高原高寒地區智能分布式光伏微電網現狀及案例分析*

萬溧

（西藏自治區能源研究示范中心，西藏 拉薩 850000）

隨著經濟社會的迅猛發展，城市集中化、擴大化程度不斷提高，電網系統的建設速度越來越難以跟上城市化的建設速度。如2006年的西歐大停電；2007年的哥倫比亞大停電；2009年的巴西大停電；2012年的印度大停電，這些世界范圍內的大規模停電事故更是將當今社會傳統電網的脆弱性暴露無遺。傳統的市政電網系統逐漸難以滿足用戶側愈來愈多樣化、復雜化的用電要求［1］。智能分布式微電網系統作為一種盡量利用就近可再生能源進行發電的分布式供電系統應際而生。相對傳統的市政電網系統而言，智能分布式微電網系統不僅采用就近發電、供電的原則，且其運行模式相對靈活、設備容量相對更小，同時該系統將分布式可再生電源（太陽能、風能、地熱能等）、儲能單元、負載監測、控制保護等設備有機耦合［2］，使用戶側可實時監控每個部件及環節，以達到用戶側多樣化、復雜化的用電目的。智能分布式微電網系統利用靜態開關與市政電網系統相連接［2］，其不僅可實現并網和離網兩種運行模式的平穩切換，還可增強對市政電網系統的抗干擾能力［3］。即使當市政電網系統發生停電、設備出錯或電能質量低下等故障時，智能分布式微電網系統仍可進行離網運行模式工作，保障了區域性供電的安全性及穩定性［4］。

其中，智能分布式光伏微電網系統具有以下優勢：

自主性：光伏微電網系統主要由分布式的太陽能電源、儲能裝置、負載監測及智能控制四大部分組成，其可實現自主性的運行操作，達到自我管理及控制的目的；

互動性：光伏微電網系統在每個組成單元上均設置了數據采集功能，其不僅實現了用戶側的監控管理，還實現了與遠程廠家的信息互動；

清潔性：光伏微電網系統由于使用清潔、可再生的太陽能作為電源，符合國家節能減排的政策要求，減少了污染氣體及煙塵等污染物的排放。

文章在簡單介紹智能分布式微電網系統研究現狀和發展趨勢的基礎上，以西藏自治區能源研究示范中心45.9kW智能分布式光伏微電網系統為例，對影響該系統發電效率的因素進行了分析。

1 智能分布式微電網現狀及趨勢

1.1 國外智能分布式微電網現狀及趨勢

隨著世界各國對可再生能源的不斷開發，分布式微電網應用的不斷擴大，智能化程度的不斷提升，國外發達國家紛紛提出了清潔能源利用計劃，將智能微電網與可再生能源相結合，以求最大程度的發揮微電網系統的效益。

最早提出微電網系統概念的是美國電氣可靠性技術協會（簡稱：CERTS）［1］，由于通過解決微電網系統發電量并入市政電網系統的安全性及可靠性而得到了美國政府的關注［3］。CERTS提出分布式微電網系統要想實現長遠的開發利用，必須要解決：當市政電網系統發生故障時，分布式微電網系統能無縫切換到離網運行模式；當市政電網系統恢復后，又能無縫重新并網運行［5］。以此來保障用戶側的供電質量。美國在曼德瑞沃建設的第一個分布式微電網系統示范項目成功運行，并得到分布式微電網系統的基礎理論［1］。

日本由于國土所處地理原因，常規能源一直處于匱乏狀態，因此非常重視可再生能源的開發利用。日本新能源與工業技術發展組織（簡稱：NEDO）針對分布式微電網系統的智能化控制，通過采用靈敏、迅速的控制器，以求對分布式微電網系統中各部件運行進行最佳優化［6］。同時NEDO還積極鼓勵利用多種清潔能源發電在分布式微電網系統中的耦合集成［7］。NEDO在青森縣八戶市建設了一套智能分布式微電網系統［6］，其完全利用了分布式新能源發電技術，實現了用戶側的電能供應及智能化管理。

