DQZHAN技術(shù)訊：分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究
微電網(wǎng)作為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式光伏利用的重要途徑，規(guī)劃建設(shè)分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)，可降低用能系統(tǒng)對(duì)大電網(wǎng)的依賴(lài)。總體來(lái)說(shuō)，發(fā)展分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)的意義主要有以下4個(gè)方面：
**，平滑光伏發(fā)電的輸出功率波動(dòng)。由于光伏發(fā)電具有很強(qiáng)的間歇性、波動(dòng)性和不確定性，接入電網(wǎng)時(shí)會(huì)帶來(lái)很大的沖擊。通過(guò)配置適量的儲(chǔ)能裝置，可使得光伏發(fā)電對(duì)整個(gè)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)具有功率可控性與可調(diào)度性，有效提高光伏發(fā)電接入電網(wǎng)的穿透率。
**，降低電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差值，提高電網(wǎng)設(shè)施利用率?，F(xiàn)有電力系統(tǒng)如果配置了足夠大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠大規(guī)模地儲(chǔ)存電能，即在負(fù)荷低谷時(shí)段內(nèi)將電能儲(chǔ)存起來(lái)，并在負(fù)荷高峰時(shí)段將其釋放出來(lái)，這樣也可以減少電網(wǎng)設(shè)施的配置容量，提高輸配電設(shè)備的利用率，延緩現(xiàn)有配電網(wǎng)的建設(shè)。
第三，提高電源的備用容量，增強(qiáng)電網(wǎng)**穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。為保證一定供電**可靠性，必須對(duì)現(xiàn)有的電源提供備用容量，這樣當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，可將儲(chǔ)能系統(tǒng)作為備用電源，臨時(shí)組建微電網(wǎng)，為重要負(fù)荷提供備用電源直至電網(wǎng)恢復(fù)。
第四，應(yīng)急備用電源。當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)電能質(zhì)量很差、拉閘限電或故障停電時(shí)，光儲(chǔ)微電網(wǎng)可脫離電網(wǎng)，由儲(chǔ)能變流器通過(guò)電池建立穩(wěn)定電壓，保證光伏正常發(fā)電，為本地重要負(fù)荷獨(dú)立供電，提供應(yīng)急備用電源。
一、分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀
光儲(chǔ)微電網(wǎng)可以看成是一組由分布式光伏、儲(chǔ)能裝置、本地負(fù)荷組成的包括發(fā)、輸、配、用管理系統(tǒng)在內(nèi)的小型局域電網(wǎng)，并通過(guò)**的公共連接點(diǎn)接入大電網(wǎng)，既可以并網(wǎng)運(yùn)行也可以獨(dú)立運(yùn)行。微電網(wǎng)中的電源以光伏等分布式發(fā)電電源為主，容量相對(duì)較小(一般50MW以下)。相比于傳統(tǒng)的大電網(wǎng)供電方式，分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)可以更好地滿(mǎn)足用戶(hù)越來(lái)越高的**和可靠性要求，并為不同的用戶(hù)提供多樣化及個(gè)性化的供電需求。
微電網(wǎng)自2001年由美國(guó)學(xué)者提出以來(lái)，目前在全球各地得到了廣泛的關(guān)注并得到了示范應(yīng)用，但截至目前為止，全球不同的國(guó)家及研究機(jī)構(gòu)對(duì)微電網(wǎng)的定義和研究側(cè)重點(diǎn)各有不同，比如美國(guó)對(duì)微電網(wǎng)的研究著重于利用微電網(wǎng)提高電能質(zhì)量和可靠性;日本則在微電網(wǎng)方面的研究強(qiáng)調(diào)對(duì)可再生能源的利用;歐洲微電網(wǎng)的研究則更關(guān)注多個(gè)微電網(wǎng)的互聯(lián)和市場(chǎng)交易等問(wèn)題。
分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)是保證我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施的有效途徑之一,發(fā)展?jié)摿薮?。?guó)家電網(wǎng)的“十三五”規(guī)劃中指出，分布式電源發(fā)展是能源變革的方向之一。以光伏為主的分布式電源開(kāi)發(fā)主要本著“因地制宜，科學(xué)利用”的原則，從本質(zhì)上講就是在用戶(hù)側(cè)就近安裝電源，就近消納，從而提高用電效率，減少輸電損耗與成本。
