微電網(wǎng)示范案例的架構(gòu)與淺析

趙亮亮，焦見杰，代志偉，王春藝

(中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100011)

0 引言

隨著全球席卷碳中和-碳達(dá)峰的浪潮，綠色發(fā)電成為一項(xiàng)減少碳排放的有效措施。綠色發(fā)電中風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電具有選址靈活、布置便利、度電成本低等特點(diǎn)，更具普遍性和競(jìng)爭(zhēng)力。故本文以筆者參與的多能源微電網(wǎng)示范項(xiàng)目為例，為綠色發(fā)電提供一個(gè)樣本。

該項(xiàng)目于2011年初啟動(dòng)，經(jīng)意向、籌備、安裝、施工至次年調(diào)試并運(yùn)行，取得了良好的運(yùn)行數(shù)據(jù)和示范效果。系統(tǒng)利用某地會(huì)議中心的屋面布置了4臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和150m2光伏板，將鍋爐房二層約35m2的換熱間改造成儲(chǔ)能裝置和多能源監(jiān)控設(shè)施的中央控制室，并在酒店禮堂內(nèi)設(shè)置微電網(wǎng)的數(shù)據(jù)顯示屏和模擬沙盤。當(dāng)?shù)靥?yáng)資源水平面年總輻射量為1 371kWh，年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)1 302h，屬太陽(yáng)能資源較豐富地區(qū)；當(dāng)?shù)仫L(fēng)資源平均風(fēng)速4.84m/s，風(fēng)向?yàn)闁|北東(北風(fēng)偏東)，最大風(fēng)速31.7m/s；當(dāng)?shù)貧鉁仄骄曜罡邷囟?0℃，最低溫度-21.5℃。經(jīng)過實(shí)地選址、氣象資源、產(chǎn)品整合和示范效果等綜合考慮，該微電網(wǎng)示范項(xiàng)目最終規(guī)模由4臺(tái)5kW水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，20kW光伏發(fā)電系統(tǒng)，40kW(3h)儲(chǔ)能單元和40kW用電負(fù)載組成。

1 微電網(wǎng)的架構(gòu)

1.1 總配電柜、負(fù)載及市政并網(wǎng)點(diǎn)

該微電網(wǎng)的總配電柜是聯(lián)結(jié)發(fā)電側(cè)、負(fù)荷側(cè)和并網(wǎng)側(cè)的樞紐。如圖1所示，在總配電柜處匯集了微電網(wǎng)系統(tǒng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)線、光伏發(fā)電進(jìn)線、40kW(3h)鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)線、10kW基本負(fù)載饋線、30kW可調(diào)負(fù)載饋線以及與市電總開關(guān)。

圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)總配電柜系統(tǒng)圖

為了讓微電網(wǎng)調(diào)控更加便利，設(shè)計(jì)之初將基本負(fù)荷的10kW分為2臺(tái)3kW熱水循環(huán)泵、室內(nèi)照明和空調(diào)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了30kW鍋爐補(bǔ)水加熱系統(tǒng)為可調(diào)負(fù)載，允許PLC通過可控硅調(diào)節(jié)器的輸出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱電阻功率的調(diào)整。

微電網(wǎng)并網(wǎng)線的一端選擇在鍋爐房?jī)?nèi)現(xiàn)有動(dòng)力柜的一臺(tái)塑殼斷路器，另一端在微電網(wǎng)總配電柜內(nèi)。微電網(wǎng)由中央控制室的PLC系統(tǒng)控制總配電柜內(nèi)的250A塑殼斷路器，完成微電網(wǎng)側(cè)無(wú)電并入市政電網(wǎng)。