歐盟各國對分布式微電網系統的智能化研究一直處于積極狀態，其主要通過先進的電子技術、可再生能源發電技術、智能化控制技術進行有效耦合，同時鼓勵市場企業積極參與，共同推動分布式微電網系統智能化的前進［4］。德國、意大利、丹麥等國均建設了不同規模大小的分布式微電網系統，例如德國太陽能研究所（簡稱：ISET）建設了容量達200kVA的智能微電網實驗室［8］，丹麥的OESTKRAFT、意大利的CESI、葡萄牙的EDP等公司均針對分布式微電網系統的智能化研究搭建了實驗測試基地［8］。

1.2 中國智能分布式微電網現狀及趨勢

中國智能分布式微電網系統相較國外而言，還處于起跑階段，尚需進一步加強監測技術、能量管理、信息傳輸、智能控制等方面的試驗與研究。

在運營模式方面：目前中國分布式微電網系統的運營模式還不明確，針對重要負載和優先負載的供電安全性、可靠性及優先性還尚待提高［9］。同時，應根據中國實際情況，需開展增強電能質量與減少初投資等方面的研究工作；

在建設規劃方面：中國智能分布式微電網系統的建設應參考國外微電網建設的成功經驗，取其精華，并提煉出適用于中國實際需求的智能分布式微電網系統供能模式，為中國規模化、規范化建設分布式微電網系統提供指引［10］；

在關鍵技術方面：分布式微電網系統的核心部分是智能控制與協調運行技術［9］。即使中國已在發展分布式微電網系統的監控技術，但其靈活性、實用性及智能性還有待提高，進行智能化方面的技術攻關是當下分布式微電網系統的首要解決問題。

中國地理位置偏遠的農村地區，尤其是西藏地區的農村，現在仍有很多缺電甚至無電村的存在。這些村莊由于交通不便利、經濟發展落后，致使市政電網系統的輸電成本高昂，不僅供電質量極差，而且供電的可靠性得不到保障。因此利用當地的太陽能、風能等資源建設智能分布式微電網系統，具有極佳的可行性和保障性。當地農牧民還可利用剩余電量入網從而領取補助的方式，在變相帶動地方發展的基礎上，進一步降低智能分布式微電網系統的投資及運維成本。最近幾年來，中國政府對智能分布式微電網系統給予了不斷支持，已經建成的項目如天津賽達工業園：通過300kW光伏電站、400kW風力機以及鋰電池組，利用風/光互補智能聯合供電系統，實現了分布式可再生能源的供電模式［11］。上海迪斯尼：通過在屋頂建設19.6kW的光伏電站及鐵鋰蓄電池組，驗證了在變電站內建設分布式微電網系統的可行性［11］。珠海東澳島：通過風/光互補耦合柴油發電的多能互補形式，建設了一套1MW級的智能供電系統，不僅在利用風能和太陽能兩種可再生能源的基礎上，還利用了柴油發電系統，實現了供電質量的穩定性和安全性［12］。

2 45.9kW智能分布式光伏微電網案例分析

2.1 45.9kW智能分布式光伏微電網基本情況

文章以西藏自治區能源研究示范中心45.9kW智能分布式光伏微電網系統為例，光伏電站裝機總容量為45.9kWp，光伏儲能發電單元配備容量為240kWh的儲能蓄電池。太陽能組件選用255W多晶硅組件，組件尺寸1650×990×40（mm），開路電壓為37.7V，MPPT電壓為30V，短路電流為9.01A。組串采用每18塊光伏組件串聯為1串，其中新宿舍樓可安裝5.56串，共計25.5kW，太陽能光伏組件安裝如圖1所示；舊宿舍樓可安裝3串，共計13.77kW，太陽能光伏組件安裝如圖2所示；車庫可安裝1.44串，共計6.63kW，太陽能光伏組件安裝如圖3所示。總計安裝太陽能光伏組件10串，共180塊，直流功率為45.9kW，太陽能光伏組件的整體布置如圖4所示。

圖1 新宿舍樓頂光伏組件

圖2 舊宿舍樓頂光伏組件

圖3 車庫頂光伏組件

圖4 光伏組件的整體布置

在一般情況下，該智能分布式光伏微電網系統可為辦公樓中各種負載如：電燈、取暖器、熱水器、加濕器、電腦、打印機等提供保障性供電。當天氣晴朗且日照條件較好時，該智能分布式光伏微電網系統在保證辦公樓用電的同時，將多余的電量利用蓄電池組進行存儲，以供辦公樓在夜晚及市政電網系統停電時的用電需求；當陰、雨、雪等天氣不利于太陽能光伏組件發電時，該智能分布式光伏微電網系統優先將蓄電池組中儲存的電量用于辦公樓用電需求，而當蓄電量不足時，再進行切換到市政電網系統用電。該智能分布式光伏微電網系統可自由、靈活的與市政電網系統進行切換，保障了辦公樓永不斷電，及用電質量的可靠性和穩定性。文章中智能分布式光伏微電網系統在冬季時的用電負荷如表1所示。

