高原高寒地區智能分布式光伏微電網系統設計及效益*

次仁平措

（西藏自治區能源研究示范中心，西藏 拉薩 850000）

國際上均認為智能分布式微電網技術將是未來電力系統的一個重要發展方向之一。對于發達國家而言，由于技術先進且電力系統發展較早，已經基本完成了智能分布式微電網技術理論方面的研究工作，且實施了技術相對成熟的有關項目。2003年，歐盟科技框架計劃為了研究智能分布式微電網系統在運行、監控、保護及通訊等方面的基礎理論，分別開展了：Microgrids和More Microgrids兩個智能分布式微電網項目［1］，且在希臘、荷蘭等成員國內建立了示范工程；同時在2003年，日本為了對新能源發電技術、能量管理及系統監控技術等方面進行更為深入的研究，其新能源產業開發機構分別在愛知縣、京都及青森三個地方建立了示范工程［2］；2005年，英國政府在其首都建立了可進行并網切換的智能分布式微電網系統［3］；2006年，美國DOE和GE兩個公司通過合作開發，針對智能分布式微電網技術的商業用途及分布式電源對市政電網的影響等方面展開了研究［4］；同年，不僅美國能源部提出將智能分布式微電網系統作為未來電力系統的重要組成部分之一，而且德國的國家太陽能所還建立了配電容量達200KVA的智能微電網實驗室［5］；2010年，日本通過組建智能化社區聯盟來開展智能分布式微電網系統的示范性研究工作［6］。中國對智能分布式微電網系統的研究工作主要體現在“863”及“973”計劃上，2008年，天津大學針對利用多種新能源進行發電的智能分布式微電網系統，開展了優化運行策略的研究工作［7］；同年，合肥工業大學通過搭建實驗室平臺，研究了智能分布式微電網系統在用能管理及智能監控等方面的耦合協調運行［8］。

文章主要研究了智能分布式光伏微電網系統在高原高寒地區（拉薩）的設計與效益。主要包含有太陽能光伏發電系統的設計、儲能系統設計、監控系統設計及整個微電網系統的預測效益。文章的研究內容對西藏地區智能分布式微電網系統的發展具有實際意義，且筆者作為課題的負責人參與了整個微電網系統的設計及實施工作。

1 系統的設計

該項目工程位于西藏自治區能源研究示范中心，由1套光伏發電單元組成，光伏組件總安裝容量為45.9KWp，分別布置在新舊宿舍樓及車庫的屋頂，配置2臺直流匯流箱，使用1臺50KVA儲能逆變器、240KWh蓄電池組、通過1臺交流并網柜接入配變低壓側母線，實現在有市電情況下將光伏組件發電功率直接并網，在無市電狀態下通過儲能逆變器建立微型電網為特定辦公樓提供電源。在該儲能式建筑光伏系統中，蓄電池用來在無市電、無陽光等情況下通過雙模式逆變器持續向特定辦公樓提供電能。

1.1 光伏系統設計

該項目太陽能光伏組件安裝區域主要有三處，分別是新舊宿舍樓屋頂和車庫屋頂，光伏組件布置方案如圖1所示。太陽能光伏組件選用255Wp多晶硅組件，組件尺寸1650×990×40（mm），開路電壓37.7V，MPPT電壓30V，短路電流9.01A。組串采用18塊組件串聯為1串，新宿舍樓可安裝3串，舊宿舍樓可安裝4串，車庫可安裝3串，共安裝光伏組件10串，180塊，直流功率為45.9kW。

圖1 太陽能光伏組件布置方案

1.1.1 方陣間距計算。太陽能光伏方陣的布置應避免屋頂構筑物或其它高大建筑物形成陰影而造成的遮擋，否則在遮蔭部分，非但沒有電力輸出，反而將消耗電力，形成局部性發熱，產生“熱斑效應”，嚴重時將損壞該太陽能光伏組件。陰影遮擋確定原則為：一年中冬至日太陽高度角最低，方陣間距D應大于冬至日真太陽時上午9∶00和下午15∶00時的陰影的最大長度，保證在該時段內不發生陰影遮擋，則太陽能光伏陣列一年之中太陽能輻射較佳利用范圍內時不會發生陰影遮擋。根據該項目所在地的地理緯度、太陽運動情況、高度差等可由以下公式計算最大陰影長度D。

