智能微電網在河西地區的示范運營*

陳維鉛，李玉宏，薛仰全，林 莉，許世鵬，劉 明

（1.甘肅省太陽能發電系統工程實驗室，酒泉職業技術學院，甘肅 酒泉 735000；2.酒泉新能源研究院，甘肅 酒泉735000）

智能微電網在河西地區的示范運營*

陳維鉛1,2，李玉宏1,2，薛仰全1，林 莉1,2，許世鵬1,2，劉 明1

（1.甘肅省太陽能發電系統工程實驗室，酒泉職業技術學院，甘肅 酒泉 735000；2.酒泉新能源研究院，甘肅 酒泉735000）

介紹了智能微電網示范工程項目的光伏發電系統、智能配電系統、智能監控系統和儲能系統的組成和結構，微電網的并/離網切換模式及運行情況。通過試運行觀察和檢測，表明本智能微電網即可并網運行，又可離網運行，體現分布式光伏電源、儲能系統、電網之間協調運行，凸顯智能微電網能量優化調度控制功能。本項目的示范運營，為智能微電網的發展提供工程依據和技術參考，促進智能微電網在河西地區的發展和廣泛應用。

智能微電網;并/離網切換;儲能;磷酸鐵鋰電池;光伏發電;智能配電

1 概述

隨著分布式發電和可再生能源的開發利用，風力發電、光伏發電等分布式發電并入電網的電能波動性、安全性、穩定性等問題日益突出，為解決這些問題，微電網作為一種有效的解決途徑應運而生[1-3]。微電網是由風力發電、太陽能發電、燃氣發電等分布式發電，負荷、儲能裝置和控制系統等組成的獨立發電系統[4]。其特點是帶有儲能裝置，可提高微電網運行的靈活性和可靠性，消除分布式發電的波動性，改善電能質量，提高微電網供電可靠性，提升新能源發電的并網能力[5]。

微電網是提高新能源發電供電可靠性的有效途徑，在我國南方地區配電網中得到了廣泛的應用[6]。我國西部地區風力資源和太陽能資源豐富，新能源發電發展迅速，但是微電網的發展還處于示范研發階段[7]。本文以酒泉職業技術學院圖書館智能微電網示范工程項目為例，介紹了智能微電網的基本結構、并/離網的切換控制和運行情況，為智能微電網的發展提供工程依據和技術參考，促進智能微電網在我國西部地區的發展和廣泛應用，解決新能源發電并網可靠性問題。

2 智能微電網的總體布局

酒泉職業技術學院智能微電網建設在光伏建筑一體化圖書館，其目的是改善光伏發電的電能質量、提高供電穩定性和光伏發電效率，為圖書館的重要負荷提供安全穩定的電能。智能微電網主要由光伏發電系統、智能配電系統、儲能系統和集中監控系統等組成，圖1為酒泉職業技術學院智能微電網的總體布局。

圖1 智能微電網總體布局圖

2.1 發電系統

智能微電網發電系統由47kWp多晶硅太陽能電池發電系統和33.6kWp非晶薄膜電池發電系統構成，多晶硅太陽能電池主要在強光下發電，非晶薄膜電池在弱光條件下就可以發電，二者結合保證最長時間發電。單個多晶硅太陽能電池組件功率為235Wp，工作電壓約為29.8V，開路電壓約為36.9 V，最大工作電流為7.9A，短路電流為8.4A。根據50KW并網光伏逆變器的工作電壓范圍 （420V以上），每20塊多晶硅電池組件串聯組成一串，然后每10個電池串聯組并列，共200塊電池組件，總的

發電功率為47kWp。非晶薄膜發電系統共由336塊100Wp薄膜電池組成，最大發電功率為 33.6 kWp。

發電系統配備2臺分別為50kW和30kW的光伏逆變器，50kW的逆變器經匯流箱與多晶硅電池組件連接，30kW的逆變器經匯流箱與非晶薄膜電池組件連接，將光伏發電組件的直流電壓轉換為高頻三相斬波電壓，并通過濾波器變成正弦波電壓，然后輸入微電網智能配電系統。

