中小型分布式智能微網光伏系統能量管理模式分析

順德中山大學太陽能研究院 ■ 林偉

0 引言

太陽能光伏與分布式智能電網結合是目前中小型分布式微網應用的重要形式之一。與傳統的中小型分布式并網、離網光伏電站系統有所不同的是，分布式智能微網光伏系統在系統能源管理模式方面有較大發展，智能化程度進一步提高。因此，中小型分布式智能化并網光伏電站系統在初始投資成本、供電可靠性方面有了長足的進步。

相對于單純的并網或離網分布式光伏系統而言，中小型分布式智能化微網光伏電站系統在系統能源配置方面具有的特點為：1)為了提高整體分布式光伏電站系統供電的可靠性，很多智能化微網光伏系統都帶有儲能系統；2)除太陽能外，電站系統還會有一種或多種其他的能量來源，最為常見的有市電、中小型燃油發電機、風力發電機等；3)其能供給小型局部電網的負載用電需求以及儲能系統的電能需求，也可將多余電力反饋給市電網，針對某些并網接入受限制的地區，也可設置多余電力不反饋回市電網。

本文將針對中小型分布式智能微網光伏電站系統的能量管理模式進行深入分析，就不同能量管理模式的特點以及所適用的工作環境與條件進行深入探討，并通過實際設計并建立一套小型戶用分布式智能化微網光伏供電系統，對中小型分布式智能化微網光伏電站系統的設計與能量管理模式提出相關意見和方法。

1 分布式智能化微網光伏電站系統能源管理模式分析

1.1 常見智能化能源管理系統使用環境要求

針對不同的使用環境要求，需采用不同的智能化能源管理系統。目前，常見的智能化光伏微網系統的使用環境要求有以下4種：

1)簡單并網光伏發電系統。光伏發電滿足負載需求，減少本地負載電力消耗，同時剩余光伏電力可反饋給電網以獲取相應收益。

2)簡單離網光伏發電系統。光伏發電供給獨立電網的負載需求，通常帶儲能系統，多余光伏電力供給儲能系統。

3)用戶負載需連續供電且可利用光伏節能節電的場合。該系統通常需安裝儲能系統，但是和傳統的簡單并網、離網光伏系統都有所不同。在無光伏輸入情況下該光伏系統的電力原理結構為一臺標準的在線式UPS電源，當有光伏輸入時光伏電能參與工作，以節省市電交流能量，而且可對剩余光伏電能是否向電網輸送進行設置，如果剩余光伏電能不向電網輸送，則不會對公用市電網造成影響。

4)針對峰谷分時電價的情況，可自動調節光伏供電情況，在市電用電高峰和低谷等時段合理使用光伏發電及儲能系統，盡可能提高系統收益，該系統中尖峰時間可調整設置[1]。

1.2 不同使用條件下常見能源管理模式

由于智能化微網系統通常不止一種能量來源，所以其可為混合能源工作模式。

對于簡單的接入市電的并網光伏系統，所發電能優先供給本地負載，不足部分由市電補充，多余部分反饋給電網，因此，能量管理模式相對簡單。對于峰谷分時電價的情況，由于各地的用電高峰和低谷不同，需根據情況不同具體分析。

對于用戶負載需要連續供電且盡可能利用光伏節能節電的場合，工作情況就比較復雜。以常見的接入市電網且帶有儲能系統的智能化微網光伏系統為例，針對常見光伏應用工程案例的設計需求,我們可從能源供應優先順序以及負載和儲能系統的供電優先級兩個角度對整個中小型的分布式智能化光伏電站系統的能源管理模式進行分析。

1)光伏電能供電順序：光伏電能的供電順序是智能化能源管理模式的基本功能，常見的有3種，見表1。

2)負載供電來源優先級：智能化系統設計中，另一個重要的基本功能模式是系統中負載供電能量來源的優先級。可以分為有光伏能源供應和無光伏能源供應(例如，無陽光時)兩種，相關說明見表2和表3。

表1 系統光伏電能供電優先級別

表2 系統負載能源供應優先級(有PV)

表3 系統負載耗電情況(無PV)

1.3 智能光伏微網系統能源管理設計的原則與方法

針對智能化的光伏微網系統而言，整個光伏系統的能源管理模式是系統設計的核心問題,只有明確能源管理的使用環境要求及模式特點，才能最終確定系統的設計原則與基本方法。

1)首先需要滿足光伏系統用戶的能源管理需求，根據用戶的要求，列出詳細的系統功能清單。

2)根據相應的使用要求和功能清單，重點明確系統光伏能源供應與負載供電優先次序，繪制出系統基本配置功能圖。

3)根據相關光伏能源供應與負載供電優先次序，綜合考慮系統工作邏輯兼容性，繪制系統完整的基本工作邏輯圖。

4)根據已經確定的能源系統完整的工作邏輯，進行智能化光伏發電系統的電氣工作模式各項參數的設定。

2 基本實例分析

以實際示范項目的設計來講述分布式戶用智能微網光伏電站系統能量管理的設計方法與流程。本系統主要是為了給市電不穩定地區的兩臺交流設備供電，兩臺交流設備的基本功率參數與平均每天耗電情況見表4。

