園區(qū)光儲微電網(wǎng)設(shè)計與運營分析

摘 要：

結(jié)合園區(qū)用能結(jié)構(gòu)和實際用能需求，設(shè)計一套園區(qū)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)。將光伏發(fā)電系統(tǒng)作為園區(qū)新的電能補充，降低向電網(wǎng)購電的用能成本;通過配置一定容量的電化學(xué)儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)園區(qū)用能結(jié)構(gòu)的能量時移及備用電源支撐等多重功能。對微電網(wǎng)總體和子系統(tǒng)設(shè)計進行概述，并介紹微電網(wǎng)運行及試驗情況。運營分析表明，系統(tǒng)可有效提高能源供需協(xié)調(diào)能力，推動清潔能源就近消納，滿足園區(qū)多樣化用能需求，具有較好的應(yīng)用推廣前景。

關(guān)鍵詞：

光儲; 微電網(wǎng); 能量管理系統(tǒng); 園區(qū)

中圖分類號： TM727

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）11-0082-04

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.11.010

Design and Operation Analysis of Park Light Storage Microgrid

GUO Yinyuan1， YU Chao2， LI Chunyang1， LI Zongyuan1， CHEN Zhuo1

（1.Xuchang KETOP Testing Research Institute Co.，Ltd.， Xuchang 461000， China;

2.State Grid Hubei Power Transmission and Transformation Engineering Co.，Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract：

Based on the energy use structure and actual energy use requirements of the park，a set of optical storage microgrid system of the campus is designed.The photovoltaic power generation system is used as the new electric energy supplement in the park，which reduces the energy cost of purchasing electricity from the grid.By configuring the electrochemical energy storage system with a certain capacity，multiple functions such as energy time shift and backup power support of the campus energy use structure are realized.The overall design and subsystem design of microgrid are summarized，and the operation and test of microgrid are introduced.The operation analysis shows that the system can effectively improve the coordination ability of energy supply and demand，promote the consumption of clean energy nearby，meet the diversified energy needs of the park，and have a good application and promotion prospect.

Key words：

photovoltaic and storage; microgrid; energy management system; park

0 引 言

微電網(wǎng)作為電力供應(yīng)鏈的末端，不僅是直接面向社會和廣大客戶的重要能源載體之一，也是智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)組成部分［1-3］，其可以提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性，促進可再生清潔能源的接入和就地消納［4-5］，提升能源利用效率［6］，在節(jié)能減排中發(fā)揮重要作用。

本文以園區(qū)工程應(yīng)用為背景，在原有配電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計建設(shè)集分布式光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)于一體的綜合能源系統(tǒng);同時以園區(qū)配電負荷和電價情況為基本出發(fā)點，從系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計及微電網(wǎng)運行和試驗分析等方面對該工程項目的設(shè)計和應(yīng)用進行解析。

1 微電網(wǎng)總體設(shè)計

考慮到園區(qū)已有的交流母線基礎(chǔ)構(gòu)架及其相對簡單和適合工程應(yīng)用等諸多特點，本文設(shè)計的園區(qū)光儲微電網(wǎng)采用共交流母線方式。園區(qū)1 000 kW光伏、250 kW/600 kWh儲能和園區(qū)負荷組成能源供電系統(tǒng)的微電網(wǎng)，將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能裝置、能量變換裝置與負荷組合作為配電子系統(tǒng)，通過2臺變壓器并入0.4 kV交流電網(wǎng)，再通過10 kV升壓變接入電網(wǎng)。微電網(wǎng)所發(fā)電能主要供給園區(qū)使用，運行模式以自發(fā)自用為主，余電上網(wǎng)。微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

微電網(wǎng)運行模式分為并網(wǎng)運行和離網(wǎng)運行。并網(wǎng)運行時，園區(qū)負載由光伏、儲能和電網(wǎng)共同供電，以光伏發(fā)電為主，根據(jù)需求調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)的輸出功率，光伏和儲能供能不足時從電網(wǎng)購電。當(dāng)市電失電時，微電網(wǎng)系統(tǒng)與電網(wǎng)的公共連接點斷開，此時儲能系統(tǒng)黑啟動運行，帶動儲能系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)向負載供電。

2 微電網(wǎng)子系統(tǒng)設(shè)計

2.1 光伏系統(tǒng)設(shè)計

光伏發(fā)電具有清潔、無污染和技術(shù)成熟等優(yōu)點，園區(qū)收益來源主要是自用節(jié)省的電費和將多余電能出售給電網(wǎng)的電費收入［7-8］。為充分利用園區(qū)建筑物屋頂?shù)葏^(qū)域，結(jié)合太陽輻射強度、溫度及組件等參數(shù)［9］，園區(qū)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量設(shè)計為1 MW。

