光儲(chǔ)充一體化智能微網(wǎng)建設(shè)

摘 要：智能微網(wǎng)適用于分布式光伏發(fā)電靈活接入，光儲(chǔ)充一體化工程項(xiàng)目集成度高。利用廠房屋頂和車棚頂部空間，布置光伏發(fā)電組件，供給辦公區(qū)域和車棚直流充電樁用能;配置適當(dāng)比例的鉛酸電池儲(chǔ)能單元，平衡發(fā)電功率和負(fù)載功率;通信管理機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測各設(shè)備功率數(shù)據(jù)，執(zhí)行PC主機(jī)的微網(wǎng)運(yùn)行控制策略。測算項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益，為后續(xù)工程提供參考。

關(guān)鍵詞：智能微網(wǎng);光儲(chǔ)充一體化;雙向PCS;通信管理;分布式光伏接入

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）34-0146-04

Abstract： Intelligent microgrids are suitable for flexible access to distributed photovoltaic power generation， and optical storage and charging integrated engineering projects have a high degree of integration. Use the roof of the factory building and the top space of the carport to arrange photovoltaic power generation modules to supply energy to the office area and the carport DC charging piles; configure an appropriate proportion of lead-acid battery energy storage units to balance generated power and load power; the communication management machine monitors each device in real time. Power data， implement the PC host's microgrid operation control strategy， calculate the economic benefits of the project and provide reference for subsequent projects.

Keywords： intelligent microgrid; optical storage and charging integration; two-way PCS; communication management; distributed photovoltaic access

“雙碳”（碳達(dá)峰、碳中和）目標(biāo)的提出，推動(dòng)我國新能源建設(shè)駛?cè)肟燔嚨?，同時(shí)，新型電力系統(tǒng)規(guī)劃確立了以新能源為主體的發(fā)展方向[1-3]。光伏并網(wǎng)在兩個(gè)維度實(shí)現(xiàn)，即大規(guī)模集中并網(wǎng)和分布式多點(diǎn)并網(wǎng)，前者容量大，后者覆蓋面廣、接入形式更為靈活。分布式光伏接入分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型，并網(wǎng)型與公共電網(wǎng)相連，離網(wǎng)型控制邏輯更為復(fù)雜，配置一定容量的儲(chǔ)能單元、負(fù)載，源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)-控架構(gòu)也稱為微網(wǎng)（或微電網(wǎng)），微網(wǎng)建設(shè)呈現(xiàn)集成化、智能化發(fā)展趨勢(shì)[4]。

1 工程概況

以某工業(yè)園區(qū)光儲(chǔ)充一體化智能微網(wǎng)示范工程為例。在廠房建筑物屋頂和充電樁車棚上鋪裝分布式太陽能電池板，車棚內(nèi)安裝直流充電樁，配電室內(nèi)安裝儲(chǔ)能單元和控制單元。

廠房建筑物屋頂東西長32 m，南北寬14 m，總面積448 m2;充電樁車棚東西長10 m，南北寬5.5 m，總面積55 m2。選用高光電轉(zhuǎn)化率的單晶硅光伏組件，單塊功率370 W。廠房建筑物屋頂安裝96塊光伏組件，采用雙排布置形式，與屋頂平面安裝夾角為25°，總?cè)萘繛?5.52 kWp，匹配40 kW并網(wǎng)逆變器;直流充電樁車棚安裝22塊光伏組件，采用雙排對(duì)稱平鋪形式，總?cè)萘?.14 kWp，匹配10 kW并網(wǎng)逆變器。

負(fù)載為辦公區(qū)域內(nèi)照明系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電腦和打印機(jī)等辦公設(shè)備，以及冷熱兩用空調(diào)和換氣扇。

2 光儲(chǔ)充一體化智能微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)、負(fù)載、儲(chǔ)能和充電樁分層控制[5]，各設(shè)備與控制中心信息交互，光儲(chǔ)充一體化智能微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。動(dòng)態(tài)感知光伏板逆變器、雙向PCS、直流充電樁實(shí)時(shí)電氣參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整充電時(shí)間和功率，優(yōu)化直流充電樁負(fù)荷運(yùn)行曲線，實(shí)現(xiàn)有效填谷，提升微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行效率。

