光伏儲能微電網經濟運行的優化設計

□陳星宇 義 琦 陳 瑩 覃傳妹 胡寧峪

近年來，光伏、風電等可再生能源發電技術獲得飛速發展，分布式發電作為一種新型的供電方式，因其可以提高資源綜合利用效率，并且最大程度的滿足當前不斷增長的用電需求，因而獲得廣泛的利用。但是這種發電模式也存在一定的弊端，如控制起來十分復雜，成本相對比較高，技術基礎相對不夠成熟，并網時會對大系統的電壓以及頻率產生沖擊。它所帶來的這些負面影響使其運行方式被限制，并進一步影響其在未來的廣泛應用。微網技術的發展，為解決這個問題提供了有效的途徑。

一、光伏儲能微電網確定型運行優化模型

光伏儲能微電網的發展一直受到成本高的制約。但通過制定合理的運行計劃，不僅可以使其運行成本降低，同時還可以降低其更換頻率。本文以經濟效益最優為目標，進行光伏儲能微電網優化模型設計。

(一)光伏儲能微電網系統的構成。光伏儲能微電網系統由光伏發電模塊、配電網、蓄電池組、雙向逆變器、并網逆變器以及負載構成。其中光伏發電模塊和蓄電池組將會分別經過并網逆變器，然后通過變壓器與交流母線連接，并入配電網絡[1]。這種結構可實現電能從光伏發電模塊到公共電網、光伏發電模塊到負載、光伏發電模塊到蓄電池組、蓄電池組到負載、公共電網到負載的單向流動，同時也能實現蓄電池組與公共電網之間的雙向能量流動。系統處于離網模式時，若公共電網停電，可以在光照充足的情況下，使用光伏提供的能量，為負載供電，同時將剩余的能量存儲在蓄電池組中；如果在光照不充足的情況下，可以同時利用光伏以及蓄電池組，為負載供電，進而維持負載正常運行[2]。當系統運行處在并網模式時，公共電網可以在谷期為蓄電池組以及負載同時提供電能，或者將蓄電池組中剩余的電能向電網出售，獲取收益。而在峰期則可以利用光伏發模塊以及蓄電池組，配合公共電網來為負載供電。

(二)系統組成單元的特性。

1.光伏電池板。光伏電池板是基于光電效應或者光化學效應，直接或間接將太陽輻射轉換成電能的一種發電裝置。其輸出功率的大小與電池板的制造材料、受光面積以及陽光輻射強度等存在密切的關系。當太陽光照強度相同時，光伏電池板的短路電流基本上保持不變，但是開路電壓將會隨著溫度的升高，發生明顯的下降。因此可以得出結論，光伏電池板的輸出功率與光照強度呈正相關，和表面溫度呈負相關[3]。

2.蓄電池。當前，蓄電池是微網中常見的儲能元件，在微網中使用較廣，可以抑制光伏出力不穩定的缺陷，使整個系統的供電質量以及可調度性大大提高。

3.逆變器。由于光伏以及蓄電池組輸出的電能均為直流電，因此無法直接接入交流側，需要通過逆變器的作用把直流轉換成交流。逆變器的配置主要需要考慮額定輸出功率、整機效率、輸出電壓調整能力等參數。

二、光伏儲能微電網經濟運行的優化設計案例

本文結合某示范工程，對其發電系統、儲能系統以及微網控制管理系統的方案設計進行介紹和分析。

(一)總體設計方案。該系統在進行方案設計時，采用的是分布式并網的設計理念。已知某棟節能建筑樓的負荷約為65Kw。考慮設計余量，則該光伏儲能微電網規劃設計容量為80kWp。根據實際情況，對所需要的80kWp系統進行進一步的劃分，將其分解為4個相同的并網發電單元，每個單元為20kWp，并用4個20Kw的并網逆變器將其接入到0.4kv的交流電網中。

(二)發電系統設計。

1.光伏電池陣列設計。光伏電池采用多晶硅太陽電池組，電池組的功率為250Wp。這種電池組在日常工作中的共組電壓和開路電壓分別為29.6V和37.1V。20kw的并網逆變器的MPPT工作電壓范圍是300V～1,000V，因此在對電池進行串列設計時，需要將20塊相同的電池串列在一起，作為一個電池串聯組，每一個并網逆變器需要配備4個并列的電池串聯組，即每一個并網逆變器需要80塊電池組，其發電功率大致為20kWp。對于整個系統來說，總共分為4個并網逆變器，因此也就是說總共需要320塊電池，16個并列的電池串聯組。

