接口。

2 系統(tǒng)控制

微電網(wǎng)系統(tǒng)有以下兩個(gè)主要的控制目標(biāo):

(1)保持母線電壓穩(wěn)定。

(2)最大程度地利用新能源。

因此，必須保持母線輸入/輸出的功率在任何條件下處于平衡。微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率關(guān)系為

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，儲(chǔ)能模塊對(duì)于保持系統(tǒng)的能量平衡起著非常關(guān)鍵的作用。微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制邏輯如圖2所示，描述了系統(tǒng)的工作狀態(tài)和母線電壓在一天之內(nèi)的變化。

圖2 微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制邏輯

系統(tǒng)設(shè)定太陽(yáng)能控制器輸出電壓高于AC/DC模塊輸出電壓，保證了系統(tǒng)優(yōu)先應(yīng)用太陽(yáng)能。在中午光照條件比較好時(shí)，負(fù)載完全由太陽(yáng)能供電(第一階段)。進(jìn)入下午，太陽(yáng)能開(kāi)始減弱，減弱到不足以提供負(fù)載所需全部電量時(shí)，儲(chǔ)能單元提供部分的能量，母線電壓會(huì)隨著儲(chǔ)能單元的放電有所降低(第二階段)。隨著太陽(yáng)光的持續(xù)減弱，這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到母線電壓下降到AC/DC單元輸出電壓為止，系統(tǒng)轉(zhuǎn)由電網(wǎng)通過(guò)AC/DC提供能量(第三階段)。通過(guò)調(diào)節(jié)AC/DC單元的輸出電壓，可以調(diào)節(jié)儲(chǔ)能單元的放電深度。市電供電一直持續(xù)到太陽(yáng)光照條件達(dá)到發(fā)電要求，太陽(yáng)能開(kāi)始發(fā)電(第四階段)，隨著光照條件由弱逐漸增強(qiáng)，市電和太陽(yáng)能共同為負(fù)載提供能量，直到當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電功率足夠時(shí)，市電將停止輸出。由太陽(yáng)能單獨(dú)提供電能，儲(chǔ)能單元電壓隨著充電過(guò)程不斷的上升，最終穩(wěn)定到設(shè)定值(第五階段)。

由以上分析可知，通過(guò)調(diào)節(jié)不同單元的輸出電壓，直流微電網(wǎng)內(nèi)部可以自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)能量的分配，有助于微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。系統(tǒng)可以根據(jù)運(yùn)行環(huán)境和條件，靈活地選擇運(yùn)行方式，比如在用電高峰時(shí)段，可以讓儲(chǔ)能單元多放電;用電低谷時(shí)段，可以減少儲(chǔ)能單元的放電容量，多用市電。當(dāng)然，這種靠輸出電壓控制的方法會(huì)造成母線電壓的波動(dòng)，但波動(dòng)很小，不會(huì)影響負(fù)載的正常工作和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。無(wú)論在穩(wěn)態(tài)還是動(dòng)態(tài)條件下，微電網(wǎng)系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，必須對(duì)多類型負(fù)載變化有足夠快的響應(yīng)速度。目前的微電網(wǎng)拓?fù)渲?，?chǔ)能單元直接與直流母線相連，所以儲(chǔ)能單元針對(duì)母線的波動(dòng)能快速響應(yīng)。此外，AC/DC模塊和太陽(yáng)能模塊具有毫秒級(jí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，與儲(chǔ)能模塊一起滿足負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。

3 系統(tǒng)保護(hù)

3.1 系統(tǒng)接地方式

對(duì)于直流系統(tǒng)，常用的接地方式有:直接接地系統(tǒng)、雙端高阻接地、單端高阻接地、懸浮接地。

本文采用雙端高阻接地方式，同時(shí)太陽(yáng)能陣列的輸出也采用該方式。

3.2 接地故障監(jiān)測(cè)

對(duì)于高阻接地系統(tǒng)，為了避免電擊風(fēng)險(xiǎn)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配單回路的接地電阻。目前接地電阻的監(jiān)測(cè)有直流法和交流法兩種技術(shù)。直流微電網(wǎng)覆蓋區(qū)域大，配電回路與大地之間存在較大的雜散電容，采用交流法易形成誤告警。所以，該系統(tǒng)采用直流法實(shí)現(xiàn)絕緣監(jiān)測(cè)。

3.3 系統(tǒng)保護(hù)

由于直流配電系統(tǒng)保護(hù)沒(méi)有相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以參照，商用的直流配電器件也沒(méi)有交流的豐富，因此直流系統(tǒng)保護(hù)比交流系統(tǒng)的顯得復(fù)雜。針對(duì)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的保護(hù)，需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題:

(1)合理選擇保護(hù)器件。

(2)實(shí)現(xiàn)可靠的選擇性保護(hù)。

(3)太陽(yáng)能陣列故障保護(hù)。

直流微電網(wǎng)需采用直流型或可用于直流的保護(hù)器件。為了滿足工作電壓電流要求，可以把空開(kāi)極間進(jìn)行串并聯(lián)使用。

為了合理地選擇開(kāi)關(guān)器件，對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)建立了阻抗模型，如圖3所示。根據(jù)該模型可計(jì)算各支路的短路電流，為開(kāi)關(guān)選擇提供依據(jù)。

圖3 微電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗模型

由于短路時(shí)需足夠的能量來(lái)觸發(fā)保護(hù)器件動(dòng)作，而AC/DC單元和MPPT 的能量由于受到系統(tǒng)容量的限制而無(wú)法滿足觸發(fā)的要求，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，儲(chǔ)能單元對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)非常關(guān)鍵。

太陽(yáng)能陣列類似于一個(gè)電流源，因此當(dāng)太陽(yáng)能陣列出現(xiàn)短路時(shí)，沒(méi)有明顯的短路大電流特征。所以，必須同時(shí)結(jié)合電壓與電流的特征判斷短路故障，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行非常重要。

4 系統(tǒng)管理

微電網(wǎng)系統(tǒng)由一個(gè)統(tǒng)一的監(jiān)控單元實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。該監(jiān)控單元由傳感器及采集設(shè)備、路由器、終端服務(wù)器及顯示單元構(gòu)成。

5 方案實(shí)施

結(jié)合實(shí)際的需求，設(shè)計(jì)了一個(gè)150 kW直流微電網(wǎng)系統(tǒng)并完成了安裝和測(cè)試，目前已投入運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果證明，150 kW直流微電網(wǎng)系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

介紹了150 kW直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，分析了系統(tǒng)的接地方式、配電保護(hù)及直流微電網(wǎng)的控制方案，并根據(jù)設(shè)計(jì)完成了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和實(shí)際安裝運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，150 kW直流微電網(wǎng)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)保護(hù)功能完善，體現(xiàn)了直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)。

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