表4 系統負載耗電情況

這兩臺交流設備的供電可靠性要求較高，必須保證在要求的工作時間內不能斷電，因此，采用單純的并網光伏系統或離網光伏系統都無法滿足系統負載的供電需求。本系統采用帶儲能結構的并網光伏系統：在分布式光伏系統中可接入市電作為能源之一，同時還帶有儲能子系統。

2.1 系統基本功能要求

根據用戶提出的對于負載供電的要求，以及負載所在地的實際電網工作情況，兩臺負載需連續供電且能最大限度地利用太陽能光伏節能節電。

1)考慮到系統初始投資成本，光伏系統的安裝功率不宜太高，用于安裝的光伏組件功率為2 880 kWp。

2)由于系統安裝所在地的市電網供電性能不夠穩定，所以本系統需安裝儲能子系統，保證該系統在沒有市電以及光伏供電不足時能持續工作至少1 d。因此，需配套安裝48 V 200 Ah深循環鉛酸蓄電池。

3)由于采用蓄電池子系統，因此，本分布式智能光伏系統需要帶有蓄電池儲能系統的充放電控制功能。

4)該系統可接入市電網，將市電作為給兩個系統負載供電以及蓄電池儲能系統充電的能源之一，這樣就無需安裝過大的光伏供電系統，并可解決光伏供電系統供電能力隨天氣波動等問題。

5)由于系統安裝所在地蓄電池維護比較困難，需盡可能延長蓄電池使用壽命，因此應盡量保證蓄電池系統不會過放電。

2.2 系統基本配置原理

根據上述整體能源系統的基本功能要求，本系統基本電氣配置結構如圖1所示。

圖1 示范性分布式供電系統基本電力配置

2.3 系統完整工作邏輯配置圖

在明確系統的工作要求以及基本電力配置后，需進一步明確相關光伏能源供應與負載供電優先次序，然后綜合考慮整個能源供應系統的工作邏輯兼容性，確保不會出現工作邏輯自相矛盾的地方，并繪制整個能源供應系統完整的工作邏輯配置圖，如圖2所示。

圖2 示范性分布式供電系統工作邏輯配置圖

3 結論與意見

在上述設計基礎上，我們搭建了一個示范性分布式戶用智能微網光伏電站系統，該系統采用12塊240 Wp多晶硅光伏組件，48 V 200 Ah閥控式鉛酸蓄電池，采用3 kWp的光伏控制/逆變一體機，該設備可實現蓄電池充放電控制、光伏逆變、并網、離網以及混合等多重模式能量控制。

該設備在廣東順德地區搭建并投入使用，測試1周，期間工作正常，能完全滿足系統負載的工作需求，達到設計各項指標要求。

通過針對分布式智能微網光伏電站系統的能源管理模式的理論分析，以及該示范性系統的設計與搭建，結論與建議如下：

1)整個小型分布式戶用智能微網光伏電站系統的初始投資約為3萬元，該光伏系統的年發電量約為2 900 kWh，該類型分布式光伏系統具有一定的經濟可行性，例如高檔別墅住宅區等。

2)本系統的光伏發電優先用于本地負載，剩余電量可供蓄電池系統或反饋給電網，因此，本系統的節能減排效率要優于常見的分布式并網/離網光伏系統。

3)由于采用蓄電池儲能系統，因此初始成本較高，通常鉛酸蓄電池儲能系統成本在整個系統成本中約占30%(如果采用磷酸鐵鋰，則儲能初始成本可能占系統約50%，但是維護成本會大幅降低)，但是供電可靠性要優于常規的分布式并網光伏系統，而且對于市電網的調峰有一定積極作用。

4)一般中小型戶用智能微網光伏電站系統多采用閥控式(VRLA)鉛酸蓄電池，具有成本相對低廉、安裝方便、維護量小、可靠性較高等優點[2]。但需要特別注意的是，蓄電池安裝不要離逆變/控制器太遠，最好在1～3 m以內，否則會因為線損導致充放電壓降過大，致使系統產生誤判，從而影響整個能量管理系統的正常運行。

5)系統設計時需考慮系統負載的性質，尤其是感性負載、容性負載對于電路的影響。在系統設計之初就要全盤考慮負載啟動電流的影響，因為過大的啟動電流可能會對控制/逆變設備造成瞬時超載，從而造成設備損壞。

[1]張洋,李強,李朝 ，等.光伏－儲能聯合微網系統工程方案設計[J].電力系統保護與控制, 2010 , 38(23): 212－214.

[2]金曉東. 閥控式鉛酸蓄電池在分布式發電中的應用[D]. 安徽：合肥工業大學, 2008.