離網型光伏全直流微電網的設計與實踐

趙春江，彭慈華，于文英

(1. 上海電力大學太陽能研究所，上海 200090；2. 上海市太陽能學會，上海 200030)

0 引言

隨著可持續發展理念逐步深入人心，傳統的化石能源在環保和能源持續供給2個方面都已經無法滿足人類的長遠發展，先進國家紛紛開始對其能源結構進行調整。中國在調整能源結構的同時，提出了碳達峰和碳中和兩大目標。而要完成此“雙碳”目標，必須減少傳統化石能源的使用，逐漸采用綠色的可再生能源進行替代，并且將隨著社會的經濟發展和人們對能源需求的不斷增長而持續增加可再生能源的投入。

可再生能源的遍散性很適合采用分布式發電方式。隨著可再生能源分布式發電技術的推廣應用，為了解決光伏發電和風力發電的波動及間歇性等問題，較好的方式是采用微電網形式，即在分布式發電系統中的硬件部分加入儲能系統和輔助電源來構成微電網形式；在軟件部分加入家庭能源管理系統(HEMS)、工廠能源管理系統(FEMS)、城鎮能源管理系統(CEMS)等，并結合互聯網和物聯網技術，加強微電網的運行管控。另外，隨著電動車的大規模普及，把電動車作為機動儲能組納入微電網，參與整體的電能調劑，既可以降低微電網的構建成本，又可以進一步促進電動車產業的發展。

以可再生能源為發電主體的微電網技術的研究和創新已歷經了10多年，從已發表的文獻來看，既有仿真研究[1-2]，也有系統設計、實機運行和相關設備的研究，研究成果也陸續應用于各種應用場景中[3-7]。

從發電到供電全部采用直流線路的全直流微電網是一種獨立性很強的分布式電源網絡。該電源網絡可采用光伏發電、生物質發電、燃料電池發電等直流發電方式，然后與蓄電池組等儲能(電)裝置進行合理組合，再加入計量和控制裝置，形成微電網。全直流微電網采用模塊化設計，既可以獨立于大電網，也可以采用并網而不上網的方式，且不需要長距離輸電線(纜)和架空鐵塔等大型設備，可以節約項目的投資成本，還可以避免大型發電設備運往島嶼和山區的困難，其設備運輸和施工都很方便快捷。全直流微電網非常適合用于安裝地點離用電地點很近而離電網較遠的農舍、農村個體養殖場、山區養殖場、山間寺廟、遠離生活區的環保型農業項目和通信基站、勘探考察隊、高山哨所、野戰營區等，還可以作為應急電源用于疫情隔離區、方艙醫院和野戰醫院等。即使在電力網絡發達的地區，考慮到天災人禍(戰爭)和限電、停電等特殊情況，這種微電網也是比較安全和經濟的選擇。

本研究在合作單位的大力支持下，基于早期的并網型微電網研究基礎，在上海市某別墅區設計并建設了一套4 kW的離網型光伏全直流微電網實驗系統，目的在于通過實機運行進行數據分析和研究，找出一些有規律的影響因素和相關關系，為將來的推廣工作提供設計依據。本文對該離網型光伏全直流微電網實驗系統進行了介紹，并對其實機運行數據進行了分析和討論。

1 離網型光伏全直流微電網實驗系統的設計與構成

離網型光伏全直流微電網實驗系統由發電單元、儲能單元、能源管理控制器和用電負載構成，其拓撲結構如圖1所示。圖中：K1、K2均為斷路器；M1～M5均為計量表；S1～S6均為繼電器；SV為電磁閥；D為防反二極管；F1為熔斷器；LIB為鋰電池組；LVS為低壓中轉站；FC為燃料電池。

圖1 離網型光伏全直流微電網實驗系統的拓撲結構Fig. 1 Topological structure of off-grid type PV full DC microgrid experimental system

下文針對發電單元、儲能單元、能源管理控制器及其控制策略、用電負載這4部分進行詳細介紹。

1.1 發電單元

離網型光伏全直流微電網實驗系統的發電單元主體是裝機容量為4 kW的光伏方陣，以500W48V的質子交換膜(PEM)燃料電池作為輔助電源。光伏方陣的外觀實景如圖2所示，PEM燃料電池單元電堆實物圖如圖3所示。

圖2 光伏方陣外觀實景Fig. 2 Actual appearance of PV array

圖3 PEM燃料電池單元電堆實物圖Fig. 3 Image of stack of PEM fuel cell unit

該光伏方陣采用5塊光伏組件串聯、2串光伏組串并聯的連接方式，標準工作電壓和標準工作電流分別為164.2 V和18.88 A；配備2臺耐壓240 V、輸出電壓和電流可調的最大功率點跟蹤(MPPT)控制器，輸出電壓分別設定為DC56 V和DC98 V，可分別給48 V負載和90 V電動車供電。

