基于分布式光伏發(fā)電的智能微電網(wǎng)研究

［摘 要］近年來，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，且技術(shù)較成熟，已經(jīng)呈現(xiàn)出規(guī)?；稚㈤_發(fā)、低壓接入及就地消納的格局形勢。文章介紹了分布式光伏智能微電網(wǎng)的概念內(nèi)涵，分析了分布式光伏智能微電網(wǎng)的運行機制，分析了分布式光伏智能微電網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，以期為分布式光伏智能微電網(wǎng)的發(fā)展提供參考。

［關(guān)鍵詞］分布式光伏；智能微電網(wǎng)技術(shù)；并網(wǎng)控制

［中圖分類號］TM615 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0104–03

1 分布式光伏智能微電網(wǎng)概述

分布式光伏智能微電網(wǎng)是指將光伏發(fā)電模塊直接連接到智能微電網(wǎng)中，將其作為電網(wǎng)的分布式電源，使電源能夠利用充足的陽光收集能量，然后轉(zhuǎn)換為電能，通過電網(wǎng)的控制和調(diào)配將部分電能輸送給用戶，其余部分則存儲到蓄電池中。當遇到惡劣天氣時，可以將之前存儲在蓄電池的電能輸送給用戶或調(diào)配到電網(wǎng)中。從本質(zhì)上講，分布式光伏智能微電網(wǎng)具有獨立運行和自我調(diào)節(jié)的能力，能夠有效提升電網(wǎng)輸電效率和穩(wěn)定性，平衡內(nèi)外電網(wǎng)之間的電能功率。

2 分布式光伏智能微電網(wǎng)運行機制

為了推動分布式光伏智能微電網(wǎng)的普及和發(fā)展，某地區(qū)以分布式光伏發(fā)電設(shè)施為基礎(chǔ)構(gòu)建了1 套總裝機容量為 40.8 kWp、鋰電池儲能容量為240 kW·h 的分布式光伏智能微電網(wǎng)系統(tǒng)。

2.1 分布式光伏智能微電網(wǎng)設(shè)計理論

該地區(qū)在構(gòu)建分布式光伏智能微電網(wǎng)系統(tǒng)時選用了160 塊額定功率為255 Wp 的多晶硅光伏組件。參考光伏組件全壽命周期為20 a、該地區(qū)日照實數(shù)為5 h等數(shù)據(jù)及式（1），可以計算出光伏組件實際發(fā)電效率、直流匯流箱及逆變器損耗后效率、交流輸送效率等指標參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，可以參考上一年度的光伏能量統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算年均發(fā)電總量。

PT=ET/PehT（1）

式中，PT為T 時間內(nèi)光伏電站系統(tǒng)效率，ET為T 時間內(nèi)光伏電站發(fā)電量，Pe為光伏裝機標稱容量，hT為T時間內(nèi)組件面上的峰值日照時數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)產(chǎn)生差異的原因分析

該地區(qū)構(gòu)建的分布式光伏智能微電網(wǎng)系統(tǒng)具有并離網(wǎng)實時切換及調(diào)節(jié)電壓和輸電頻率的功能，能夠在滿足用電需求的同時提升發(fā)電功率和質(zhì)量。從數(shù)據(jù)觀察效果來看，該系統(tǒng)產(chǎn)生的光伏發(fā)電量沒有明顯的差別，部分細微變化可能與天氣條件有關(guān)。至于該系統(tǒng)的光伏實際發(fā)電量低于理論計算值，可能是微電網(wǎng)系統(tǒng)中光儲混合變流器參數(shù)變化或光伏組件匯流箱內(nèi)配件功能異常等原因所致。

3 分布式光伏智能微電網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)分析

目前比較流行的分布式光伏智能微電網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)包括交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)及交直流混合微電網(wǎng)。這3 種組網(wǎng)方式都能夠滿足常規(guī)性建筑用電需求。

3.1 交流微電網(wǎng)

交流微電網(wǎng)是利用公共交流母線將分布式光伏組件連接在一起的電網(wǎng)系統(tǒng)。交流微電網(wǎng)的所有裝置和系統(tǒng)都需要連接到公共交流母線上，確保公共交流母線可以利用公共連接點斷路器控制微電網(wǎng)的并網(wǎng)運行和孤網(wǎng)運行狀態(tài)。交流微電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