1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

圖2中單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的型號(hào)為WG-5KT2，額定功率為5kW，風(fēng)輪直徑2.5m，聚風(fēng)罩直徑3.4m，啟動(dòng)風(fēng)速2.5m/s，額定風(fēng)速12m/s，切出風(fēng)速20m/s，安全風(fēng)速60m/s。發(fā)電機(jī)采用永磁同步電機(jī)，三相輸出電壓AC 200V±5%，輸出頻率50±0.5Hz，電流諧波≤5%。控制單元采用并網(wǎng)型控制器，具有電機(jī)過壓、過流、超轉(zhuǎn)、輸出過流、電網(wǎng)故障和溫度高保護(hù)等保護(hù)功能。

圖2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)圖

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓為三相200V交流電，通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)匯入電柜之后，設(shè)置一臺(tái)200/380V額定容量為30kVA的D,yn-11的干式變壓器，升壓后接入總配電柜。

1.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏板和逆變器組成。圖3所示光伏發(fā)電系統(tǒng)中，單塊光伏板型號(hào)YL235P-29b，最大功率235W，最大功率點(diǎn)的工作電壓29.5V，最大功率點(diǎn)的工作電流7.97A，開路電壓37.0V，短路電流8.54A。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)圖

光伏逆變器控制柜自帶液晶觸摸顯示屏，能夠顯示運(yùn)行信息，并對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)和停止控制。并網(wǎng)型光伏逆變器控制柜具有孤島檢測(cè)、電壓幅值、電網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)控、電網(wǎng)頻率、交流電流中的直流成分、光伏陣列絕緣阻抗監(jiān)控、間接接觸保護(hù)、短路保護(hù)等功能。光伏逆變器可與PLC進(jìn)行通訊，可遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)。光伏逆變器直流側(cè)最大太陽(yáng)電池陣列功率為22kW，額定電壓350V，MPP效率>0.99，最大直流電壓450V。逆變器的輸出數(shù)據(jù)(電網(wǎng)側(cè))額定輸出功率20kW，額定交流電壓400V(334～450V)，功率因數(shù)(50%和100%額定功率時(shí))>0.99，夜間功耗<20W，最大交流電流32A。逆變器過流保護(hù)裝置額定電流35A，總電流波形畸變率(額定功率時(shí))<3%，額定頻率50Hz，最小電網(wǎng)頻率47.5Hz，最大電網(wǎng)頻率51.5Hz，最大效率94.8%。

1.4 儲(chǔ)能電池系統(tǒng)

圖4的儲(chǔ)能電池系統(tǒng)由儲(chǔ)能電池堆、電池管理系統(tǒng)(BMS)和雙向變流器(PCS)組成。

圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)圖

(1)儲(chǔ)能電池堆用SE180AHA磷酸亞鐵鋰電池，單臺(tái)電池額定電壓3.2V，浮充電壓3.4V，充電截止電壓3.4～3.8V，放電截止電壓3.0～2.5V，最大充電電流3C(1C表示1 200mA)，最大放電持續(xù)電流4C(30s)，標(biāo)準(zhǔn)充放電電流0.3C，額定能量576Wh。儲(chǔ)能電池柜內(nèi)的電池采用模塊化設(shè)計(jì)，216支電池，分成18組電池模塊，每組模塊由12支180Ah單體電池串接而成。

電池組額定電壓691V=216×3.2V，能量124kWh=180Ah×691V，充電截止電壓735～820V，放電截止電壓648～540V，額定工作電流58A(0.32C)。

(2)電池管理系統(tǒng)(BMS)功能包括電池系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能、計(jì)算電池組已循環(huán)次數(shù)、故障診斷功能、故障報(bào)警功能、保護(hù)控制與告警功能、電池均衡功能、熱管理功能、數(shù)據(jù)記錄功能、通信功能和人機(jī)交互功能。