PEM燃料電池單元配備有500 W電堆和容量為40 L、壓力為150 kg的儲氣瓶，加一次氫氣可有效發電7 kWh，其主要作用是給24 V負載和低壓轉換站的重要負載(如電腦等)補電。

1.2 儲能單元

離網型光伏全直流微電網實驗系統的儲能單元包括固定儲能組和機動儲能組2個部分。固定儲能組由2組48V10kWh磷酸鐵鋰離子梯次動力電池組(下文簡稱為“48 V蓄電池組”，其為主電源)和1組24V5kWh的磷酸鐵鋰離子梯次動力電池組(下文簡稱為“24 V蓄電池組”，其為副電源)和電池管理系統(BMS)構成，在接受發電單元充電的同時可分別給48 V負載和24 V負載供電，充放電倍率設計為0.3 C以下。另外，采用小型電動車14 kWh的動力電池組作為機動儲能組，在微電網嚴重缺電的情況下，固定儲能組接受來自機動儲能組的反哺補電。

1.3 能源管理控制器及其控制策略

離網型光伏全直流微電網實驗系統的能源管理控制器配備有全球遠程控制模塊，可在任何有網絡的地方通過遠程通信對微電網實驗系統運行情況進行實時監控，還可在緊急情況下修改運行參數進行人工干預，切斷或閉合電路，可執行合理用電、控制燃料電池單元的啟動時機、缺電報警、電池保護等任務，其各項功能都由繼電器執行完成。由于蓄電池組電壓與荷電狀態(SOC)有密切關系[8]，因此以固定儲能組電壓作為能源管理控制器的主要控制參數。研究組開發的能源管理控制器和遠程控制模塊如圖4所示。

圖4 研究組開發的能源管理控制器和遠程控制模塊Fig. 4 Energy management controller and remote control module developed by research group

48 V蓄電池組的電能儲量E與充電電壓V之間的關系及繼電器的各控制點如圖5所示(因梯次動力電池性能具有離散性，圖中曲線關系式僅供參考)，圖中：C1～C4均為繼電器控制點。

圖5 48 V蓄電池組的E-V關系及繼電器各控制點Fig. 5 E-V relationship of 48 V storage battery pack and each control point of relay

繼電器可分為削峰繼電器、主電源(48 V)繼電器、報警繼電器、機動負載繼電器、燃料電池工作繼電器和副電源(24 V)繼電器。

各繼電器動作的設計思路具體為：

1)削峰繼電器(動作點C4附近)。當蓄電池組電能儲量在峰值附近徘徊時，伴隨的是儲能效率大幅下降、蓄電池組溫度上升，將嚴重影響蓄電池組的使用壽命。此時，需要讓削峰繼電器閉合，把一部分電能用于日常進行數據采集和處理的電腦機房的通風降溫，如此既改善了機房的工作環境，又避免了蓄電池組充電電壓假象上升的“啤酒沫”現象。

2)主電源(48 V)繼電器(動作點C1附近)。對電源進行供電管理，并保護蓄電池組，防止過放電。當蓄電池組放電到臨近下限值(42～43 V)時，繼電器斷開，停止向用電負載供電；當蓄電池組電壓恢復到44 V時，繼電器閉合，重新開始供電。

3)報警繼電器(動作點C1附近)。當主電源因電壓低而斷開并停止向常用負載供電時，由于能源管理控制器還在持續工作，監視著各監測點的電壓變化，需要消耗電能，因此蓄電池組的電壓因向能源管理控制器供電而繼續下降；當電壓下降到下限值(設定為41 V)時，繼電器動作，蜂鳴器鳴響，提醒用戶電壓再繼續下降將會影響蓄電池組的使用壽命，甚至造成控制器失電，此時需要人為地強行關斷控制器電源或補充電能。

4)機動負載繼電器(動作點C2和C3附近)。當48 V蓄電池組電壓上升到設定值C3時，繼電器閉合，向機動負載供電。由于機動負載都是大功率負載，因此要控制機動負載用電量，防止其用電過度。設計上通過調整繼電器動作設定值，使機動負載始終運行在48 V蓄電池組的高容量區域，當48 V蓄電池組電壓降低到設定值C2時，該繼電器自動斷開，停止向機動負載供電，以保證常用負載的用電。

5)燃料電池工作繼電器。當作為副電源的24 V蓄電池組的電壓降到設定值時，該繼電器閉合，啟動氫氣供氣電磁閥，向PEM燃料電池單元電堆供氣，繼而由電堆通過MPPT給24 V蓄電池組補電。