考慮到大電網(wǎng)主要采用交流形式，因此交流微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)更加成熟，在普及應(yīng)用方面也有較強的推廣性和可行性。之所以要推廣交流微電網(wǎng)主要是因為這種方式成本比較低，受到的內(nèi)外因素影響程度比較小，而且系統(tǒng)內(nèi)部有自然滅弧點，比較容易滅弧。但是這種方式對于運行控制有一定的技術(shù)要求，而且系統(tǒng)穩(wěn)定性有待提升，可能會出現(xiàn)無功損耗和集膚效應(yīng)等問題。

3.2 直流微電網(wǎng)

直流微電網(wǎng)是利用公共直流母線將分布式光伏組件連接在一起的電網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中所有的組件和裝置都直接連通到公共直流母線上，由公共直流母線控制逆變器裝置和電流器完成供電任務(wù)。使用直流微電網(wǎng)供電能夠簡化供電流程，減少變電裝置的環(huán)節(jié)，在一定程度上可以削減成本。直流微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

這種組網(wǎng)方式的優(yōu)點在于分布式發(fā)電系統(tǒng)由直流電壓控制，系統(tǒng)會將直流電輸送到直流母線中，完成各個裝置和組件的協(xié)同運作。而且，系統(tǒng)中的存儲裝置也能夠在直流側(cè)補償分布式電源和負荷產(chǎn)生的波動、擾動電量損耗。從現(xiàn)實情況來看，直流微電網(wǎng)比交流微電網(wǎng)控制效果更好，也能夠有效解決分布式電源的同步問題，操作較為簡單，且操作成本及電能損耗都比較小，因此性價比較高。但是，這種組網(wǎng)方式也有缺點，例如不能輕易使用變壓器改變直流電電壓；如果在系統(tǒng)中安裝環(huán)流裝置將會使交流側(cè)和直流側(cè)產(chǎn)生諧波電流電壓，增加成本消耗和電能干擾；系統(tǒng)中沒有高壓直流開關(guān)設(shè)備，因此滅弧比較困難。

3.3 交直流混合微電網(wǎng)

直流微電網(wǎng)和交流微電網(wǎng)都各有優(yōu)勢和缺點，因此在開展分布式光伏智能微電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)工作時也在嘗試使用新的結(jié)構(gòu)，彌補直流和交流微電網(wǎng)的缺陷。目前比較常用的方式是使用交直流混合微電網(wǎng)構(gòu)建分布式光伏智能微電網(wǎng)系統(tǒng)。交直流混合微電網(wǎng)是指利用直流母線和交流母線共同連接裝置和光伏元件組成微電網(wǎng)系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)中既含有交流母線，也含有直流母線，因此可以直接給交流負荷和直流負荷供電。

從交直流混合微電網(wǎng)的性能來看，這種組網(wǎng)方式可以利用交流和直流的形式發(fā)電。這有助于減少交流輸入直流輸出或是直流輸入交流輸出的變換環(huán)節(jié)的電能損耗，提升輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足多元化供電需求。從整體情況來看，交直流混合微電網(wǎng)可以有效解決直流系統(tǒng)產(chǎn)生無用損耗的問題，使供電更加靈活可控。

4 分布式光伏智能微電網(wǎng)應(yīng)用案例

上述地區(qū)在架設(shè)分布式光伏智能微電網(wǎng)系統(tǒng)時，使用了額定電壓為0.4 kV、額定容量為160 MVA 的變壓器，YJY-1-4×185+1×95 電纜型號的交流母線，6 mm2-2pfg -1169 電纜型號的其余線路。分布式光伏智能微電網(wǎng)系統(tǒng)中使用了400 V電壓的交流母線、400 V 電壓的直流母線及直流額定值為3 MW 的光伏并網(wǎng)逆變器等。

在制作模擬仿真系統(tǒng)時，采用交直流混合微電網(wǎng)設(shè)計的理念，以發(fā)揮交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)的優(yōu)勢，減少不必要變換環(huán)節(jié)產(chǎn)生的電能損耗。在具體設(shè)置方面，將交流動態(tài)負荷和交流靜態(tài)負荷連接到交流母線上，直流靜態(tài)負荷和直流動態(tài)負荷將連接到直流母線上，大電網(wǎng)則通過逆變器裝置也連接到交流母線上，柴油發(fā)電機后備電源連接到交流母線上。