可以預(yù)見(jiàn)，隨著我國(guó)電改9號(hào)文的深入實(shí)施，現(xiàn)有供電系統(tǒng)中，政府職能與企業(yè)職能將逐步分開(kāi)，發(fā)電與輸配電網(wǎng)徹底分離，發(fā)電側(cè)競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)機(jī)制的建立，從而為分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。正在發(fā)生中的能源變革也為分布式電源在電網(wǎng)中應(yīng)用提供了巨大機(jī)遇。國(guó)網(wǎng)公司提出的“十三五”電網(wǎng)規(guī)劃中，明確提出要認(rèn)真落實(shí)國(guó)家關(guān)于推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)的戰(zhàn)略部署，并逐步優(yōu)化配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，建設(shè)智能配電網(wǎng)，適應(yīng)分布式電源點(diǎn)多面廣的發(fā)展特點(diǎn)，滿(mǎn)足分布式能源的靈活接入與高效利用，全力支持2020年國(guó)內(nèi)100個(gè)新能源示范城市、200個(gè)綠色能源示范縣建設(shè)，*大限度滿(mǎn)足分布式新能源發(fā)展需要。
二、分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)的典型設(shè)計(jì)方案
1.分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)的組成
分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)主要包括分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以及相關(guān)的配電、能量管理系統(tǒng)(EMS)等。其中，有電網(wǎng)支撐時(shí)，光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)內(nèi)的主要供電微電源，負(fù)荷用電主要來(lái)自于光伏發(fā)電，儲(chǔ)能系統(tǒng)則可以平滑光伏發(fā)電波動(dòng)，提高微電源的電網(wǎng)接入友好性;電網(wǎng)停電時(shí)，光儲(chǔ)微電網(wǎng)則啟動(dòng)應(yīng)急備用供電功能，由儲(chǔ)能變流器建立微網(wǎng)母線(xiàn)支撐，光伏發(fā)電系統(tǒng)可為微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷提供持續(xù)的能量供應(yīng)。典型光儲(chǔ)微電網(wǎng)的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
(1)光伏發(fā)電系統(tǒng)
光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏組件和光伏逆變器。光伏組件是光伏系統(tǒng)的主要發(fā)電來(lái)源。光伏組件的種類(lèi)有很多，如單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池和多元化合物太陽(yáng)電池等。一般應(yīng)用，“多晶硅”是優(yōu)選。光伏逆變器是實(shí)現(xiàn)交直流能量轉(zhuǎn)換的核心部分。光伏逆變器主要有組串式逆變器和集中型逆變器，小型電力系統(tǒng)一般選用組串式逆變器。
(2)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能電池、電池管理系統(tǒng)和儲(chǔ)能變流器。儲(chǔ)能電池作為能量存儲(chǔ)的載體，既可實(shí)現(xiàn)能量搬移，也可實(shí)現(xiàn)功率補(bǔ)償。其中，鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)是一種大規(guī)模高效電化學(xué)儲(chǔ)能新技術(shù)，相比于其他電池儲(chǔ)能技術(shù)，鋰離子電池具有如下優(yōu)勢(shì)：電壓高、能量密度高、輸出功率高，能量效率高;電池使用壽命長(zhǎng)，自放電低、環(huán)保無(wú)污染等，因此大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。電池管理系統(tǒng)可以對(duì)電池陣列組進(jìn)行全方位的監(jiān)控、管理、保護(hù)、報(bào)警等，*大化延長(zhǎng)儲(chǔ)能電池堆使用壽命。大型儲(chǔ)能系統(tǒng)一般采用三層模塊化結(jié)構(gòu)，包括電池堆管理系統(tǒng)(BAMS)、電池簇管理系統(tǒng)(BCMS)、電池模塊管理單元(BMU)等組件。