太陽能光伏組件發(fā)出直流電，經(jīng)由逆變器完成直-交變換，連接至380 V母線，母線連接儲(chǔ)能柜、直流充電樁和其他用電負(fù)載，負(fù)載包括交流負(fù)載和直流負(fù)載，其中儲(chǔ)能柜是微網(wǎng)調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)單元。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 光伏組件性能對(duì)比與選型

太陽能電池板以硅基材料為主，單晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜市場占比超過九成。非晶薄膜技術(shù)水平高，應(yīng)用于特殊場景，單晶硅、多晶硅是工業(yè)應(yīng)用的主力產(chǎn)品，二者間的性能對(duì)比見表1。

可見，單晶硅組件的光電轉(zhuǎn)換效率高于多晶硅組件，土地空間利用率高。單晶硅半片高效組件成為屋頂光伏的首選，光伏發(fā)電系統(tǒng)用PERC單晶光伏組件峰值功率約為445～550 Wp[6]。綜合光電轉(zhuǎn)換效率、市場占有率和成熟度，本工程選用兼具性價(jià)比的540 Wp單晶半片PERC組件。

3.2 儲(chǔ)能配置方案

按照光儲(chǔ)充一體化智能微網(wǎng)功能需求，配置一套鉛酸電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)消納后剩余電量的儲(chǔ)存，并在用電高峰時(shí)段釋放儲(chǔ)存電能。根據(jù)2023年度用電量及電費(fèi)統(tǒng)計(jì)情況，工業(yè)園區(qū)辦公樓冬季采暖和夏季制冷，采用電采暖和空調(diào)制冷方式，夏季和冬季為用電負(fù)荷高峰月份。執(zhí)行光伏發(fā)電時(shí)段“全消納、儲(chǔ)能用、零上網(wǎng)”的控制方式，通信管理機(jī)完成功率分配和用能控制。

春、秋季節(jié)光伏發(fā)電效率高，采用負(fù)荷控制模式，將光伏剩余電量儲(chǔ)存至蓄電池組，晚上用電高峰時(shí)段儲(chǔ)能電池出力。夏季為空調(diào)用能高峰季節(jié)，利用峰谷電價(jià)差，發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)最大效能，實(shí)現(xiàn)套利。即：在用電低谷時(shí)段，以填谷形式給蓄電池組充電，在上午10—12點(diǎn)用電高峰時(shí)段進(jìn)行放電，實(shí)現(xiàn)峰谷電價(jià)套利[7]。冬季為電采暖用電高峰時(shí)段，而此時(shí)光伏發(fā)電效率較低，輸出功率不足以滿足負(fù)載設(shè)備運(yùn)行需求，故不考慮光伏發(fā)電剩余電量消納情況，夏季發(fā)電功率不能滿足空調(diào)用能需求時(shí)，同樣適用該策略。

根據(jù)光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量，計(jì)劃選用2臺(tái)光伏并網(wǎng)逆變器，40 kW、10 kW各1臺(tái)，儲(chǔ)能電池組按滿載發(fā)電量的80%匹配，選用1臺(tái)40 kW雙向儲(chǔ)能變流器（PCS）。配套布置兩面直流蓄電池安裝屏，儲(chǔ)能系統(tǒng)采用一充一放工作模式，配置65 Ah/12 V蓄電池50節(jié)，串聯(lián)接線，系統(tǒng)電壓600 V，理論儲(chǔ)能電量39 kWh。設(shè)備安裝在新建配電室內(nèi)，層高2.8 m，配電柜底座高0.1 m。

3.3 儲(chǔ)能變流器（PCS）

PCS 執(zhí)行儲(chǔ)能單元（蓄電池）充電與放電功能，布置于儲(chǔ)能柜和380 V母線之間，通過A/D、D/A模塊完成交直流變換。配置硬件故障保護(hù)和軟件保護(hù)單元，保護(hù)功能配置依據(jù)“交叉冗余”原則，杜絕死區(qū)，確保各種故障狀態(tài)下的系統(tǒng)安全。

3.3.1 儲(chǔ)能變流器（PCS）的調(diào)節(jié)功能

1）有功功率控制功能。PCS可根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)指令控制其有功功率輸出。為實(shí)現(xiàn)有功功率調(diào)節(jié)功能，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能接收并實(shí)時(shí)跟蹤執(zhí)行微電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)發(fā)送的有功功率控制信號(hào)，根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)控制指令等信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)有功輸出，輸出有功功率與設(shè)置值偏差不超過3%。