在構(gòu)建分布式光伏智能微電網(wǎng)系統(tǒng)時，也會參考高斯– 賽德爾迭代法、牛頓– 拉夫遜法、P–Q 分解法等理論，計算電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲、發(fā)電負荷等運轉(zhuǎn)情況和相關(guān)數(shù)值。從整體性能來看，基于交直流混合微電網(wǎng)設(shè)計理念構(gòu)建的分布式光伏智能微電網(wǎng)系統(tǒng)可以實現(xiàn)孤網(wǎng)運行和并網(wǎng)運行的目標。孤網(wǎng)運行是指微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間沒有產(chǎn)生有功功率和無功功率等方面的聯(lián)系，能夠獨立于大電網(wǎng)之外自行運轉(zhuǎn)。在孤網(wǎng)運行狀態(tài)下，該模擬系統(tǒng)能夠利用柴油后備發(fā)電機、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)自動運行。由光伏發(fā)電向負荷提供有功功率，柴油發(fā)電機提供無功功率。并網(wǎng)運行是指微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間能夠做到相互聯(lián)系，共同供電。在該模擬仿真系統(tǒng)中，微電網(wǎng)能夠在并網(wǎng)運行狀態(tài)下由光伏發(fā)電、后備柴油發(fā)電機及電網(wǎng)共同提供有功功率和無功功率。

本次模擬仿真系統(tǒng)使用的交直流混合微電網(wǎng)理念也能發(fā)揮出直流微電網(wǎng)的優(yōu)勢，光伏直流發(fā)電裝置和光伏發(fā)電能夠直接提供電能，不需要經(jīng)過電流轉(zhuǎn)換，因此可以進一步提升電流輸送的功能。在直流供電模式下，大電網(wǎng)、后備柴油發(fā)電機及光伏直流發(fā)電設(shè)備能夠直接提供電能，系統(tǒng)內(nèi)的裝置也會接在直流母線上，因此直流電流會決定直流母線上的電流大小。從這一點來看，直流輸出的電能比較充足，可以利用逆變器將電能輸送到大電網(wǎng)中。假設(shè)某建筑物使用交直流混合微電網(wǎng)設(shè)計模式，在孤網(wǎng)運行的狀態(tài)下，直流負荷將會通過直流電樁給電動汽車供給電能，交流負荷則可以通過交流供電設(shè)備向建筑物照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)及其他系統(tǒng)供給電能。交直流混合微電網(wǎng)模式下，交流母線和直流母線之間能夠相互聯(lián)系，因此電能也可以進行更加合理的分配。當直流負荷供電不足時，可以利用逆變器將交流母線上的電能輸送到直流母線中，以此達到平衡供電的目的。

由此可見，交直流混合微電網(wǎng)能夠打破交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)在電能分配方面存在的局限性，也能夠根據(jù)直流母線和交流母線的負荷變化情況進行調(diào)節(jié)，將直流負荷和交流負荷靈活分配到直流母線和交流母線上，然后通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換裝置輸送電能，減少不必要的損耗，在提升供電效能的同時強化供電系統(tǒng)穩(wěn)定性。交直流混合微電網(wǎng)有比較好的能量互通性能，因此與其他組網(wǎng)方式相比，這種模式更加高效便捷，這也是近些年來很多地區(qū)使用交直流混合微電網(wǎng)的主要原因。從經(jīng)濟效益的角度來看，使用分布式光伏智能微電網(wǎng)不僅可以節(jié)省電能，也可以產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益。有需要的話，還可以加設(shè)光伏板，增加太陽光輻射值，然后利用微電網(wǎng)增加電能轉(zhuǎn)換率，這樣可以以極少的成本獲得更多經(jīng)濟效益。

5 結(jié)束語

與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相比，分布式光伏智能微電網(wǎng)系統(tǒng)可以解決大規(guī)模分布式電源接入電網(wǎng)的困難，同時也能夠更加靈活地配給電能，滿足用戶需求。如果大電網(wǎng)發(fā)生故障，分布式光伏智能微電網(wǎng)系統(tǒng)可以實現(xiàn)孤網(wǎng)運行，保證供電效果。這種組網(wǎng)模式比傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)投入的成本更低，而且也能夠阻止電能損耗，因此可以產(chǎn)生更高的經(jīng)濟效益，這也使得分布式光伏智能微電網(wǎng)在電力系統(tǒng)發(fā)展變革中成為新的發(fā)展方向。

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