光伏智能微電網現狀與案例分析

■ 鄭洪 康微微 曲博

(1. 沈陽工程學院產業管理處；2. 遼寧太陽能研究應用有限公司)

0 引言

工業社會發展的今天，用電負荷日益激增，致使現有的供電網絡很難滿足快速增加的用電負荷供給需求，電網運行的可靠性、穩定性與安全性已成為關注焦點。尤其在歐美等一些國家和地區，近幾年連續發生大型互聯電網大規模停電事故后，各國紛紛將光伏發電系統提上日程。近年，我國各省市也相應出臺了光伏電站政府補貼政策，加快推動分布式光伏微電網能源系統的產生和分布式電源的大規模應用。

由于分布式微電網的存在對于大電網的電能質量、運行穩定可靠性等方面易產生不利影響，對電力系統造成較大沖擊，現如今各國將協調大電網與分布式微電網之間的矛盾作為研究重點，目的在于最大限度地發掘分布式微電網在經濟、能源和環境中的優勢，同時發揮綠色清潔能源的特點。智能微電網是相對傳統大電網而言的，是由多個分布式電源、負載、儲能裝置、能量轉換裝置、保護裝置和管理控制系統構成的獨立運行系統，是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，既可與外部電網并網運行，也可孤立運行。分布式電源一般包括天然氣、太陽能、生物質能、氫能、風能、小水電等可再生清潔能源。

1 智能微電網發展現狀

隨著各國微電網技術的不斷進步，清潔能源應用范圍越來越廣，智能化程度越來越高。歐洲的丹麥、德國、希臘等國家紛紛建立了智能電網實驗室；美國、法國等國家曾提出能源計劃，修建智能電網，提高變電站自動化水平，最大限度發揮國家電網的價值和效率。

智能微電網應用的逐步擴大可促進可再生能源發展。我國正在大規模發展可再生能源，只有通過微電網集成分布式發電技術、儲能技術、電力電子技術等，才能充分有效地發揮可再生能源的潛力。智能微電網可提高電力系統抗災能力，我國目前正在發展特高壓電網，一旦將地理位置接近的重要負荷組成微電網，設計合適的電網結構和控制，必然會有力地提高電網的抗災能力。在我國偏遠農村和荒漠地區，地形條件復雜、經濟發展滯后，遠距離輸電成本高、可靠性差，可通過建立并網光伏電站、風力發電、小水電等形式的微電網解決這些地區的居民用電問題，將多余電量接入大電網，進一步帶動當地發展。智能微電網還可降低投資和運營成本，超大型電站與分散的微型電源相結合，可縮短電力的傳輸距離，降低在輸配電線路上的投資，使電力系統更安全、更經濟。

近年來，我國對智能微電網給予了大力支持，國家電網公布了“智能電網”的發展計劃，先后建立了多個示范項目，包括：

1)浙江北麂島1.274 MW離網儲能電站：是由柴油機發電、光伏發電、風力發電設備及蓄電池等電源設備進行并網聯接，構建新型綠色智能微型電網，給用戶負載提供較高質量的電能，即使脫離了配電網，仍可獨立運行。

2)珠海東澳島1 MW智能微電網系統：利用光伏發電、風力發電、柴油發電和蓄電池儲能系統組成海島分布式供電系統，與海島原有的柴油發電系統和電網輸配系統集成為一個智能微電網系統；最大程度地利用海島上豐富的太陽光和風力資源，最小程度地利用傳統的柴油發電，為生態海島提供綠色電力供應，保持供電穩定。

3)天津智能微電網系統：2014年5月首個智能微電網項目在天津賽達工業園區落戶，該“光伏、風電、儲能”3合1微電網采用300 kW光伏、400 kW風力發電，鋰離子電池和超級電容混合儲能，該智能微網系統有效改善了新能源并網的電能質量。

4)上海迪斯尼110 kV變電站站用電微網系統：由屋頂19.6 kW光伏發電和磷酸鐵鋰儲能電池組成，2014年6月通過驗收，成為國內首個在站用電部分采用微網系統的變電站工程，也是國際上率先在變電站內嘗試建立微網系統的實例。

2 110 kW智能微電網設計案例分析

以遼寧太陽能研究應用有限公司辦公大樓微電網系統為例，總裝機容量110 kW，總占地面積2700 m2。玻璃幕墻和采光頂組件約12 kW，樓頂平臺電站光伏組件96.18 kW(其中，10.8 kW為獨立電站，85.38 kW為并網電站)，雙軸跟蹤光伏組件2.25 kWP，共計110.43 kW；同時配備100 kW柴油發電機，組成微網系統。