6)副電源(24 V)繼電器。主要防止24 V蓄電池組過放，當該蓄電池組電壓下降到下限設定值時，繼電器斷開。由于有燃料電池自動補電和電動車反哺補電設計，該繼電器幾乎不會動作。

由于反哺補電頻度不高，且操作簡單，為了降低離網型光伏全直流微電網實驗系統的成本并提高安全性，反哺補電設計為手動操作。

1.4 用電負載

離網型光伏全直流微電網實驗系統的用電負載分為常用負載和機動負載兩大類，常用負載為24 V負載和48 V負載(不含3000 W便攜式逆變器)，機動負載為96 V負載和3000 W便攜式逆變器。不同負載的規格如表1所示，3000 W便攜式逆變器的負載如表2所示。

表1 不同負載的規格表Table 1 Specification table of different loads

表2 3000 W便攜式逆變器的負載Table 2 Load of 3000 W portable inverter

常用負載分為可斷電負載和不可斷電負載，可斷電負載主要指對日常生活無大影響，若使用可以改善生活，偶爾不用對生活也無大礙的負載，比如：除濕機、空氣凈化器、裝飾性照明等。可斷電負載通常按日常用電需求和生活習慣由用戶自主管理。

機動負載的供電由能源管理控制器根據48 V蓄電池組的電壓判斷其儲電量進行管控。機動負載的定義實際接近于可斷電負載，其特點是允許間斷性用電，且斷電時間可以長一些，比如：電熱水器的用電和電動車的充電。由于機動負載的功率和用電量都比較大，通常被控制在48 V蓄電池組儲電量比較富集的電壓區域內工作。從圖5可以看出，48 V蓄電池組的儲電量基本集中在48～54 V之間，占額定儲電容量的80%左右，因此設計上讓機動負載工作在該電壓區間。

隨著光伏發電技術大規模推廣應用，光伏電力在整個電網中的占比將會越來越大，最終會成為人類生活和工作的主要電力來源。光伏電力為直流電，在這種情況下，把光伏直流電逆變成交流電提供給用戶，再在用戶端整流成直流電提供給電動車及眾多的家用直流用電器似乎不盡合理。考慮到交流用電器向直流用電器過渡需要一個歷史期間，在此期間，對于沒有相應直流產品的家用交流用電器和還在留用的家用交流用電器，可以局部設置1臺便攜式逆變器(離網逆變器)提供交流電。

2 離網型光伏全直流微電網實驗系統的運行結果與分析

2.1 電動車的充電和反哺補電

電動車的充電方式為即插即充，在光伏方陣的輸出功率較大的時間段內，電動車可以隨時、直接接受來自MPPT控制器的直流電進行充電。根據實驗結果，電動車的充電效率ηc可表示為：

式中：P為電動車的充電功率或MPPT控制器的輸出功率；a為充電回路損耗和充電控制器消耗。

由于a值的變化不大，因此當把a視為常數時，電動車的充電功率越大，電動車的充電效率越高。但是充電功率受到2個方面的限制，一是光伏方陣輸出功率是有限值的，二是設計的電動車充電倍率最大值為0.2 C，因此電動車的充電效率只能維持在一個較高的范圍內而無法繼續提高。當天氣轉陰或太陽西下時，MPPT控制器的輸出功率下降，電動車的充電效率隨之下降。另外一個因素也會造成電動車充電效率的下降，即由于48 V蓄電池組配備的MPPT控制器和96 V機動儲能組配備的MPPT控制器設計成并聯組合，常態下二者平衡分流，在電動車動力電池組的充電進程中，隨著其SOC值逐漸升高，充電阻力逐漸增大，來自光伏方陣的電流傾向于朝48 V蓄電池組灌輸，導致電動車充電電流減弱，充電倍率自動下滑，充電效率同步下降。電動車充電倍率隨SOC變化的變化情況如圖6所示。

圖6 電動車充電倍率隨SOC變化的變化情況Fig. 6 Change of electric vehicle charging rate with SOC

從圖6可以看出，電動車的充電效率在SOC接近95%左右時下降尤其明顯，因此，把電動車充電截止的SOC值設定在95%，這樣既可以避免動力電池組過充造成火災等事故，又可以有效利用MPPT控制器的輸出，提高整個離網型光伏全直流微電網的電能使用效率。電動助動車與電動車同時充電的狀況如圖7所示。

圖7 電動助動車和電動車同時充電的狀況Fig. 7 Simultaneous charging of electric moped and electric vehicle