2.并網逆變器設計。如前所述，本系統采用4臺20kW的并網逆變器，連在一起組成最大輸出功率為80kwp的并網發電系統。

(三)儲能系統設計。考慮供電可靠性和穩定性，在對整棟樓進行供電的過程中，采用的供電方式是儲能和光伏相混合的方式。具體來說，就是在市電正常的情況下，通過市電以及光伏為整棟樓的負荷供電，而在市電斷電之后，則自動切換為由儲能系統以及光伏供電。

1.蓄電池選型以及串聯、并聯設計。該系統所承載的最大負荷為65kw。按蓄電池備用時間為10h計算，其最大需要電量大致為650kWh，考慮0.7的電池電能轉換系數，大致計算出需要消耗的電量約為930kWh。選擇使用閥控密封免維護的蓄電池，其中每一節電池的電壓都是2V，電量為1,500Ah。共計使用的310節電池，將所有的電池串聯起來，其電池端口的電壓則總共為620v(2×310v)，據此可以計算出電池組的總容量為930kWh。

2.儲能變流器選型。在設計儲能系統時，需要選擇合適的儲能變流器，本系統所選擇的儲能變流器為雙向逆變器，該雙向逆變器所采用的是充電/逆變一體機的形式，可將交流母線、光伏發電系統、蓄電池儲能系統三者連接在一起。根據光伏發電系統容量，儲能變流器的容量、交流輸出電壓分別為80kw、400Vac，直流輸入電壓為500～800V。若考慮在離網狀態下，設備空載時，80KW光伏系統通過PCS為電池進行充電的情況，還需要預留20%的系統容量，這時PCS容量應為96kW(80kW×120%)。

(四)系統運行說明。

1.市電正常。在市電正常供電時，本系統的運行模式為并網運行模式，此時的運行過程主要是：第一，并離網控制柜中的控制器發揮自身的檢測作用，對與市電相連的開關上端的電壓和頻率進行檢測，如果測量值處于正常范圍，則會自動閉合并離網的開關。第二，光伏逆變器檢測到市電電壓處于正常范圍，將會根據相關的參數設定，自動將光伏儲能微電網系統開機，使其正常運行，為負載供電，若有剩余電能，則返送至電網。第三，當系統處在并網運行模式時，PCS的狀態將會設定為充電狀態。

2.市電故障。在市電故障無法正常供電時，本系統的運行模式是離網運行模式，此時系統的運行過程如下：第一，并離網控制柜中的控制器將會對市電進行檢測，如果在檢測中發現市電斷電，則將并離網開關斷開，同時給儲能變流器發出并網轉離網的控制信號。第二，光伏逆變器在對市電的檢測過程中，如果發現市電故障，將會自動進入孤島運行保護程序，然后根據相關要求在2s內停機。第三，PCS在接收到并網轉離網的相關指令后，將會對并網側的端口電壓進行檢測，確定市電確實故障后，將會先關機然后再次啟動，同時切換至離網模式運行。特別說明，若PCS在接收到相關指令后，不對端口的電壓狀態進行檢測，而是直接進行相關的狀態切換，其需要花費的時間大致為80ms；但是一般情況下，為了確保PCS的可靠運行，需要在接收到指令后對端口電壓進行檢測，避免誤判，這種情況下狀態切換需要多花費380ms的時間，也就是光伏逆變器孤島保護時間。第四，光伏逆變器檢測到PCS提供的支撐電壓滿足供電要求時，將會自動開機運行。當光伏發出的電能大于負載消耗時，多余的電能可以通過PCS給儲能電池充電；若光伏系統輸出功率小于負荷時，則光伏將會和PCS共同為負荷供電。

3.市電恢復。當市電恢復正常后，本系統的運行模式將會重新變為并網運行模式，這一轉換過程如下：第一，當并離網控制柜中的控制器檢測到市電已經恢復至正常狀態后，會將這個信息傳遞給儲能變流器，當并離網開關上端以及下端的頻率、電壓幅值、相位保持一致時，會自動閉合并離網開關。第二，光伏逆變器將會繼續保持運行。第三，PCS在得到市電恢復正常運行的信息后，將會對電壓進行一定的調整，同時將自身的運行模式轉變為并網模式。在整個過程中，可能會受到通訊延遲的影響，因此PCS會遭受一段時間的沖擊。當PCS轉變為并網運行模式后，恢復為充電狀態，負載供電并不會因此間斷。

三、結語

綜上所述，該光伏儲能微電網可以真正實現分布式光伏發電，實現與配電網并網協調運行，突顯出智能微網能量優化調度控制的效果。