分布式光伏智能微電網的應用研究分析

王文雅

（西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 拉薩 850000）

在中國太陽能資源位居第一的西藏，太陽能資源蘊藏量理論值約為6.86×1013kWh［1］，其首府拉薩因晴天多、日照時間長被稱為“日光之城”，年均日照時數約為3005h。為使太陽能資源能夠在西藏被高效開發(fā)利用，以解決其偏遠地區(qū)電力需求問題，西藏建立了數量眾多、形式各異的光伏電站，其中包括：獨立離網光伏發(fā)電站、并網集中光伏發(fā)電站、風光互補光伏電站及光伏為主的多能互補智能微電網等。分布式光伏發(fā)電技術因其形式多樣、接入靈活、安裝容易、增減簡便、結合性強等優(yōu)點已成為政府、有關電力部門和科研機構的關注重點，其不斷發(fā)展為西藏無電地區(qū)分散的農牧民用電提供了能源安全保障，為樹立節(jié)能減排理念和推廣清潔能源使用起到了很大的示范作用。因西藏地處世界屋脊的青藏高原上，其高寒高海拔的氣候特征使蓄電池使用壽命相對較短，加之地廣人稀農牧民流動性強的特點，常因無法并網和儲能的缺位出現棄光現象和故障報修時間延遲等問題。另外，還因太陽輻照強度變化和天氣陰晴不定，變幻無常，分布式光伏發(fā)電系統所具有的隨機性、間歇性和波動性的特點愈發(fā)明顯［2］，在大容量裝機并網時，會對調節(jié)能力相對薄弱電網造成沖擊，影響電網的安全穩(wěn)定。為有效平衡功率、優(yōu)化能量、提高安全、提升效率和保障供電發(fā)展具有自我調控能力和高效耦合多種能源的分布式光伏智能微電網就顯得尤為必要。

1 光伏智能微電網簡介

1.1 智能微電網概念

智能微電網包含由分布式電源（風能、光能、水能等清潔能源發(fā)電）、儲能裝置、能量轉換裝置（含雙向變流器等）、用電負荷、監(jiān)控系統和保護裝置等構成的一種小型集發(fā)配輸用功能為一體的電力系統。智能微電網既和帶有負荷的分布式發(fā)電系統的有本質性區(qū)別，主要表現為其可以高效利用智能電網內不同種類能源，減少供電系統整體投入，優(yōu)化資源配置，同時可以實現并網與獨立運行之間的無縫切換能力，還具相應的黑啟動功能［3］。在接入配電網運行中，因其自生具備發(fā)電能力、電能儲能功能和眾多負荷單元它既可以作為一個“虛擬”供電的電源又可以作為用電負荷。

1.2 分布式光伏智能微電網

分布式光伏智能微電網是將光伏發(fā)電模塊作為智能微電網中的分布式電源，在有充足太陽能的情況下，將陽光中蘊含的能量轉化為電能，通過自身調控，在控制中心的調配下，將一部分電能直接供給用戶側負載使用，一部分電能以蓄電池作為介質進行存儲，富余電量通過上網供給電網。在因無太陽能和太陽能資源不足或負載過大的情況下，光伏發(fā)電不足以提供充足電能的情況下，系統將優(yōu)先從蓄電池輸出電能供用戶側使用，或者從電網上輸配送電。具備多元化運行模式和自我調節(jié)能力的智能微電網，以友好的并網運行策略在解決光伏分布式電源安全可靠并網的同時，還能通過自身功能有效地提高電網抗災害打擊能力，保證其系統內穩(wěn)定安全的電能供給，實現電力供給高效整合和優(yōu)質匹配，對內外電網相互間電能功率平衡分配進行優(yōu)化，如圖1。

圖1 拉薩某地分布式光伏智能微電網能量流動分布

2 光伏智能微電網運行分析

為進行光-儲-荷一體的微電網的用能管理、預測及智能調控的研究與示范，提高可再生能源在日常辦公能耗中的消耗比重，充分利用現有分布式光伏發(fā)電設施，整合發(fā)電模塊，拉薩某地構建了1套分布式發(fā)電光伏系統總裝機容量為45.9kWp，鋰電池儲能容量為240kWh的智能微網接入系統。

2.1 微網理論和實際數據

光伏電站系統效率公式：

PT=

PT:T時間內光伏電站系統效率；

ET:T時間內光伏電站發(fā)電量；

Pe：光伏裝機標稱容量；

hT:T時間內組件面上的峰值日照時數；

分布式智能微網電站光伏組件接入裝機總容量45.9kWp，選用180 塊（額定功率255Wp）多晶硅光伏組件，按照拉薩日照實數約5.5h 計算，全壽命周期20年內，綜合考慮光伏組件實際發(fā)電效率、直流匯流箱及逆變器損耗后效率、交流輸送效率等，理論上年均發(fā)電總量為7.3 萬kWh，基本能滿足辦公樓年用電量。對照監(jiān)控系統數據：2020 年3 月至2021 年2 月光伏能量統計為32800kWh，圖2所示。

圖2 2020年3月至2021年2月光伏能量統計

2.2 數據差異分析

在市電閉/斷的情況下，系統可以靈活快速的實現并離網的無縫切換及電壓和頻率的匹配，平衡發(fā)電功率、優(yōu)化電能質量，完全滿足辦公樓用電。

光伏發(fā)電量在2020 年3—4 月份與2021 年3—4月份相差500kWh，差距幾乎不大明顯，可以歸結為天氣的變化引起的。

光伏實際發(fā)電量低于理論年發(fā)電量的50%.發(fā)電量只節(jié)選了2020 至2021 年間的這一年的數據，隨機性很大；2020 年8—9 月份因微網系統中光儲混合變流器參數變化引光伏組件發(fā)電未被采集輸送；2020年上半年，有部分組件匯流箱內配件燒壞而未得到及時的維修；光伏組件上面落上灰塵、鳥糞等。

2.3 建議

智能微電網的建設規(guī)模和裝機容量逐步從相對單一、小型化的體系構造向著多種能源相結合的大型化的方向進展。美國最先提出了智能微電網的概念［4］，而在建設微電網示范工程上，日本卻超前于世界其他國家，我國的智能微電網技術還在示范階段發(fā)展。智能微網在不久的將來會成為一種市場化的面向用戶測的末端電網，研究發(fā)展適用于西藏的光伏（或多種形式的新能源互補）智能微電網，將能源、電力、信息以互聯網的形勢緊密結合在一起。

一是在繼續(xù)推廣分布式光伏智能微電網的示范應用的同時，開發(fā)研究其他類型的清潔能源（或多種能源互補）的分布式電源；二是加強培養(yǎng)西藏本地智能微電網運維方面的專業(yè)技術人才，能夠做到及時了解微網運行情況并讀懂參數設置，一旦發(fā)現微網故障迅速尋求解決的辦法；三是相應的配套設中的微小配件備需備份一份，如變流器中的電路板、匯流箱里的斷路器，一旦遇到這方面的故障問題，可以減少采購運輸時間，有的配件甚至已因某些原因已絕版，及時修復微網系統；四是定期清潔光伏組件。

3 結論

光伏智能微電網能夠實施監(jiān)控電池單體信息和運行數據，實施平臺調度，時時進行系統并網運行管理的遠程數據采集與監(jiān)控，減少不必要的人工采集數據和故障分析。對今后有效利用可再生能源、節(jié)能減排、提高西藏農牧區(qū)用電水平，減少對電網安全穩(wěn)定性的沖擊意義深遠。