園區風光儲充微電網設計與應用

摘" 要：該文結合園區用能結構及實際用能需求，設計一套園區風光儲充微電網系統。此系統包含風電、光伏、儲能、充電樁及負荷系統等關鍵元素，將風力和光伏發電等清潔能源發電系統作為園區新的電能補充，可一定程度上緩解用能高峰時用電緊張的情況，同時降低向電網購電量和用能成本;通過配置一定容量的電化學儲能系統，實現園區用能結構的能量時移、波動平滑及備用電源支撐等多重功能;設計的充電樁系統作為交流負荷對微電網系統接入的負荷研究，結合園區負荷情況，實現對園區微電網電能結構的就地消納和資源的最大化利用。該系統可有效緩解園區能源供需矛盾，提高能源供需協調能力，推動清潔能源就近消納，滿足園區多樣化用能需求，具有良好的推廣前景。

關鍵詞：風光儲充;微電網;能量管理系統;光伏發電系統;系統設計

中圖分類號：TM714" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0049-04

Abstract： According to the energy structure and actual energy demand of the park， a set of park wind-solar storage and charging microgrid system is designed. The system includes key elements such as wind power， photovoltaic， energy storage， charging pile and load system. Clean energy generation systems such as wind power and photovoltaic power generation are used as new power supplements in the park， which can alleviate the shortage of power consumption at the peak of energy consumption to a certain extent and reduces the power purchase and energy consumption cost from the power grid. By configuring the electrochemical energy storage system with a certain capacity， the multiple functions of the energy structure of the park， such as energy time shift， fluctuation smoothing and backup power support， are realized. The designed charging pile system is used as the load research of AC load access to the microgrid system. According to the load situation of the park， the local absorption of the park microgrid power structure and the maximum utilization of resources are realized. The system can effectively alleviate the contradiction between energy supply and demand in the park， improve the coordination ability of energy supply and demand， promote the nearby consumption of clean energy， meet the diversified energy needs of the park， and thereby has a good promotion prospect.

Keywords： wind-solar storage and charging; microgrid; energy management system; photovoltaic generation system; system design

隨著智能電網建設的逐步全面推進，在分布式電源、微電網、能源互聯網和電動汽車等新興元素不斷發展的情況下，傳統配用電網正在發生巨大的變化，面臨新的形勢。相對于光伏發電，微電網是分布式電源、儲能裝置、智能配電系統的結合[1-2]。當前微電網產業已經進入快速增長期，必將成為我國以新能源為主體的新型電力系統的重要組成部分[3-4]。

為積極貫徹并加快推進新型電力系統建設工作部署，本文以科技園區為示范地點，設計建設集分布式風力發電、光伏發電及儲能及充電樁智慧管理控制管理系統為一體的先進綜合能源系統。以園區配電負荷和電價情況作為基本出發點，從系統的拓撲結構、自動化系統網絡結構、并離網運行策略等方面對該工程項目的設計和應用的主要特點進行了分析，重點給出了園區設計建設微電網的基本思路構架、考量的關鍵元素和關鍵點，重點解決企業的用電成本高和重要負荷可靠供電的問題。

1" 建設背景

園區微電網的設計和應用，綜合考慮到園區廠房布局結構、資源稟賦[5]和應用場景等諸多因素，本微電網項目旨在降低企業能耗，減少企業用電成本，降低碳排放，微網儲能系統作為企業備用電源，提高園區供電可靠性。

1.1" 配電及負荷情況

本設計項目所在地主要由辦公樓、試驗樓及酒店組成，占地面積為65萬m2，園區配電電源由就近10 kV開閉所引入，以一回電壓等級為10 kV的線路接入園區配電房，接2臺容量為2 000 kVA和2 500 kVA變壓器（5#變和4#變）。

園區年用電量約為330萬kWh，用電負荷分為園區照明辦公用電、動力用電和試驗用電等。其中，照明辦公包括照明燈具、辦公插座、中心機房、災備機房及弱電系統（視頻監控、門禁系統等），動力用電包括空調主機、空調風系統、空調水系統等，試驗用電包括高低溫箱等試驗用電。

工作日24 h平均負荷為359.53 kW，工作日工作時間（8：00—18：00）平均負荷為446.42 kW;節假日24 h平均負荷為270.17 kW。冬季空調制暖采用天然氣鍋爐形式，夏季采用電空調（電空調外機容量為600 kW），夏季負荷較冬季將有相應增長。

1.2" 電價情況

按照河南省電網銷售電價表（豫發改價管〔2018〕306號）中“變壓器容量315千伏安及以上用電”“1—10千伏”檔計入電價，為0.616 03元/千瓦時，無峰谷電價。

根據《國家發展改革委關于2018年光伏發電項目價格政策的通知》要求，2018年1月1日以后投運的、采用“自發自用、余量上網”模式的分布式光伏發電項目，全電量度電補貼標準降低0.05元，即補貼標準調整為每千瓦時0.37元（含稅）。

綜上所述，本項目光伏系統投資收益價值較低，根據園區負荷情況，自發自用占比越高，其投資收益越大。由于沒有峰谷電價，儲能系統無法峰谷套利，可利用園區用電價格和上網補貼價格的差額，進行儲能充放電控制策略來增加收益。