2.2 配電系統

智能微電網配電系統由圖書館負荷、智能配電柜、線路等組成。根據光伏日發電量和儲能系統中PCS的輸出功率，將圖書館部分負荷接入智能微電網系統。根據接入智能微電網負荷的重要性，將接入微電網負荷又分為重要負荷和非重要負荷。重要負荷為三四樓南側照明和一樓網絡機房，非重要負荷為三四樓照明北側照明和一樓電子閱覽室。智能配電柜由斷路器、并網接觸器、雙向電表、電流互感器、電壓互感器等組成，實現智能微電網的并/離網切換運行。

2.3 儲能系統

智能微電網設計儲能系統的目的是平滑光伏發電系統的功率輸出波動，實現微電網離網獨立運行，提高微電網供電可靠性。儲能系統將光伏發電的輸出波動抑制在10%以下，功率最優配比在15 %～20%之間，離網時，在光伏發電系統不發電情況下，至少保證微網內重要負荷6h的供電[8]。

智能微電網的儲能系統由ES-100K儲能變流器、336塊180Ah的磷酸鐵鋰電池、電池管理系統、通信系統等組成。儲能變流器是智能微電網儲能系統的核心設備，是實現微電網電量和電池之間能量轉換的裝置。儲能變流器由北京索英公司提供，可以在并網和離網兩種模式運行，在并網模式下，根據本地電網信息自動調節有功/無功，來實現對磷酸鐵鋰電池進行充電和放電控制；在離網模式下，通過VF控制輸出電壓的幅值和頻率，為負荷提供穩定的電壓支撐。磷酸鐵鋰電池由天津中聚公司提供，單體電池容量為180Ah，電壓為3.2V，終止充電電壓為3.6V，終止放電電壓為2.0V，工作溫度范圍為0～45℃。每2塊電池并聯組成1串，然后將每串電池串聯起來形成儲能裝置，總電壓為537.6V，共存儲電量為193Kwh。電池管理系統（BMS）由深圳山特公司提供，主要有以下三方面作用：（1）實時監控儲能裝置的存儲電量、電壓、電流，單體電池的最高溫度、最低溫度、最大電壓、最小電壓，單體之間的最高溫差和最大電壓差等；（2）設置儲能裝置的最高充電量和最大放電量，為最大限度的保護電池的壽命，設置最高充電量為電池容量的85%，最大放電量為電池容量的45%；（3）根據電池容量、環境溫度等，控制儲能裝置的充放電模式和運行狀態。

2.4 智能監控系統

圖2為酒泉職業技術學院圖書館職能微電網框架圖。

圖2 智能微電網框架圖

微電網的智能控制系統由北京索英公司提供，硬件部分包括主機、19寸顯示器、模塊電源、以太網交換機、通訊模塊、標準網絡柜等，軟件部分為微電網智能集中監控系統。智能監控系統實現對光伏發電系統、配電系統、儲能系統等數據的檢測。具體檢測光伏發電系統的日發電量、總發電量、直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、逆變器功率和溫度等數據；檢測配電系統的電壓、電流、負荷功率等數據；檢測儲能系統的雙向變流器、電池管理系統、儲能裝置等設備的基本數據。通過微電網智能集中監控系統，可以實現對微電網并/離網的運行控制，系統控制模式的調節，儲能裝置基本參數和系統參數的設置等功能。

3 智能微電網的并/離網切換控制

智能微電網的并/離網切換主要為“有縫”切換和“無縫”切換。有縫切換是指微電網在并/離網切換過程中，由于公共連接點（PCC）斷路器作用時間較長，出現電源短時間消失的過程。相對于有縫切換，無縫切換是指微電網在并網轉離網或離網轉并網運行過程中，不出現電源消失的過程。無縫切換方式，可以提高微電網的供電可靠性，適合于電能質

量要求較高的負荷。

本工程項目根據實際需要，采用有縫切換方式，圖3為微電網并網轉離網“有縫”切換流程圖。并網轉離網運行過程中，微電網控制中心（MGCC）接受到上層能量管理系統發出計劃離網運行指令或檢測到并網母線頻率、電壓超出正常運行范圍，或在外電網（國家電網）停電或故障時，MGCC發出指令，快速斷開PCC斷路器，并切除微網內多余負荷，或根據實際情況切除分布式發電，同時啟動主控電源（儲能）控制模式。并由功率調度（P/Q）模式切換為恒壓（U/?）模式，以恒頻恒壓輸出電能，保證微電網頻率和電源的穩定。在切換過程中，微電網的孤島保護動作，使分布式發電系統退出運行[9]。主控電源啟動離網運行恢復重要負荷供電后，分布式發電系統將自動并入微電網系統運行。為了防止發電系統同時啟動給微電網帶來巨大的沖擊，各分布式發電錯開啟動，并由微電網控制中心控制發電系統逐步啟動，在逐步啟動過程中，逐步投入被切除的微電網負荷，直到被切除負荷、儲能和分布式發電無法調節，發電、儲能和負荷用電在離網運行期間達到新的平衡。當微電網控制中心檢測到外部電網頻率和電壓正常時，自動調節為并網運行模式，并恢復被切除的微電網內負荷。

