基于光伏電源和市電電源的交直流混合微網控制系統設計

孫國杰

（礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

隨著碳達峰碳中和目標的提出，中國密集出臺政策推進能源革命，推動低碳發展。中國電力結構低碳轉型的關鍵是可再生能源的發展。可再生能源未來將呈現爆發性增長，給電力系統的安全穩定帶來沖擊[1]。建筑結合零排放的光伏發電進行能源供應的系統中，無論是工業園區還是單棟建筑的微網系統，主流配電設計以交流配電或者直流配電的單一微網系統為主[2]。單一的微網系統無法根據接入負載進行靈活配置，適用性較差，無法滿足不同的使用場景。本文提出一種交直流混合微網架構及其控制系統，調配混合微網系統中所有電源側、負載側的變流器設備以及可調控末端電器，實現整個交直流混合微網系統的能源監測、顯示管理和維護功能。

1 帶儲能光伏并網系統

工業園區屋頂光伏資源豐富，傳統光伏發電普遍采用直接并網方式。但是，太陽能的利用具有不可預測性，導致電網潮流波動異常，嚴重時可能導致供電崩潰。另外，用電微網接入充電樁等大功率負載，會導致峰、谷差異增大，進而導致電力系統供需不平衡[3-4]。因此，建立“光伏+儲能+充電站”（簡稱光儲充）一體化系統是一種很好的解決方案。

1.1 光儲充交流微網系統架構

光儲充交流微網系統架構的常見形式如圖1所示。光伏組件通過單向直流/交流（DC/AC）變換器，接入380 V 低壓交流母線；儲能裝置通過雙向DC/AC變換器與光伏組件并聯接入母線。此系統架構下，分布式光伏就地消納，通過儲能的跨時調配，具備更平穩的輸出特性，有效減輕對電網的沖擊。在電網故障情況下，儲能可作為備用電源，保證微網內重要負荷的供電穩定[5]。但是，在此種網絡架構下，無論來自光伏發電系統還是儲能裝置，交流負載/新能源汽車電源都經過交流/直流（AC/DC）變換器、DC/AC 變換器多次交/直變換，能量轉換損耗大。另外，由于要考慮孤網運行備用容量，光伏容量超配，在正常運行模式下，光伏自發自用有巨大裕量，余電上網依然會造成一定的電網沖擊。

圖1 光儲充交流微網拓撲結構

1.2 光儲充交流微網運行模式

微電網運行模式需要結合項目實際運行工況和需求，運行策略合理是微電網可靠和經濟運行的保障[6]。常見的模式是并網運行模式，系統內發電、用電能量在并網點可以雙向流動。微電網對儲能充放電策略靈活調整，以彌補光伏發電量與負荷用量的不匹配[7]：當光伏發電量遠遠大于負荷用電量時，在儲能雙向AC/DC 變換器的控制下，儲能充放電僅用來瞬時平滑光伏發電波動，大部分光伏發電直接上網；當光伏發電量近似等于負荷用電量時，儲能模塊也主要用于平抑光伏發電波動，保障微電網電量實時平衡；當光伏發電量遠小于負荷用電量時，儲能裝置主要用于削峰填谷，即在晚上用電低谷時段充電，在白天用電高峰時段放電。

2 光儲直流配電微網系統

2.1 光儲直流配電微網系統架構

一般民用建筑及工業園區供電距離近，多采用典型的鏈式直流拓撲結構[8-9]，如圖2所示。此拓撲結構中，分布式光伏發電和儲能通過直流/直流變換器，以直流母線為分配核心，實現系統能量的智能調配[10]。此系統鏈式結構簡單，某些用電設備可很好兼容傳統的400 V 交流配電系統[11]。

圖2 直流配電微網拓撲結構

但是，此系統僅適用于分布式光伏發電與負載匹配性良好的情況。功率及電量均匹配良好，電能經過直流/直流（DC/DC）變換器一次變換，供直流負載使用。在電源與負載時間不匹配的情況下，儲能裝置和少量交流負載發揮調蓄作用。電能發、儲、配、用過程僅執行直/直轉換，省略直/交、交/直重復變換，大大減少能量轉換損耗[12]。分布式光伏發電與負載匹配性不好時，第一種情況是分布式光伏發電供能不足，直流負載、交流負載均需要從市電供能，電能經過AC/DC 變換器、DC/DC 變換器或DC/AC 變換器兩次變換，能量轉換損耗大；第二種情況是分布式光伏發電供能過剩，交流負載消耗或送入電網，電能同樣經過DC/DC 變換器、DC/AC 變換器兩次變換，能量轉換損耗大[13]。