在連續陰雨天的情況下，盡管光伏方陣仍然有電能輸出，但不足以維持日常用電，只能依靠儲能單元持續輸出進行補充供電。隨著電能的持續釋放，儲能單元所儲電量逐漸下降，此時為了確保穩定供電，可以讓電動車反哺為儲能單元補充電能。反哺補電操作與充電大體相同，只是路徑不同，需切換路徑，電流流向也正好相反。反哺電借助燃料電池單元用的MPPT3降壓后供給24 V蓄電池組和24 V蓄電池組下游的負載，這樣可以省去1臺DC/DC；電動車的反哺補電倍率控制在0.2 C左右。

2.2 實機運行和測試結果

通過近半年的實機運行測試，確認了離網型光伏全直流微電網實驗系統運行非常穩定，主要性能指標變化不大。由于11月屬于上海地區典型的秋冬季節氣候，晴天數和陰雨天數適中，因此在2021年11月，對離網型光伏全直流微電網實驗系統進行了為期1個月的完整運行記錄，并對記錄結果進行了匯總及分析。2021年11月上海地區的晴雨天記錄如表3所示。實機運行測試自11月1日06:00開始，至11月30日17:00結束，分析結果如表4所示。

表3 2021年11月上海地區的晴雨天記錄Table 3 Records of sunny and rainy days in Shanghai in November 2021

表4 2021年11月離網型光伏全直流微電網實驗系統實機運行測試的分析結果Table 4 Analysis results of real machine operation test of off-grid type PV full DC microgrid experimental system in November 2021

離網型光伏全直流微電網實驗系統在經歷了11月4—7日持續4天的陰雨天后，于11月7日傍晚進行了一次電動車反哺補電，補電量為3.5 kWh，電動車SOC從75%下降到了50%，還能安全行 駛60 km以上。整月運行期間，副電源沒有出現過欠電現象，因此燃料電池繼電器沒有動作。為了維持燃料電池的長期性能，根據燃料電池的使用要求做了5 min左右的維護性運行。

從表4可以看出，繼電器等控制器件的耗電量約占離網型光伏全直流微電網實驗系統總發電量的5%，對微電網能效比的影響不小。因此，需要采用一種只在動作時耗電、達到穩態后不再耗電的繼電器或開關。

另外，經檢測發現，減少電纜接點并提高接線質量，降低連接電阻，可減少回路損失，提高光伏發電效率和微電網能效比。

2.3 加強微電網的運行管控

在能源管理方面，現代互聯網和物聯網技術給邊遠地區微電網的遠程控制運行和售后運維服務帶來了極大的便利，利用互聯網和物聯網引入遠程控制和人機對話機制，在管理側和用戶側之間通過互聯網和物聯網進行信息交流，指導用戶合理用電，并通過遠程控制實現微電網無線管理。對應于各個應用場景，能源管理系統中的控制參數可由用戶根據需要實時設定，使系統運維更為便捷。在日本東京的遠程控制實驗結果表明，通過位于上海的微電網控制管理中心就可以實現對西藏或新疆有網地區的微電網實機運行監控和運行參數的實時在線修改。

3 結論

從早期的并網型光伏微電網到如今的離網型光伏全直流微電網的研究已經持續了10年，其間經歷了由光伏單元、超級電容、PEM燃料電池和鋰離子電池組成的四電池系統的實驗研究，以及由光伏單元、PEM燃料電池和鋰離子電池組成的三電池系統的實驗研究，積累了比較豐富的實驗數據和實踐經驗。對該微電網的設計、組建和實機運行測試只是一個階段性工作，現總結如下：

1)光伏方陣至MPPT輸出端的發電效率為92%左右，微電網實際能效比為84%左右，且通過技術優化和設備質量的改進，有望進一步提高。

2)連續數月的運行表明，該微電網基本能滿足日常用電需求，利用電動車反哺補電，陰雨天也能保證年均日用電量的60%的用電要求。如提高燃料電池運行率，則可進一步提高供電滿意度。

3)離網型光伏全直流微電網雖然增加了儲能系統和MPPT控制器，但可以免去逆變器和終端直流用電器的整流器，社會效益和資源效益明顯。

4)在能源管理方面，利用互聯網和物聯網引入遠程控制和人機對話機制，在管理側和用戶側之間通過互聯網和物聯網進行信息交流，指導用戶合理用電，并通過遠程控制實現微電網無線管理。對應于各個應用場景，能源管理系統中的控制參數可由用戶根據需要實時設定，使系統運維更為便捷。

5)在采用電壓等級這個問題上，母線電壓高有多種優點，但是從安全角度和使用便利性考慮，進入用戶側之前可以采用較高的輸電電壓，進入用戶側以后，采用48 V規格比較適中。

6)電力的瞬間波動和短期不平衡都可以由儲能單元通過吸納和釋放來調節，但長周期陰雨天和晴天的電力使用因受到用戶用電量和儲能單元容量的限制，其平衡調整比較困難，這一點將是下一步研究工作的重點。