2）電壓/無功調(diào)節(jié)功能。PCS可根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)控制指令等信號(hào)實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)節(jié)無功輸出，其參數(shù)為無功功率、功率因數(shù)等參數(shù)可由微電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程設(shè)定。

3）PCS具備主動(dòng)孤島檢測功能。孤島狀態(tài)下，能夠在2 s內(nèi)檢測出孤島狀態(tài)，同時(shí)通過監(jiān)控系統(tǒng)上報(bào)故障信息。

4）PCS具備一定程度的異常電壓耐受能力。交流輸出端三相電壓的允許偏差為額定電壓的-15%～+10%。

5）PCS電池充電時(shí)滿足電池對(duì)電能質(zhì)量要求。恒流充電時(shí)，穩(wěn)流精度小于等于1%（在20%～100%輸出額定電流時(shí)），電流紋波小于等于5%。

6）PCS接入電網(wǎng)后，公共連接點(diǎn)的三相電壓不平衡度不超過GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》規(guī)定的限值，公共連接點(diǎn)的負(fù)序電壓不平衡度應(yīng)不超過2%，短時(shí)不得超過4%[8];其中由PCS引起的負(fù)序電壓不平衡度不超過1.3%，短時(shí)不超過2.6%。

7）PCS具有人機(jī)交互界面和通信功能，方便工作人員就地和遠(yuǎn)程操作，人機(jī)界面能顯示如下：數(shù)據(jù)顯示/電池信息/狀態(tài)顯示/故障信息/工作記錄/歷史查詢/控制操作/參數(shù)設(shè)置。

8）PCS具備一定程度的過電流耐受能力。1.1倍10 min，1.2倍1 min，即當(dāng)PCS輸出電流為額定電流的1.1倍時(shí)，連續(xù)運(yùn)行10 min;當(dāng)PCS輸出電流為額定電流的1.2倍時(shí)，連續(xù)運(yùn)行1 min[9]。

3.3.2 儲(chǔ)能變流器（PCS）的保護(hù)功能

1）PCS具有過載保護(hù)功能。當(dāng)PCS輸出的功率超過其允許的最大直流輸入功率時(shí)，PCS應(yīng)自動(dòng)限流工作在允許的最大交流輸出功率處。

2）PCS具有過熱保護(hù)功能。當(dāng)PCS內(nèi)部主要發(fā)熱元件如IGBT溫度、變壓器溫度、電抗器溫度超過允許值的任一情況下，PCS停止向電網(wǎng)供電?；謴?fù)正常后PCS應(yīng)能正常工作。

3）PCS具有三相不平衡和相位保護(hù)功能。當(dāng)PCS交流輸出側(cè)三相不平衡時(shí)或接入電網(wǎng)后檢測到的相位發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，PCS即停止工作。

4）PCS具有防反接保護(hù)功能。當(dāng)上述故障類型發(fā)生時(shí)，PCS保護(hù)停機(jī)，人機(jī)交互界面顯示故障信息，當(dāng)故障排除后，需手動(dòng)操作完成復(fù)位。

3.4 微網(wǎng)監(jiān)測控制系統(tǒng)

監(jiān)測控制系統(tǒng)是微網(wǎng)各類設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行的邏輯執(zhí)行單元，覆蓋充電樁系統(tǒng)、冷熱源系統(tǒng)、配用電系統(tǒng)，通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。維持發(fā)電功率與負(fù)載功率的實(shí)時(shí)平衡，RS-485通信監(jiān)測車棚和廠房屋頂逆變器功率，記錄發(fā)電功率;RS-485通信監(jiān)測充電樁、冷熱空調(diào)、換氣扇和其他辦公類負(fù)載功率，記錄負(fù)載功率;RS-485通信監(jiān)測儲(chǔ)能柜雙向變流器功率，填補(bǔ)發(fā)電與負(fù)載功率差值，實(shí)現(xiàn)380 V母線功率平衡。通信管理機(jī)與PC主機(jī)間網(wǎng)線互聯(lián)，執(zhí)行TCP/IP協(xié)議;配置55英寸大屏，HDMI高清線連接，實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備功率數(shù)據(jù);PC主機(jī)可以分析線路損耗、變損和電能質(zhì)量。