采用20塊455 Wp單晶硅光伏組件串聯(lián)成1路，12路并聯(lián)接入1臺光伏逆變器，由10臺100 kW光伏逆變器組成1 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)，2臺或3臺光伏逆變器接入交流匯流箱后接入0.4 kV低壓并網(wǎng)柜，最終并入變壓器低壓母線。

2.2 儲能系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合園區(qū)光伏系統(tǒng)的容量、儲能系統(tǒng)效率、園區(qū)保電容量等因素［10］，本磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)設(shè)計容量為250 kW/600 kWh，由20個電池包串聯(lián)成1個電池簇，3簇并聯(lián)組成600 kWh儲能系統(tǒng);單臺250 kW雙向電能傳輸?shù)膬δ茏兞髌?，其直流?cè)與儲能電池連接，交流側(cè)經(jīng)變壓器隔離后接入微電網(wǎng)系統(tǒng)。

2.3 能量管理系統(tǒng)設(shè)計

能量管理系統(tǒng)主要對微電網(wǎng)中的分布式電源和儲能系統(tǒng)進行發(fā)電管理，根據(jù)遠程調(diào)度計劃、微電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)、電源與負荷特性運行條件等安排分布式電源的發(fā)電計劃及儲能系統(tǒng)的充電計劃和負荷用電計劃。能量管理系統(tǒng)主要由EMS微電網(wǎng)管理系統(tǒng)、通信線路、通信柜、子系統(tǒng)通信模塊、智能開關(guān)控制接口等構(gòu)成，通過對分布式電源、儲能單元及負荷等多電性能參數(shù)（功率、電壓、電流、荷電狀態(tài)（SOC）等）的收集和讀取，根據(jù)預(yù)設(shè)的工作模式進行能量的調(diào)配。

考慮園區(qū)能量的優(yōu)化調(diào)度，對微電網(wǎng)內(nèi)部能量進行調(diào)度控制，維持微電網(wǎng)功率平衡，實現(xiàn)微電網(wǎng)的并網(wǎng)/離網(wǎng)模式切換，保證供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)如圖2所示。

2.4 監(jiān)控云平臺系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)控云平臺系統(tǒng)主要是利用計算機對微電網(wǎng)的運行過程進行實時監(jiān)視和控制。微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)可以與云平臺、微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，將微電網(wǎng)設(shè)備運行數(shù)據(jù)傳給后者。監(jiān)控云平臺系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫管理、人機界面、報表處理等，其主要功能包括系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、系統(tǒng)檢測和系統(tǒng)告警，能夠?qū)崟r獲取各逆變器的工作狀態(tài)、有功功率、發(fā)電量等，以及儲能系統(tǒng)的SOC值、充放電功率等信息。

3 微電網(wǎng)系統(tǒng)運行模式

作為常用的光伏、儲能并網(wǎng)運行模式，微電網(wǎng)系統(tǒng)運行模式的輸出功率隨光照和調(diào)度情況而定，儲能系統(tǒng)并網(wǎng)后以P/Q模式運行，依據(jù)系統(tǒng)需求采用多種控制策略進行充放電能量管理。微電網(wǎng)系統(tǒng)實時監(jiān)測外部電網(wǎng)狀態(tài)，當(dāng)外部電網(wǎng)供電異常時，斷開微電網(wǎng)主接觸器，儲能系統(tǒng)以V/F模式離網(wǎng)運行，為微電網(wǎng)內(nèi)重要負荷提供穩(wěn)定的電壓和頻率支撐。微電網(wǎng)系統(tǒng)運行模式流程如圖3所示。

4 微電網(wǎng)運行及試驗分析

4.1 微電網(wǎng)運行情況

在光伏組件轉(zhuǎn)換效率一定的前提下，輻照強度直接決定光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。以2022年為例，光伏系統(tǒng)年日發(fā)電量如圖4所示。由圖4可知，受輻照強度的影響，夏季、秋季發(fā)電量明顯高于冬季。

同時，光伏系統(tǒng)的發(fā)電量與灰塵和遮擋有關(guān)，灰塵密度大或存在較大面積的遮擋，會嚴(yán)重影響光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。因此，定期檢查和維護、定期組件清洗等必不可少。