表1 冬季時用電負荷

2.2 影響光伏系統發電效率的遮擋因素

文章中該智能分布式光伏微電網系統在可行性測試階段，分別在新宿舍樓頂太陽能光伏組串中一串采用了分離式逆變器，一串采用了集中式逆變器兩種逆變形式，原理如圖5所示。其中采用分離式逆變器的太陽能光伏組串由18個微型逆變器組成，每個微型逆變器功率為300W（考慮到高原性降容），該組串將太陽能光伏組件產生的直流電直接轉化為交流電后再匯入總系統。分離式逆變器由于采用的是小型模塊化設計，單個的太陽能光伏組串甚至太陽能光伏組件就能設置一個微型逆變器。每個微型逆變器的直流端擁有最大功率跟蹤的功能，而交流端產生的交流電則直接入網［13］。分離式逆變器模塊化的設計不僅使其可以不受組串或組件的差異性影響，而且即使某部分組串或組件出現遮擋情況的時候，其余組串或組件亦能不受影響。因此采用分離式逆變器可使整個光伏系統處于最佳的運行狀態，變相的增大了光伏系統的發電量。就整個光伏系統運行周期而言，采用分離式逆變器的發電量相比集中式更大、經濟效益更為顯著。

圖5 兩種逆變形式原理

為了試驗測試不同遮擋情況對分別采用分離式及集中式逆變器光伏組串輸出功率的影響，因此文章中分別開展了無遮擋和遮擋太陽能光伏組件1-4塊條件下，測試其系統的輸出功率。表2顯示了不同遮擋條件下太陽能光伏系統的輸出功率。

表2 不同遮擋條件下光伏系統輸出功率

由表2可知，隨著太陽能光伏組件遮擋數目的增多，無論是采用分離式逆變器的光伏組串還是采用集中式逆變器的光伏組串，其光伏系統的輸出功率均呈直線下降，如圖6所示。且采用集中式逆變器相對分離式逆變器而言，其下降比例更為嚴重，當遮擋4塊光伏組件時，采用分離式逆變器的光伏組串相對采用集中式逆變器的組串而言，太陽能光伏系統的輸出功率相對增長了近一倍。

圖6 功率變化趨勢

雖然由試驗測試可以得到，采用分離式微型逆變器可相對增大太陽能光伏系統的發電量，但是項目實施點位于拉薩市，其海拔高達3700m，高海拔和高輻射強度不僅使得分離式微型逆變器在戶外出現嚴重的降容現象，還使得微型逆變器的電氣元件老化速度劇增，因此從長遠的可靠性、穩定性及安全性角度出發，該智能分布式光伏微電網系統最后還是選擇采用放置于室內的集中式逆變器。

文章中該智能分布式光伏微電網系統不僅在實現智能化控制的基礎上，而且利用了分布式的太陽能作為發電來源，還達到了綠色電網系統的目的。截止2018年3月23日，該智能分布式光伏微電網系統的總發電量為1280kW·h，相當于節約標準煤139t，并同時減排CO2為382.5Kg、SO2為24.8Kg、NOX為12.2Kg及煙塵為6.7t。因此在滿足節能減排的同時，對西藏地區可再生能源的利用推廣和利用清潔能源發電均具有實用性及參考性。

3 結論

智能分布式微電網系統主要有并網及離網兩種運行方式，而智能化、模塊化、清潔化是智能分布式微電網系統今后的發展方向。因此在開發微電網系統智能化的同時，將智能微電網系統與分布式可再生能源進行有機耦合，是實現今后市政電網逐漸向清潔智能電網轉變的必要過程。文章中通過試驗測試，得到采用分離式微型逆變器可以更大程度的弱化遮擋因素對太陽能光伏系統發電效率影響的同時，還可以得到無論是采用分離式微型逆變器還是采用集中式逆變器，遮擋現象的出現均會造成太陽能光伏系統的輸出功率呈直線降低。