(3)能量管理系統(tǒng)(EMS)
EMS是整個(gè)光伏微網(wǎng)系統(tǒng)的控制器，其能量管理功能包括系統(tǒng)運(yùn)行模式判斷、功率調(diào)度及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)控制，具體而言就是根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)判斷系統(tǒng)處于獨(dú)立運(yùn)行還是并網(wǎng)運(yùn)行，在獨(dú)立運(yùn)行時(shí)需要根據(jù)功率動(dòng)態(tài)平衡原則完成光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率調(diào)度，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)及設(shè)備狀態(tài)完成光伏并網(wǎng)逆變器的啟?？刂坪碗p模式逆變器的組網(wǎng)控制;在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)蓄電池的狀態(tài)完成雙模式逆變器的充電控制及并網(wǎng)逆變器的啟停控制。
2.設(shè)計(jì)原則
筆者設(shè)計(jì)的光伏混合微電網(wǎng)系統(tǒng)，應(yīng)考慮如下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：
①蓄電池(如鉛酸電池)應(yīng)具有較高的運(yùn)行壽命。一般情況下，在100%放電深度下，鉛酸電池的充放電循環(huán)次數(shù)為600～1000 次，80%放電深度下為800～1200 次。②微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本著簡(jiǎn)單、可靠，自動(dòng)化程度高。微電網(wǎng)系統(tǒng)的各種電源及設(shè)備的運(yùn)行控制應(yīng)完全采用無(wú)人值守的設(shè)計(jì)運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)維護(hù)工作量少。③在保證系統(tǒng)**、可靠的前提下，提供高品質(zhì)的電能質(zhì)量，保證當(dāng)?shù)鼐用竦挠秒娦枨蟆＂芙Y(jié)合當(dāng)?shù)刈匀毁Y源及負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)特性，盡可能高的利用太陽(yáng)能資源，減少棄光的同時(shí)，要保證在連續(xù)陰雨天2天內(nèi)，50%的重要負(fù)荷供電需求。⑤系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，后期擴(kuò)容方便，滿(mǎn)足即插即用的設(shè)計(jì)需求。
3.典型運(yùn)行狀態(tài)
光儲(chǔ)微電網(wǎng)主要分為以下4種運(yùn)行狀態(tài)。
(1)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行
系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，PCS處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，EMS根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)判斷PCS是否需要對(duì)蓄電池進(jìn)行充電以及以何種方式充電;對(duì)于不需要接受功率調(diào)度的微網(wǎng)電站，光伏并網(wǎng)逆變器*大功率發(fā)電，對(duì)需要接受調(diào)度指令的微網(wǎng)電站，EMS將調(diào)度指令發(fā)送給光伏并網(wǎng)逆變器按照指令控制發(fā)電功率。
(2)并網(wǎng)向獨(dú)立切換
在并網(wǎng)狀態(tài)下如果EMS檢測(cè)到電網(wǎng)失電或電網(wǎng)故障則控制并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，同時(shí)PCS自動(dòng)切換到獨(dú)立運(yùn)行，以電壓源形式啟動(dòng)組建系統(tǒng)電壓;光伏并網(wǎng)逆變器因失電停機(jī)，EMS在PCS啟動(dòng)完成之后，控制并網(wǎng)逆變器重新啟動(dòng)，系統(tǒng)進(jìn)入獨(dú)立運(yùn)行模式。
(3)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行