2.2 直流配電微網運行模式

直流微網配電系統結構較為簡單，但是饋電線路有多個接入點，因此多換流器之間必然存在相互耦合的問題。研究表明[14]，直流配電系統的穩定性與網絡架構、變流器的控制策略與參數、電源及負荷的位置等因素密切相關。

常用直流微網控制策略分為兩層。第一層為微網系統控制，主要是微網能量層級的調配，具體對發電、用電、儲電功率傳輸以及微網母線電壓的整體策略控制；第二層為單元控制，主要對各變流器及可調控末端電器進行監控。當直流配電微網下層發生故障時，如分布式光伏發電發生故障，首先將故障線路切除，為避免整個微網系統出現短時功率跌落，控制儲能單元向直流母線傳輸功率，維持系統的功率平衡，減小電壓波動，增加系統的穩定性。

直流微網系統中，變換器及可調末端電器設備核心為電力電子器件，采用網絡通信傳輸方式是更加方便的。因此，直流微網控制系統多采用本地工控機（或嵌入式控制器）+云端部署的方式，具備友好的人機交互界面（HMI），具備云端遠程監控功能，具備必要的數據存儲和分析能力，具備開放通信協議及編程接口。

3 光儲交直流混合微網系統

3.1 交直流混合微網系統架構

交直流混合微網是指部分用電負荷、充電樁接入直流母線，其余用電負荷、充電樁接入交流母線。無法消納的光伏電力優先儲存于儲能裝置中，后根據微網用電需求，有效進行跨時電力調節。交流系統與直流系統可實現能量互濟。交直流混合微網配電系統拓撲結構如圖3所示[15]。

圖3 交直流混合微網拓撲結構

在直流微網中，直流母線（可設定為750 V）是微網能量分配核心[16]，電源側包括光伏電源、放電狀態的儲能電源，通過AC/DC 變換器接入的市電電源；負載側包括空調等直流接口、汽車直流充電樁和其他直流接口等。在交流微網中，電源側包括光伏電源、放電狀態的儲能電源，并聯接入的市電電源；負載側包括建筑交流接口、電動汽車交流充電樁、其他交流接口等。

與傳統光儲充交流微網或直流配電微網相比，交直流混合微網系統具有顯著的優勢：變換器設備高效合理利用，減少不必要的能量損失；交直流電源、負載根據需要，可靈活分別接入合適的系統；同時，通過交直流微網異構互聯措施，使得兩套光儲系統互為備用電源，確保負荷的供電可靠性。針對不同類型交直流負載的用電峰谷差異，進行負載跟蹤和輸出負荷校平，實現能源有效利用，增強交直流混合微網的柔性控制。

3.2 柔性能源管理平臺

交直流混合微網柔性能源管理系統采用分層設計，整個系統分為頂層、中層、底層三個層級。其中，頂層負責數據呈現及人機交互，中層為數據通信與系統軟件，底層為智能設備。

3.2.1 底層

底層主要由能源監測與柔性控制兩部分組成。能源監測包括建筑內的各類智能儀表（如水表、電表、流量計、燃氣表、蒸汽表等），借助通信技術，將設備的用能數據和運行數據上傳到本地或者云端數據中臺。柔性控制主要利用在設備端安裝的節能執行設備（如執行器、伺服器和控制器）或設備本身提供的遠程控制端口，遠程通過手動或自動（柔性用能策略或算法）的方式實現對設備運行狀態參數的控制調節。

3.2.2 中層

中層主要實現數據通信和系統軟件相關功能，如能源數據存儲、分析、處理及設備控制。數據通信包括現場設備與本地或云端數據庫的通信、數據庫與頂層數據展示前端的通信。系統軟件功能層面，首先將設備上傳的能耗及運行數據存儲到平臺數據庫中，然后開展數據多維度統計、系統效率分析、用能趨勢分析、用能時空分布特性分析、節能減排潛力分析、設備運行狀態分析等，最后根據能源數據分析結果，自適應地制定并執行相應的處理策略，生成具體的設備控制流程和命令，分發給對應底層設備，同時監測設備返回的執行結果，形成系統閉環控制。