式中：φ——當地緯度（在北半球為正，南半球為負），項目所在地為北緯29.66°；

δ——冬至日的太陽赤緯角，項目所在地為-23.5°；

ω——時角，上午9∶00 和下午3∶00 的時角為±45°；

α——太陽高度角；

β——太陽方位角。

該項目屋頂太陽能光伏方陣均采用單排豎向最佳傾角布置，即θ＝35°時，求得D＝3.05m，文中設計取值為3.1m。

1.1.2 光伏組件串并聯數計算。項目中太陽能光伏組件串并聯數量的確定，需要與所選擇的并網逆變器相匹配，匹配計算取值和公式如下。

項目選用255Wp的多晶硅太陽能光伏組件，其技術參數如表1所示。為了保證太陽能光伏系統安全可靠的運行，根據建設地的氣象資料，該光伏系統應當在-20℃至70℃的情況下能正常工作運行。由于太陽能光伏組件在極限溫度下的參數會發生變化，其溫度系數應如表2所示。

表1 255Wp多晶硅太陽能光伏組件技術參數

表2 255Wp多晶硅太陽能光伏組件溫度系數

1.1.3 太陽能光伏組件串并聯組合計算公式。

式中：N——太陽能光伏組件串聯數（N取整數）；

Kv——太陽能光伏組件的開路電壓溫度系數；

Kˊv——太陽能光伏組件的工作電壓溫度系數；

t——太陽能光伏組件在工作條件下的極限低溫（℃）；

t——太陽能光伏組件在工作條件下的極限高溫（℃）；

Vdcmax——逆變器允許的最大直流輸入電壓（V）；

Vmpptmax——逆變器MPPT電壓的最大值（V）；

Vmpptmin——逆變器MPPT電壓的最小值（V）；

Voc——太陽能光伏組件的開路電壓（V）；

Vpm——太陽能光伏組件的工作電壓（V）。

通過以上公式的計算可以得到：針對并網逆變器和充電控制器設計太陽能光伏組串數時，還應同時考慮到高原高寒地區電氣絕緣性能降容的問題（海拔每升高1000米，降容約10%左右），因此每條支路串聯太陽能光伏組件為18-20塊最合適，文中設計選擇為18塊。

1.2 儲能系統設計

該項目擬通過采用市電、分布式光伏發電與儲能系統相結合的智能微電網技術真正做到智能綠色電源，提高用電管理水平和可靠性，打造綠色環保的新型電源體系。電源系統采用“太陽能光伏組件陣列+鋰電池儲能系統+市電”的三電源系統設置。

儲能系統設計方案主要由：電池組、電池管理系統、PCS、配電系統等組成，設計容量為60KW/240KWh。儲能電池系統由電池架儲能單元組成，每個電池架儲能單元由1個電池組串組成，容量為80KWh，共3個單元電池架，總容量為240KWh，與配置1臺58KW儲能變流器，構成60KW/240KWh儲能系統。為保障儲能系統的安全可靠運行，系統內部還配置一套消防系統、空調系統、BMS等以保證儲能系統的安全可靠運行。

1.2.1 儲能逆變器。儲能逆變器是連接市政電網、太陽能光伏組件及儲能電池組的電力電子接口設備，通過控制可實現電壓、電流的交直流雙向變換功能。由光伏組件最大功率跟蹤模塊、主功率部分、信號檢測部分、控制部分、驅動部分、監控顯示部分和輔助電源等部分構成，儲能逆變器拓撲如圖2所示。本文中該儲能系統對儲能逆變器要求功能：①能實現并網離網切換運行模式；②蓄電池充電功能；③蓄電池充放電保護功能。

圖2 儲能逆變器拓撲圖

儲能系統的充放電模式：①充電時：以P/Q源模式運行，跟隨電網電壓以恒功率充電；②放電時：以V/F源模式運行，輸出一個恒定的電壓和頻率，根據用戶側實際的負載需求供電。

此外，儲能系統還應具有以下特點：①全方位、多層次的電池保護策略、故障隔離措施，高安全性；②開放式以太網接口設計，可提供便捷的通訊接口；③鋰電池系統運行情況受溫度高低的影響。儲能系統設計出一套具備耐寒性能的電池系統和電池管理系統，在高原高寒地區能高效率運行，保證負載供電及備電需求，具備溫度補償功能，靈活應對高原高寒地區的氣溫變化；④針對高原高寒地區空氣稀薄、溫度低、靜電現象頻繁等情況，開發出適用于高原高寒地區的電池管理系統，耐寒程度提高，具備有效的防靜電功能，促使電池管理系統快速檢測電芯運行的信息，并對故障信息快速響應。