系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，EMS的管理原則是通過(guò)電源和負(fù)荷的管理來(lái)維持微網(wǎng)功率的動(dòng)態(tài)平衡，保證母線(xiàn)電壓和頻率的穩(wěn)定。此時(shí)PCS電壓源運(yùn)行，輸出三相交流電壓組網(wǎng)，光伏并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行。此時(shí)根據(jù)負(fù)荷大小與光伏發(fā)電等電源的發(fā)電功率大小EMS需要對(duì)電源和負(fù)荷進(jìn)行管理。
這種情況下系統(tǒng)分為2種運(yùn)行方式，一是負(fù)荷功率大于分布式電源的輸出功率，此時(shí)各電源*大功率發(fā)電，PCS補(bǔ)充負(fù)荷剩余部分的功率需求，蓄電池釋放電能，EMS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池狀態(tài)，當(dāng)蓄電池放電到截止電壓時(shí)，EMS應(yīng)啟動(dòng)負(fù)荷管理。負(fù)荷管理需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)不同負(fù)荷進(jìn)行分類(lèi)，優(yōu)先重要敏感負(fù)荷的供電，首先切除不重要負(fù)荷直到蓄電池停止放電;二是負(fù)荷消耗的功率小于電源輸出的功率，此時(shí)PCS會(huì)給蓄電池充電，同樣EMS實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池狀態(tài)，當(dāng)蓄電池電量充滿(mǎn)后EMS限制電源的功率輸出，對(duì)可以接受調(diào)度的光伏發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)荷大小控制其輸出，對(duì)不能接受調(diào)度的發(fā)電系統(tǒng)，EMS通過(guò)控制其開(kāi)關(guān)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電功率的控制。對(duì)于由多組并網(wǎng)逆變器構(gòu)成的系統(tǒng)，為降低光伏并網(wǎng)逆變器同時(shí)啟動(dòng)對(duì)母線(xiàn)電壓的沖擊，需要根據(jù)實(shí)際情況(光伏逆變器的控制性能、數(shù)量、功率等級(jí)等)對(duì)其進(jìn)行分步控制。
(4)獨(dú)立向并網(wǎng)切換
在獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)下EMS檢測(cè)到電網(wǎng)電壓正常后，首先將PCS運(yùn)行模式切換為并網(wǎng)運(yùn)行，PCS自動(dòng)調(diào)整輸出電壓與大電網(wǎng)的電壓同步，然后EMS閉合并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，所有設(shè)備并網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行模式。
三、應(yīng)用案例設(shè)計(jì)分析
1.應(yīng)用場(chǎng)景描述
具體應(yīng)用的分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D2所示，光伏陣列通過(guò)DC/DC智能充電控制器給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，后經(jīng)過(guò)DC/AC變流器接入交流母線(xiàn)，該方案廣泛應(yīng)用于光儲(chǔ)微電網(wǎng)、光儲(chǔ)一體化可控型并網(wǎng)系統(tǒng)以及電動(dòng)汽車(chē)光伏直流充電樁等應(yīng)用場(chǎng)合。
針對(duì)圖2所示的拓?fù)淇驁D，系統(tǒng)參數(shù)配置如下：光伏陣列：20kWp，開(kāi)路電壓720V;DC/DC充電控制器：20kW一臺(tái);儲(chǔ)能系統(tǒng)：鉛酸蓄電池72kWh(360V/200Ah);DC/AC變流器：20kW一臺(tái);交流負(fù)載：本地生活負(fù)載，包括空調(diào)、照明、做飯等負(fù)載。
2.光儲(chǔ)容量配置設(shè)計(jì)
首先本著因地制宜，科學(xué)設(shè)計(jì)的原則，在該應(yīng)用建筑屋頂250m2，可安裝光伏電池版20kWp。接下來(lái)關(guān)鍵是要根據(jù)光伏及負(fù)載情況來(lái)確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量及配置。
交流*大負(fù)載約為17kW，考慮裕量后以20kW負(fù)載計(jì)算，滿(mǎn)足1h供能需求。儲(chǔ)能有效容量約需20kWh，考慮交直流變換的效率，設(shè)定為90%，*大充放電深度按照90%計(jì)算，系統(tǒng)容量系數(shù)取0.8，則需配置容量為20/0.8=25kWh。