3.2.3 頂層

頂層負責數據呈現和人機交互。數據呈現主要包括系統及系統內設備的實時運行狀態及參數呈現、歷史運行數據的多形式展示、系統運行日志的可視化呈現。人機交互一般包括用戶通過云端可視化界面遠程調整系統內設備的運行模式和參數、按照用戶設定條件進行數據的可視化呈現、系統用戶信息管理、權限分配、日志查詢等。

4 交直流混合微網運行實例

4.1 示范項目硬件平臺

示范項目為中國華南地區某綠色產業園綜合樓，范圍為2 層與4 層的8 個辦公區域，建筑面積為2 500 m2，使用凈面積為1 644.96 m2。光伏裝機峰值功率為56 kWp，配置光伏轉換器（DC/DC）的最大功率為55 kW；鋰電池儲能為300 kW·h，配置儲能變換器（雙向DC/DC）的功率為150 kW；直流母線接入負荷還包括2 臺功率60 kW 的直流充電樁、功率150 kW 的直流空調外機（恒壓750 V）；750 V 母線轉240 V 傳輸母線的直流變換器功率為30 kW，傳輸至單元辦公區直流配電箱，每個配電箱配置240 V 轉48 V 直流變換器（功率4.2 kW），空調內機及照明回路供電電壓均為直流48 V。

園區廠房屋頂敷設的光伏發電設備峰值功率共計1 173.15 kWp，3 個交流并網點與上述直流配電系統交流并網點位于同一變壓器下。因此，二者構成交直流混合微網系統。在此系統中，可根據微網具體用電需求，有效進行跨時電力調節。同時，交流系統與直流系統亦可實現能量互濟。

4.2 運行數據分析

典型氣象日夏日運行數據如圖4所示。通過運行數據分析，01∶00—08∶00，系統通過谷時電價向電池充電；08∶00—19∶00，日間電價逐步提高為峰時電價和平時電價，建筑主要通過光伏和電池供電，減少電網取電量；19∶00—23∶00 為夜間峰時電價，系統優先利用電池供電，不足部分從電網獲取；23∶00—24∶00，系統利用夜間谷時電價，開始利用電網電力向電池充電。該日光伏發電總量為384.62 kW·h，總負荷為1 153.60 kW·h，該時期，直流柔性建筑系統運行，幫助建筑進行充分光伏消納，實現削峰填谷的目標。

圖4 典型氣象日系統運行數據（2022年8月22日）

選取并對比全年多個典型氣象日運行數據，得到以下規律：直流微網系統在夏、秋兩季的直流負荷較多，太陽輻射較強，儲能等削峰填谷成效顯著，因此會有較好的經濟以及減碳效益；冬季，系統運行的直流電負荷最少，太陽輻射最弱，經濟以及減碳效益最差；春季，系統運行成效有所提升。總體來看，直流柔性建筑系統運行可節約建筑電費日均322.98 元（每平方米0.20 元/d），減碳日均115.86 kg CO2（每平方米0.070 kg CO2/d）。

目前，光伏交流微網系統與示范項目直流微網系統柔性能源管理平臺尚未實現融合，因此無法取得混合微網綜合運行數據。系統融合后，由于工業園區用電量大且負荷穩定，可穩定消耗交流以及直流微網中光伏發電，有效彌補原系統春季乃至冬季光伏發電量過剩的弊端。另外，由于光伏發電量充足，直流微網中300 kW·h 鋰電池可以更加高效利用，綜合調配電池充放策略，賺取更高的峰谷價差。因此，可以預見，系統融合實現交流微網、直流微網能量互濟，有效進行跨時電力調節將帶來更高的經濟、減碳效益，最終助力示范辦公樓實現零碳運行。

5 結語

響應“雙碳”目標，建筑行業正向以可再生能源為基礎的零碳能源系統轉變。在此大背景下，在建筑用能模式上創建一種新型的交直流混合微網架構及其控制系統，在高效消納可再生能源、減少交直轉換電量損失、減輕城市電網負荷、實現電網負荷削峰填谷等方面具有顯著優勢，其必將成為新型建筑電力系統的重要支撐。