2" 總體方案設計

根據園區負荷情況及微電網就地消納的基本原則，結合園區場地空間條件，安裝分布式風電、光伏、儲能和電動汽車充電樁，與現有的配電設施、用電負荷、監控和保護裝置等組成一套微電網，優先使用風力、光伏提供的電能，當光伏系統出力不足時由儲能系統供電，集約用能，有效降低變壓器總裝機容量和園區用電成本。

微電網系統包含2個子系統，1#子系統為712 kWp光伏發電系統，2#子系統為由285 kWp光伏、250 kW/600 kWh儲能、1臺5 kW風機及2臺160 kW直流充電樁組成的智能微電網，其中光伏系統使用屋頂面積約14 200 m2。

微電網系統用電拓撲形式可分為交流母線、直流母線及交直流母線混合形式，基于交流母線形式的架構相對簡單且技術較為成熟，工程造價相對較低等綜合因素，適用于工程現場應用。因此，采用低壓380 V用戶側并網，運行模式以自發自用為主，余電上網。園區微電網系統拓撲如圖1所示。

綜上所述，本項目微網是以光伏為主要發電設備、儲能系統作為儲能設備、充電樁及園區負荷為負載的交流微電網。能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統[5]，既可以與外部電網并網運行，也可以孤立運行。

3" 自動化系統設計

微電網自動化系統涵蓋云平臺系統、監控系統與能量管理系統[6-7]，微電網網絡結構如圖2所示。

3.1" 云平臺系統

考慮微電網遠程運行維護及數據調閱需求，云平臺系統具備高吞吐量的數據處理能力，能實現與微電網能量管理系統和微電網監控系統的互聯互通，同時，可提供數據可視化和數據統計、故障診斷、能效評估、負荷預測、安全預警等服務。云平臺系統如圖3所示。

3.2" 微電網監控系統

微電網監控系統利用計算機對微電網的運行過程進行實時監視和控制，微電網監控系統與云平臺及微電網能量管理系統進行數據交換，將微電網設備運行數據上傳給云平臺及微電網能量管理系統。包括數據采集、數據庫管理、人機界面和報表處理等。監控主要信息包括系統狀態監測、系統檢測和系統告警，能夠實時獲取各逆變器工作狀態、有功功率、發電量等，儲能系統的SOC值、充放電功率等信息。

3.3" 能量管理系統

微電網能量管理系統應在保證微電網安全穩定運行的基礎上以經濟優化運行為目標，對微電網系統的發電、配電以及用電進行管理和運行結果分析。微電網能量管理系統具備分布式電源管理、發用電計劃、電壓無功管理、統計分析與評估，以及風光儲聯合運行、電能質量監測與管理等高級應用功能等功能。

考慮園區能量的優化調度，對微電網內部能量進行調度控制，維持微電網功率平衡，實現微電網的并網/離網模式切換，保證供電系統的安全穩定運行。能量管理系統如圖4所示。

4" 微電網并網運行調度優先級

當光伏出力大于園區負荷時，微電網優先使用光伏系統電力，光伏出力不足以給園區負荷供電時，在儲能電量滿足放電需求情況下進行儲能放電，當光伏和儲能電量都不足以維持園區負荷時從電網取電。

基于用電綜合性成本及能源利用角度考慮，儲能系統采用并網不上網的用電方式，同時儲能利用光伏發電對其進行充電，不從電網取電來充電。微電網運行調度優先級如圖5所示。

5nbsp; 微電網離網控制

微電網EMS系統應能夠協調光伏、風電、儲能及保障性負荷在離網狀態下的穩定運行。在外網斷電的極限情況下，儲能系統需為園區內保障性負荷提供電源。

并網運行時，園區為單一電價，無需量費，儲能無峰谷套利空間。減少費用的措施，僅為最大可能利用光伏和風機發電。考慮儲能的轉化效率，正常情況下，儲能僅利用光伏多余電量進行充電，不從電網取電充電，儲能充滿電后，光伏余電上網;儲能在固定時段按需放電。

微電網離網控制，考慮園區保障性負荷不嚴格要求不間斷電源供電，且部分并網開關不具備遙控分合閘功能，開關位置信號不能全部接入等實際情況，同時基于安全考量，手動進行離網操作。

園區產生主動離網需求或被動離網時，受到儲能變流器額定功率的限制，需考慮保電負荷的最大瞬時功率是否在儲能離網電量的可承受范圍內，待儲能離網控制由并網下的PQ模式切換為VF模式，為保電對象提供電壓頻率支撐后，設置光伏系統設定為限功率模式，通過疊加光伏系統的電量可帶載更大功率負荷。

6" 結論

本文結合園區用能結構和實際用能需求，從提高園區微電網系統的安全穩定運行能力和經濟效益角度出發，設計了一套園區級風光儲充微電網系統，并對系統的建設背景、設計方案、微電網自動化系統和并離網控制進行了詳細地說明和分析。

該微電網已在園區成功應用，系統的運行效果達到了預期目標，預計光伏系統年發電量為120萬kWh，儲能系統按照一天充放電一次和放電深度80%考慮，預計年發電量為12萬kWh，共計132萬kWh電，可滿足園區40%的用電需求，實現了發電量最大化就地消納，降低了園區的用電成本，提高了園區重要負荷的供電可靠性，所提系統設計方案和控制方法合理有效。

參考文獻：

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