3.5 充電控制系統(tǒng)

充電控制系統(tǒng)具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3.5.1 多重加密

為確保數(shù)據(jù)安全，監(jiān)控系統(tǒng)支持多重加密：鏈路層進(jìn)行通道加密;業(yè)務(wù)層進(jìn)行二維碼加密、藍(lán)牙連接雙向身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)交互加密等技術(shù)手段。

3.5.2 可靠充電

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)正常通信時(shí)，以常規(guī)方式充電，PC主機(jī)與雙向變流器以雙通道互備份方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在通信管理機(jī)端，充電指令先到先處理、后到忽略，提高數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性。通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)，以用戶充電需求響應(yīng)為優(yōu)先原則，依據(jù)充電場景的不同，為用戶提供差異化服務(wù)，通過本地藍(lán)牙通道發(fā)起繼續(xù)充電申請(qǐng)或執(zhí)行應(yīng)急充電，確保不低于現(xiàn)有充電方式的可靠性。

3.5.3 便捷操作

用戶無需手動(dòng)開啟藍(lán)牙熱點(diǎn)、輸入充電樁編號(hào)，可通過掃描二維碼，即可自動(dòng)開啟藍(lán)牙連接，實(shí)現(xiàn)充電樁與車輛的配對(duì)綁定，實(shí)現(xiàn)車輛即停即充。

4 經(jīng)濟(jì)效益

4.1 發(fā)電量計(jì)算

根據(jù)太陽能在斜面的日照輻射總量，結(jié)合光伏組件供應(yīng)商提供的衰減參數(shù)，高效單晶硅太陽電池組件第1年總衰減比為2%，以后逐年衰減0.55%。首年發(fā)電量L1=50 kW×1 397.7 h×81%×98%=55.47 MW·h，其中1 397.7 h為項(xiàng)目所在地區(qū)年平均發(fā)電小時(shí)數(shù)。光伏發(fā)電項(xiàng)目投資回報(bào)周期為25年，由等比數(shù)列求和公式得，項(xiàng)目投資周期總發(fā)電量為

La=L1=55.47×=1 298.97 MW·h，年平均發(fā)電量為51.96 MW·h。

4.2 電價(jià)計(jì)算

根據(jù)項(xiàng)目所在地工商業(yè)用電各時(shí)段電價(jià)，見表2。采用加權(quán)電費(fèi)計(jì)算，電價(jià)=（8×0.549 4+8×0.759 5）/16=0.654元/度（測算電價(jià)取峰、平時(shí)段加權(quán)，不包括谷時(shí)）。

本項(xiàng)目發(fā)電收入按經(jīng)營期平均上網(wǎng)電價(jià)和上網(wǎng)電量計(jì)算，自用電價(jià)按工商業(yè)用電峰、平加權(quán)計(jì)算為0.654元/度，年平均電費(fèi)收入為3.40萬元。

4.3 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

工程靜態(tài)投資459.6萬元，年維護(hù)費(fèi)用占固定資產(chǎn)的比率：運(yùn)營期1～3年0.3%，4～10年0.4%，11～15年0.6%，16～20年0.8%，21～25年1.0%。固定資產(chǎn)折舊提取采用直線法，殘值按固定資產(chǎn)原值的5%計(jì)取，折舊年限取20年，折舊還貸率100%。測算出項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率5.07%（稅后），資本金財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率6.19%，滿足新能源項(xiàng)目投資要求，項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上可行。

5 結(jié)束語

光儲(chǔ)充一體化智能微網(wǎng)項(xiàng)目基于分布式微網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)，融合了工業(yè)園區(qū)的配電系統(tǒng)、分布式光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、直流充電樁、辦公負(fù)載及線路損耗和電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)等功能?？刂葡到y(tǒng)基于現(xiàn)場各監(jiān)測儀表、智能控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成采集和處理，通過通信管理機(jī)執(zhí)行PC主機(jī)控制策略，實(shí)現(xiàn)工業(yè)園區(qū)微網(wǎng)“清潔型”“智慧化”“近零功耗”用能需求，有效降低電網(wǎng)功率消耗。

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作者簡介：陳亞威（1990-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)樾履茉错?xiàng)目投資及建設(shè)。