圖3 微電網并網轉離網“有縫”切換流程圖

4 智能微電網的運行分析

并網型智能微電網根據實際需要，可以在并網和離網兩種模式運行，并網運行時有外部電網提供微網內負荷功率缺額，或者吸收微網內發出多余的電能。離網運行時，由光伏發電系統和儲能系統給微網內負荷提供電能，達到新的能量平衡。

4.1 并網運行

如圖2智能微電網框架圖，圖書館部分負荷接入微電網，接入部分為微網負荷，未接入部分為剩余負荷，將微網負荷根據實際需要又分為重要負荷和非重要負荷。

智能微電網并網運行時，微電網母線通過公共連接點（微網開關）與電網連接，實現對整個圖書館負荷供電。白天光伏發電充足時，首先為微網負荷供電，其次為圖書管剩余負荷供電，多余的電能將通過儲能裝置儲存起來。儲能裝置達到充電上限時，停止充電，再將多余的電能通過變壓器送入電網。當光伏發電系統輸出功率小于圖書館用電負荷時，缺額部分由電網提供。夜間光伏發電系統停止運行時，主要由儲能系統為圖書館負荷供電，包括微網負荷和剩余負荷。儲能裝置達到放電下限時，停止供電，由電網為圖書館負荷供電，直到第二天光伏發電系統恢復供電。智能微電網儲能裝置除了夜間供電外，通過自動調整充放電工作模式，控制輸出功率平滑光伏發電輸出功率波動，抑制光伏電壓波動和閃變，補償負荷電流諧波，提高光伏發電電能質量和供電穩定性[10]。

圖4為并網運行時，智能微電網公共連接點（PCC）處多功能電表數據。由圖4可知，電壓波形失真度小于2%，符合國家標準（小于3%）。電流波形失真度較大，是由于電流基波較小，造成測量誤差，所以電流波形失真度較大，但不影響上網電能質量。根據圖4數據和試運行觀察，該微電網試運行穩定，上網電能質量良好，達到設計要求，為智能微電網的廣泛應用起到示范推廣的作用。

圖4 微電網PCC處基本數據

4.2 離網運行

智能微電網離網運行，在電網停電或故障時，智能微電網控制中心發出指令，快速斷開PCC斷路器（微網開關），切除剩余負荷，由光伏發電系統和儲能系統為微網負荷供電。當發電充足時，在滿足微網負荷用電需求的前提下，多余的電能通過儲能裝置儲存起來。儲能裝置達到充電上限時，停止充電，電能仍然多余時，智能微電網控制中心將發出指令切除多晶硅發電系統。光伏發電系統停止工作或者不能滿足微網負荷用電需求時，啟動儲能系統為微網負荷供電，儲能系統供電1h后，為保證微網重要負荷供電需求，將切除微網非重要負荷。

5 結論

本智能微電網示范工程項目，包含不同光伏發電系統、儲能系統、智能配電系統和智能監控系統，實現分布式光伏電源、儲能系統平穩友好的并入國家電網。微電網電能質量良好，符合國家要求。即可并網協調運行，實現微電網雙向潮流環境下控制保護，體現分布式光伏電源、儲能系統、電網智能協調運行；又可離網運行，在外部電網故障情況下，微電網繼續為微網負荷供電，保證用電需求，凸顯智能微電網能量優化調度控制功能。儲能系統在智能微電網中的應用，根據微電網負荷用電需求，通過自動調節充放電工作模式和輸出功率大小，平緩光伏發電功率波動，抑制光伏電壓波動和閃變，補償負荷電流諧波，提高光伏發電電能質量和供電穩定性。

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甘肅省科技計劃資助項目（1309RTSF043）； 甘肅省科技創新平臺專項資助（144JTCF256）。