大樓采光頂光伏陣列功率為3.465 kWP，組件安裝方式見圖1。玻璃幕墻光伏陣列功率為8.208 kWP，組件安裝方式見圖2。樓頂平臺電站光伏陣列功率為96.18 kW，組件安裝方式見圖3。100 kW柴油發電機見圖4。

圖1 采光頂光伏組件

圖2 玻璃幕墻光伏組件

圖3 樓頂并網電站

圖4 100 kW柴油發電機

正常情況下，微網內太陽能電源與市電網共同為公司大樓照明、電腦、空調、生產設備、日常辦公等用電負荷供電，也可為園區內電動車試驗提供充電服務。當周末無用電負荷時，太陽能發電并入市電網；當外部電網故障時，微網斷開與主網(市電網)的連接，切換到柴油發電機組，與太陽能電源共同工作實現離網運行，單獨向用電負荷供電；當主網故障排除后，微網從離網運行模式重新切換回并網模式。系統用電負荷數據見表1。

表1 系統用電負荷數據表

本微網系統中，辦公大樓采光頂光伏電站由15個微型子系統組成，每個子系統均采用250 W微逆變器將直流電轉換成交流電匯入總系統，其安裝圖見圖5。

圖5 采光頂光伏電站子系統微逆變器安裝圖

微逆變器具有對每個子系統光伏組件進行最大功率點跟蹤控制的功能，因此，在實際安裝中對于每組組件一致性的要求降低了。實際應用中在遭遇陰影遮擋、云霧變化、污垢積累、光伏組件老化等不理想條件時，采用分布式微逆變器的光伏發電系統可提高多達20%的發電量。從長期來看，系統整個生命周期內的發電效益顯著提高。同時這種分布式架構可保證不會因單點故障導致大陣列失靈(較適用于組件分散布置，微型用戶使用)。

樓頂光伏電站采用20臺5 kWp并網逆變器將直流電轉換成交流電并入電網(配電柜見圖6)。其中，并網逆變器采用組串式逆變器(不帶有MPPT功能，見圖7)和集中式逆變器(帶有MPPT功能，見圖8)兩種。

在有不同陰影面積遮擋情況下，采用組串式逆變器與采用集中式逆變器系統的發電量不同。經測試，其系統的輸出功率對比曲線見圖9，發電量對比數據見表2。

圖6 系統配電柜

圖7 分離式逆變器排布圖

圖8 集中式逆變器排布圖

圖9 組串式逆變器與集中式逆變器發電量對比

表2 不同陰影遮擋下發電量對比數據

圖9顯示了同樣遮擋情況下兩個單元的發電功率曲線，在8：00～10：00時間段內組串式逆變器單元的發電量是集中式的2倍，在無陰影遮擋時間段內 (約 10：00～15：00)，由于組串式逆變器優化器自身能量消耗，組串式單元發電功率略低于集中式單元發電功率。由全天發電功率曲線得出，組串式逆變器單元將系統日發電量提高了8.45%。經過連續4個月的發電量統計得出，組串式單元將系統總發電量提高了6.48%。

本項目智能微網系統采用了分布式太陽能電源發電，日最大發電功率80 kW，日最大發電量500 kWh，年并網發電量可達10萬kWh，折合年節約標煤30744 kg，減排二氧化碳 86839 kg，減排二氧化硫100 kg，減排粉塵330 kg。在節約能源的同時，有效推進綠色清潔能源的應用，并為用電負荷提供了高可靠性的供電，具有較高的實用性和推廣價值。

3 結論

在本智能微網系統設計和建設中，創先將光伏電站分割成多個微型子系統，使用微逆變器能有效提高系統發電效率，并保證不會因單點故障導致大陣列失靈，確保系統穩定運行。同時通過組串式逆變器與集中式逆變器實際發電數據對比得出組串式逆變器單元可提高系統總發電量的結論，為今后微網電站項目設計提供可靠參考依據。

智能微電網系統存在多種組合運行方式，且都可并網和離網運行。模塊化、智能化微網系統安裝方便、靈活可靠，是今后光伏電站的主要發展方向。開發和延伸微電網能充分促進分布式電源與可再生能源的大規模接入，實現對負荷多種能源形式的高可靠供給，是實現主動式配電網的一種有效方式，是傳統電網向智能電網的過渡。

[1]紀明偉， 張興， 楊淑英. 基于電壓源逆變器的微電網控制策略 [J]. 合肥工業大學學報 ， 2009，32 (11)： 1678 － 1682.

[2]魯宗相， 王彩霞， 閔勇. 微電網研究綜述[J]. 電力系統自動化 ， 2007， 31(19)： 100 － 107.

[3]鄭漳華， 艾芋. 微電網的研究現狀在我國的應用前景[J]. 電網技術 ， 2008， 32(16)： 27 － 31.