(3)雙向變流器(PCS)是實(shí)現(xiàn)交直流電能雙向變換連接的裝置。在微電網(wǎng)能量管控下能實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的“削峰填谷”和快速的二次調(diào)頻；當(dāng)電網(wǎng)需要補(bǔ)充無(wú)功時(shí)，能作為配網(wǎng)靜止無(wú)功發(fā)生器使用，提供無(wú)功功率支撐；當(dāng)與就地負(fù)荷和間歇式分布式能源(風(fēng)電、光伏)組成微電網(wǎng)時(shí)，能夠?yàn)槲㈦娋W(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷提供穩(wěn)定的電壓和頻率。雙向變流器(PCS)具備保護(hù)變流器及電池安全的功能、具備自檢功能、具備通信接口便于接入監(jiān)控系統(tǒng)或者外部的控制系統(tǒng)；提供調(diào)試軟件能完成故障錄波、定值整定、開入開出測(cè)試。

本系統(tǒng)的雙向變流器采用GES-84儲(chǔ)能雙向變流器，其額定容量為84kVA，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池以充電和放電的形式與電網(wǎng)交換能量，狀態(tài)切換時(shí)間≤200ms，用以對(duì)儲(chǔ)能組件進(jìn)行充、放電的控制與管理。

1.5 控制和計(jì)量方案

微電網(wǎng)控制系統(tǒng)由本地PLC、遠(yuǎn)端IO、操作員站以及大屏顯示終端構(gòu)成，通過Modbus和工業(yè)以太網(wǎng)與風(fēng)機(jī)控制器、光伏逆變器、儲(chǔ)能PCS和BMS模塊通訊，通過硬接線控制風(fēng)機(jī)匯電柜、總配電柜的斷路器的分合閘操作，通過Modbus對(duì)配電柜多功能儀表的電流、電壓、功率、電量進(jìn)行采集。控制系統(tǒng)將多能源系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理后展示在大屏幕上。

2 微電網(wǎng)的運(yùn)行及淺析

2.1 運(yùn)行階段

微電網(wǎng)從2012年3月份至8月份，先后完成了600h設(shè)備自檢、240h試運(yùn)行、720h無(wú)人值守和正常運(yùn)行四個(gè)階段，四個(gè)階段的起始時(shí)間和累計(jì)發(fā)電量如表1所示。

運(yùn)行各階段一覽表 表1

2.2 試運(yùn)行曲線及淺析

現(xiàn)以“階段2”為例，即5月25日中午12點(diǎn)至6月4日中午12點(diǎn)，共計(jì)240h,監(jiān)控系統(tǒng)按每3min進(jìn)行采樣，現(xiàn)將數(shù)據(jù)按1.45h為間隔，提取165個(gè)采樣點(diǎn)繪制出圖5的240h試運(yùn)行期間運(yùn)行曲線。圖5中橫軸為采樣點(diǎn)，主縱軸為采樣數(shù)據(jù)(注：鋸齒型時(shí)間曲線，鋸齒底為0點(diǎn)，鋸齒頂為23點(diǎn)，24點(diǎn)中取了15個(gè)點(diǎn))。

圖5 240h試運(yùn)行期間運(yùn)行曲線

240h試運(yùn)行給出以下初步結(jié)論。

(1)試運(yùn)行中，風(fēng)速在第77個(gè)采樣點(diǎn)(5月29日)超過20m/s，時(shí)長(zhǎng)不超過1h，累計(jì)發(fā)電量不到3kWh，其余為零。這說(shuō)明4臺(tái)5kW風(fēng)機(jī)的選址位置不夠合理，除展示作用外，對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)幾乎沒有發(fā)電貢獻(xiàn)。

(2)試運(yùn)行中，光伏每天早5點(diǎn)至晚18點(diǎn)均有發(fā)電，最佳的發(fā)電階段在上午6點(diǎn)至下午15點(diǎn)，功率為3～14kW。第77個(gè)采樣點(diǎn)(5月29日)陰天，最大發(fā)電功率為8kW。這說(shuō)明光伏系統(tǒng)的發(fā)電只要有日照就應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)置。