直流側(cè)電壓需求：方案中DC/AC變流器交流采用了127:380的升壓隔離變壓器并網(wǎng)，逆變器調(diào)制比取0.85，這樣直流側(cè)電壓Udc≥210V，這決定了儲(chǔ)能系統(tǒng)的*低放電截至電壓。
考慮到是光儲(chǔ)一體化的應(yīng)用場(chǎng)景，充放電頻率按照平均**一次;充放電電流*大1C。鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，單體電池電壓為3.2V(標(biāo)準(zhǔn))，2.5V電壓截止。表1列出了滿(mǎn)足本系統(tǒng)要求的3種儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置。
表1 儲(chǔ)能系統(tǒng)不同配置設(shè)計(jì)
3.儲(chǔ)能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)由上述配置方式對(duì)比可知，上述方案均選擇較大容量的電池單體，每個(gè)電池廠(chǎng)家常用電池型號(hào)不一，還需特殊考慮。
為了保證單體電池的均衡充放電，必須配置相應(yīng)的儲(chǔ)能管理系統(tǒng)來(lái)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理，主要功能包括電池運(yùn)行基本信息測(cè)量、電量估計(jì)、單體電池間的均衡、數(shù)據(jù)通信等幾個(gè)方面，具體如圖3所示。
圖3 典型鋰電儲(chǔ)能管理系統(tǒng)架構(gòu)圖
為了完成對(duì)整個(gè)電池柜的智能化管理和控制，電池管理系統(tǒng)一般分3個(gè)層級(jí)：電芯管理控制層(CSC)，電池組管理單元(SBMU)和電池能量管理單元(MBMU)。CSC位于電池箱內(nèi)，完成對(duì)電池箱內(nèi)部單節(jié)電池信息的數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)上傳給SBMU，同時(shí)根據(jù)SBMU下發(fā)的指令完成電池箱內(nèi)單體電芯間的均衡。SBMU位于主控箱內(nèi)，負(fù)責(zé)電池柜的管理工作，接收電池柜內(nèi)部CSC上傳的詳細(xì)數(shù)據(jù)，采樣電池柜的電壓和電流，進(jìn)行SOC、SOH計(jì)算和修正，完成電池柜預(yù)充電和充放電管理，并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳給MBMU。
MBMU安裝在主控箱內(nèi)，MBMU負(fù)責(zé)整個(gè)電池系統(tǒng)的運(yùn)行管理，接收SBMU上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，與外部設(shè)備通過(guò)干接點(diǎn)進(jìn)行交互，并將電池柜系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給電池系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)顯示和保存。
4.運(yùn)行結(jié)果分析
光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)一方面可以保證系統(tǒng)具有并網(wǎng)與獨(dú)立運(yùn)行兩種運(yùn)行模式，另一方面也能平抑光伏發(fā)電的波動(dòng)性，圖4是某典型日用于控制并網(wǎng)點(diǎn)處功率恒定的運(yùn)行曲線(xiàn)。
圖4 典型日光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行曲線(xiàn)
從運(yùn)行結(jié)果來(lái)看，分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)完全能夠平抑光伏等可再生能源的功率短時(shí)波動(dòng)，減少分布式電源功率波動(dòng)對(duì)配電網(wǎng)的沖擊。
四、結(jié)語(yǔ)
未來(lái)“能源互聯(lián)網(wǎng)”中，將以高壓輸電線(xiàn)路為“主干網(wǎng)”;而以各種可再生能源組成的微電網(wǎng)作為區(qū)域網(wǎng)?！澳茉椿ヂ?lián)網(wǎng)”強(qiáng)調(diào)的是大量分布式能源，尤其是光伏發(fā)電的接入，強(qiáng)調(diào)是信息和能量的高速和高效傳輸，強(qiáng)調(diào)的多方能源載體的對(duì)等參與市場(chǎng)調(diào)節(jié)。在“能源互聯(lián)網(wǎng)”背景下，微電網(wǎng)將取代現(xiàn)有的配電網(wǎng)，成為能源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中非常重要的環(huán)節(jié)，是大量負(fù)荷，分布式能源的接入載體，是實(shí)現(xiàn)分散能源利用、接入、消費(fèi)、生產(chǎn)、管理和調(diào)節(jié)的綜合性網(wǎng)絡(luò)。