1.2.2 電池管理系統。項目中電池管理系統（BMS）由：電池組管理單元BMU、電池組串管理系統MBMS、電池堆管理系統BAMS及高壓控制箱HVC組成。BMS系統具有模擬信號高精度檢測及上報、故障告警上傳和存儲、電池保護、參數設置、主動均衡、電池組SOC定標和與其它設備信息交互等功能。設計中BMS系統針對西藏高原高寒地區空氣稀薄、溫度低、靜電現象頻繁等情況，針對性的設計出適用于高原高寒地區的電池管理系統。

電池管理系統（BMS）主要特點：①三層架構管理系統；②對電池運行狀態實施全面檢測，包括電壓、電流、溫度等信息；③單體電池電壓檢測精度高：±2mV,保證系統數據分析可信度；④多點溫度監控，避免電池熱失控，保障系統安全；⑤多種均衡方式，有效延長電池壽命；⑥模塊化設計，可擴展性強；⑦完備可靠的電池保護功能；⑧支持GPRS數據采集及無線傳輸；⑨排障導引、事件及操作日志記錄；⑩增強電池運行數據分析能力，提高報表功能負載聯動控制優化，緊密配合PCS、儲能調度系統，提高系統效率;具備溫度補償功能，靈活應對西藏高原高寒地區的氣溫變化。

針對高原高寒地區空氣稀薄、溫度低、靜電現象頻繁等情況，設計出適用于高原高寒地區的電池管理系統，使其耐寒程度提高，具備有效的防靜電功能，促使電池管理系統快速檢測電芯運行等信息，并對故障信息快速響應。

1.3 監控系統設計

秉持科學安全，綠色環保，集約用地等原則進行設計，在盡量縮減該項目建設周期的情況下，促進環境友好發展。表3給出了監控系統的硬件材料清單，監控系統的關鍵技術如下。

1.3.1 自主學習式SOC/SOH評估算法。常規SOC估計和電池系統容量估計都存在累計誤差的問題，難以實現電池系統的可用容量及SOC標定的精確性。設計中采用深圳欣旺達獨有的SOC專利技術，根據系統實時狀態能自主學習自主較正，可以有效消除累積誤差，提高SOC/SOH標定的準確性。

1.3.2 無損均衡技術。通過實時監測每節電芯運行狀態，采用高效的均衡技術，保障每串電芯之間的一致性，延長整個系統的使用壽命。

1.3.3 高精度信息采集技術。對電芯的信息采集精度越高、其可靠性、一致性以及SOC精確性就越高，該項目選取深圳欣旺達成熟的BMS系統。

1.3.4 電池一致性保障技術設計要求所有的電芯均通過嚴格的自動分選、均衡、熱管理等各方面的技術測試，以保障系統運行時各電芯的一致性，從而延長系統使用壽命。

表3 監控系統的硬件材料清單

2 系統的效益

2.1 發電量預測

通過綜合考慮太陽能光伏組件效率、低壓匯流及儲能逆變器效率、交流效率等因素的影響，確定該智能分布式光伏微電網系統的總效率約為80%.太陽能光伏發電系統25年運行周期內的電能輸出衰減幅度為每年-0.8%考慮，直到25年末。因此估算本設計中該項目建成后，年均發電量約為7.3萬度，平均年等效裝機利用小時數約為1738h。表4給出了25年中每年發電量的預測情況。

表4 25年中每年發電量預測

2.2 環境效益

由于煤炭、石油、天然氣等化石能源屬于不可再生，且太陽能光伏發電利用太陽光產生電力，而且發電過程中無噪聲、廢物及廢氣的產生，是真正的可再生能源。該智能分布式微電網系統在第1-1.5年里所發的電量就可以抵消光伏設備在生產過程中所消耗的能量，真正達到了環境友好、可持續。

通過預測該項目建成后，首年發電量可達79774.2KWh，可減排二氧化碳排放79774.2kg/年，相當于種植4.36棵樹，同時還可以減少二氧化硫排放126.45kg/年，減少煙塵排放19.51kg/年，減少氮氧化物排放126.45kg/年。為保護西藏地區的生態環境做出了應有的貢獻。

3 結論

文章以實際項目為依據，針對高原高寒地區智能分布式光伏微電網系統的太陽能光伏發電系統、儲能管理系統和實時監控系統三個方面做出了設計，并對該項目建成后的效益進行了分析。其中在設計光伏系統時，根據實際情況，其最大陰影長度為3.1m，光伏組件的最佳串聯數為18-20塊；而在設計儲能及監控系統時，應主要考慮高原高寒地區空氣稀薄、溫差大、溫度低、靜電現象頻繁等情況對設備造成的影響。該項目在建成后，其年均發電量約為7.3萬度，年均等效裝機利用小時數約為1738h，且首年發電量可達79774.2KWh，大大減少了污染氣體及煙塵的排放，實現了節能減排的目的。