某廠區微電網系統設計與研究

于 博 濤

(大同市重點工程建設服務中心，山西 大同 037003)

1 項目背景

廠區由分布式光伏、微風發電、儲能系統、電網電力等多能源供給組成，共有15個單體建筑，存在能源供給不平衡，使用效率低下等問題。

2 設計原則

采用太陽能光伏發電、儲能系統與電網供電聯合，太陽能光伏發電進行適當能源補充，體現綠色能源價值。儲能作為后備電源，在電網停電或檢修時給負荷供電，提高供電可靠性。儲能系統用于平抑光伏發電、光伏發電盈余時充電、負荷高峰期時放電、削峰填谷套利、變壓器容改需。

3 系統組成及拓撲圖

整套系統由分布式光伏系統、儲能系統、儲能PCS、用電負荷、能量管理系統等幾部分組成，見圖1。

1)儲能系統通過500 kW儲能變流器、隔離變與電網連接；

2)能量管理系統可采集全系統內發電、儲能、負荷數據，通過智能調度算法控制整個微電網內的功率平衡、電壓穩定，實現平抑光伏發電、光伏發電盈余時充電、負荷高峰期時放電、削峰填谷套利、變壓器容改需，保證配電網側電壓穩定輸出等功能并充分考慮其經濟特性。

4 系統簡介

本項目中儲能的作用主要有以下兩點。

4.1 分時電價電費管理

在電價較低時通過電網向電池組充電，在電價較高時，電池組向負載放電，通過低買高賣(用)套利或者減少本地電費的支出。影響收益的主要因素是峰谷電價，另外儲能系統的效率、放電時間及相關補貼也會直接影響收益的多少。

4.2 備用電源

適量的儲能可以在分布式發電單元不能正常運行及電網掉電的情況下起備用作用。在電網停電時，滿電量的儲能系統能夠滿足應急需求。

5 系統運行模式

5.1 并網控制

當光伏能量充足時：光伏優先為負載供電，剩余能量對儲能系統充電。

當光伏能量不足時：當電池組SOC不小于設定值A時，光伏和電池組同時為負載供電；當電池組SOC小于設定值A且當前處于電價谷值時，光伏和電網同時為負載供電，同時電網為電池組充電。

當光伏能量無時：當電池組電量充足且當前處于電價谷值時，則電網僅需向負載供電；當電池組SOC小于設定值A且當前處于電價谷值時，電網為負載供電，同時電網為電池組充電。

5.2 離網控制

當光伏能量充足時：光伏優先供給負載供電，剩余能量對電池組充電，如果仍有剩余，則EMS能量管理系統限制光伏功率輸出。

當光伏能量不足時：當電池組SOC不小于設定值A時，光伏和電池組同時為負載供電；當電池組SOC小于設定值A時，系統限制可控負載用電。

當光伏能量無時：當電池組SOC不小于設定值A時，電池組為負載供電；當電池組SOC小于設定值A時，系統限制可控負載用電。

6 主要設備介紹

6.1 儲能變流器

儲能變流器(PCS)及其選配件是電網與電能存儲設備之間的紐帶，它實現了交流電能和直流電能相互變換，并監測儲能變流器交流端、直流端的電壓電流功率以及功率溫度等數據，肩負著充電和電能回饋作用，是儲能系統的關鍵設備之一，為分布式發電系統和微電網系統的大力發展提供了先決條件。同時，PCS作為微網中一個可控的儲能電源，解決了大電網與分布式電源間的矛盾，使微電網既可與大電網聯網運行，也可在電網故障或需要時與主網斷開單獨運行，大大提高了電力系統的安全性、穩定性、經濟性。

6.2 儲能協調控制器

儲能協調控制器實現電網側儲能電站全站PCS的統一快速協調控制。

儲能協調控制器通過光纖以太網及IEC 61850/Goose協議與其下轄管理的各PCS之間進行實時通信，根據各PCS的功率、SOC等狀態，采用既定的分配策略，實現儲能系統總的有功、無功出力目標在各PCS之間的分配及快速閉環跟蹤控制。裝置支持多種高級自動控制模式，包括：跟蹤發電計劃曲線，平滑可再生能源出力波動、一次調頻調壓等，同時支持對上級EMS或穩控系統的功率調節指令快速響應。

儲能協調控制器基于深瑞智能變電站保護控制平臺開發，平臺可靠性經數千座變電站運行檢驗；支持雙機雙網熱備用運行機制，儲能協調控制器A，B機之間通過點對點專用通信鏈路實時交換運行狀態，當主機A或通信網A故障時，無縫切換到主機B和通信網B，進一步保障系統可靠性；與PCS的協調控制采用高速光纖以太網及Goose協議，實現毫秒級實時響應，從儲能協調控制器收到指令到整個儲能系統輸出完全響應指令的時間小于50 ms；支持接入區域穩控系統，可支持與穩控子站(執行站)通過光纖以太網Goose通信，實現新能源電站功率毫秒級雙向快速控制響應，支持新能源電站“以調代切”；支持多種高級自動控制模式，包括：跟蹤發電計劃曲線、平滑可再生能源出力波動、一次調頻調壓等；采用標準開放的通信協議確保裝置之間的互操作性，簡化了系統配置和集成難度，并提高通信系統的可靠性；具有良好的兼容性和擴展性，對上通信支持所有主流的通信規約且可定制，滿足實際工程現場通信接入需求。

7 能量管理系統

7.1 系統概述

能量管理系統采用面向服務的軟件體系架構，遵循IEC 61970/IEC 61968規范，具有良好的開放性，能很好地滿足系統集成和應用不斷發展的需要；系統采用中間件技術，有效屏蔽了異構系統的差別，滿足跨平臺的需要，支持Unix/Linux/Windows/麒麟/凝思等操作系統；選用先進、成熟的硬件設備，關鍵設備采用冗余配置，構建了一個安全可靠、標準開放、資源共享、易于集成的主站系統。系統完全兼容國產硬件設備、操作系統及數據庫。

分層、分組與集群控制功能，當組內故障時，組內冗余備用進行替換；當任何組群出現故障時，可以通過后備組群進行替換；采用內部雙網、獨立采集的網絡結構，充分利用網絡帶寬，在容錯的同時實現網絡的負載平衡功能；采用軟總線和中間件技術，實現與其他系統的互操作以及信息資源的共享；支持STREAM/SQL等多種訪問模式，大大減少網絡流量，減少內存開銷；采用按口值班的前置采集模式，支持串口、有線、無線等多種數據采集模式，多源采集，計算和積分處理。

7.2 軟件架構

系統軟件基于SOA架構、遵循分層構件化及應用模塊化的設計原則，由以下幾個組件(中間件)組成：分布式管理中間件、數據庫訪問中間件、實時數據中間件、圖形接口中間件、第三方接口中間件等，在平臺提供的中間件的基礎上，開發各種應用功能，實現應用在異構硬件平臺及不同操作系統上的分布式部署。

8 結語

本文通過對廠區分布式光伏、儲能系統等能源進行建模，設計了微電網系統，有效解決了形式多樣的分布式電源并網問題，提高了能源利用效率，為打造國際先進、國內領先的能源系統示范項目提供了可復制、推廣的技術、模式和體制經驗。同時也發現了目前存在的問題，例如：微電網孤網運行要求配置一定容量的儲能系統，儲能系統建設投資成本較高。儲能系統容量配置越大，效果越好，但成本越高，需要找到一個較好的平衡點，這和微電網的運行要求，峰谷電價政策等都有密切的關系。微電網監控平臺及能量管理系統，投資成本高。在運維成本上，也比一般電網要高。