(3)試運(yùn)行中，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)總共兩次并入市政電網(wǎng)，分別是在第113個(gè)采樣點(diǎn)(5月31日)和第164個(gè)采樣點(diǎn)(6月4日)。這兩次均是由于鋰電池的電池電量≤35%且發(fā)電設(shè)備輸出功率≤3kW，系統(tǒng)自動(dòng)切換至并網(wǎng)模式，由市電充電并供電。當(dāng)鋰電池的電池電量≥80%且鋰電池單體最低電壓≥3.1V時(shí)，微電網(wǎng)系統(tǒng)再次切換至孤網(wǎng)運(yùn)行。

(4)試運(yùn)行中，鋰電池儲(chǔ)能在第1次充電之前，盡管風(fēng)光發(fā)電單元能正常運(yùn)行，但鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電量仍呈下降趨勢(shì)。即使不遇到5月29日的陰天，鋰電池最終也需要市電為其充電。這說(shuō)明風(fēng)光系統(tǒng)為儲(chǔ)能系統(tǒng)提供的最低3kW的充電保證偏小或者充電的策略需要改變。

(5)試運(yùn)行中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的單電池溫度控制在24～27℃，單電池的最高和最低電壓也在3.4～3.8V的充放電狀態(tài)之中，屬于正常工作狀態(tài)。

3 微電網(wǎng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和步驟

3.1 微電網(wǎng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

通過240h試運(yùn)行的數(shù)據(jù)和初步結(jié)論，微電網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮三個(gè)要點(diǎn)。

(1)分析用戶的負(fù)荷特性，主要指標(biāo)為最大用電負(fù)荷和平均日發(fā)電量。用戶的最大用電負(fù)荷是選擇光伏逆變器額定功率的依據(jù)，而平均日發(fā)電量則是選擇風(fēng)機(jī)及光電板額定功率和蓄電池組額定功率的依據(jù)。

(2)獲取太陽(yáng)能和風(fēng)能的資源數(shù)據(jù)。項(xiàng)目地的太陽(yáng)能和風(fēng)能的資源數(shù)據(jù)是確定光電板功率、風(fēng)機(jī)功率以及設(shè)備布置的重要依據(jù)。

(3)計(jì)算蓄電池的額定容量。通過可開發(fā)風(fēng)光資源的發(fā)電量、用戶負(fù)載和儲(chǔ)能三者的匹配關(guān)系確定蓄電池的額定功率和持續(xù)放電時(shí)長(zhǎng)。

3.2 微電網(wǎng)的設(shè)計(jì)步驟

通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和初步分析，總結(jié)出以下設(shè)計(jì)步驟：(1)了解用電負(fù)荷特性，包括額定功率、負(fù)荷時(shí)段、最大用電負(fù)荷和平均日用電量等；(2)掌握當(dāng)?shù)仫L(fēng)能、太陽(yáng)能、天氣資料及地理環(huán)境數(shù)據(jù)，選擇風(fēng)機(jī)機(jī)型、光伏板型號(hào)及其逆變器、確定布置和安裝方式等；(3)根據(jù)用電的容量需求，確定風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電分擔(dān)的供電份額及發(fā)電規(guī)模；(4)選擇儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量，以滿足發(fā)電缺額、平抑峰谷以及負(fù)荷用電時(shí)長(zhǎng)等技術(shù)要求；(5)編制微電網(wǎng)的投資造價(jià)，計(jì)算發(fā)電成本和收益狀況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以筆者所在單位新能源產(chǎn)品組建的微電網(wǎng)示范項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，從整體上介紹了該微電網(wǎng)的架構(gòu)，分析了微電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，給出了風(fēng)光儲(chǔ)載構(gòu)成的微電網(wǎng)方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)步驟。該微電網(wǎng)設(shè)計(jì)側(cè)重于產(chǎn)品的整合和示范目的，架構(gòu)類型屬于交流母線型微電網(wǎng)系統(tǒng)，在系統(tǒng)優(yōu)化方面還存在較大的優(yōu)化空間，如可向系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率較高的直流母線型轉(zhuǎn)變，風(fēng)機(jī)輸出電壓可選擇380V輸出，光伏板選擇單晶硅或組串式逆變器等。