圖4中，2022年園區(qū)光伏系統(tǒng)發(fā)電量為120萬kWh，其中104萬kWh自發(fā)自用，余電上網(wǎng)16萬kWh。園區(qū)自發(fā)自用占比約為30%，可顯著減少購電成本，提高園區(qū)能源使用效率。

4.2 試驗分析

微電網(wǎng)系統(tǒng)不僅可以降低園區(qū)能源消耗成本，提升企業(yè)經(jīng)營效益，而且可以開展微電網(wǎng)檢測技術(shù)研究，通過實際運行數(shù)據(jù)來驗證設(shè)備實際運行情況。

4.2.1 有功無功調(diào)度

儲能系統(tǒng)通用技術(shù)條件明確指出，儲能系統(tǒng)應(yīng)具有調(diào)度有功功率和無功功率的功能。園區(qū)微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)下發(fā)有功、無功調(diào)度指令，利用功率分析儀采集儲能并網(wǎng)側(cè)有功、無功功率。功率調(diào)度曲線如圖5所示。

結(jié)合園區(qū)實際用能需求，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)下發(fā)有功功率調(diào)度指令，儲能系統(tǒng)出力，并網(wǎng)點有功功率同時下降，降低從電網(wǎng)購電的成本，實現(xiàn)園區(qū)能源的自給自足，提高能源利用效率。能量管理系統(tǒng)調(diào)度曲線如圖6所示。

4.2.2 并離網(wǎng)切換功能

儲能系統(tǒng)具備并離網(wǎng)切換功能，并離網(wǎng)切換波形如圖7所示。圖7中通道2為電網(wǎng)電壓，通道3為儲能系統(tǒng)輸出電流，通道4為網(wǎng)側(cè)負載電流。并網(wǎng)時，電網(wǎng)和儲能系統(tǒng)分別給負載供電，當(dāng)電網(wǎng)斷電后，網(wǎng)側(cè)負載電流消失，儲能系統(tǒng)切換到V/F模式提供交流電壓支撐，給指定負載供電。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合園區(qū)實際用能需求，從提高園區(qū)能源效率和安全穩(wěn)定運行能力，以及開展微電網(wǎng)檢測技術(shù)研究考量，設(shè)計一套園區(qū)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)，并對微電網(wǎng)總體和子系統(tǒng)設(shè)計進行簡述，展開說明微電網(wǎng)運行情況及試驗情況。

（1） 介紹微電網(wǎng)總體和子系統(tǒng)的設(shè)計。概要說明采用交流母線方式的優(yōu)勢，光伏系統(tǒng)及儲能系統(tǒng)容量配置的依據(jù)和具體拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計，能量管理系統(tǒng)和監(jiān)控云平臺系統(tǒng)具體設(shè)計的量化指標(biāo)。

（2） 介紹微電網(wǎng)的運行模式。從光伏、儲能、負荷的功率情況以及儲能系統(tǒng)SOC等參數(shù)指標(biāo)，通過運行模式流程圖闡述并網(wǎng)控制和離網(wǎng)控制的策略。

（3） 以微電網(wǎng)光伏系統(tǒng)年日發(fā)電量統(tǒng)計為出發(fā)點，分析光伏系統(tǒng)在園區(qū)用能方面的結(jié)構(gòu)，以及影響其發(fā)電量的因素。

（4） 從微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)功率調(diào)度角度出發(fā)，對儲能系統(tǒng)進行有功、無功功率控制試驗，并在微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用。通過離網(wǎng)控制試驗，驗證在大電網(wǎng)失電時系統(tǒng)對關(guān)鍵負載進行了有效的電壓頻率支撐。

基于上述微電網(wǎng)設(shè)計與運營分析，有效地驗證了本文所提工程方案的合理性和有效性，該方案將光伏和儲能系統(tǒng)高效結(jié)合，在獲得良好經(jīng)濟效益的同時，有利于開展研究探索微電網(wǎng)技術(shù)試驗應(yīng)用，具有較高的推廣價值。

【參 考 文 獻】

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收稿日期： 2024-05-22

郭寅遠（1986—），男，高級工程師，主要從事新能源發(fā)電及并網(wǎng)控制技術(shù)研究。

喻 超（1987—），男，工程師，主要從事電力工程建設(shè)、特高壓工程項目管理、電氣設(shè)備安裝及調(diào)試工作。

李春陽（1989—），男，工程師，主要從事逆變器控制策略及檢測技術(shù)應(yīng)用研究。

*基金項目： 河南省科技攻關(guān)項目（232102240102）