光伏-儲能聯(lián)合微網(wǎng)系統(tǒng)工程方案設(shè)計

張洋1，李強2，李朝暉2，楊海晶2，馬宏偉3，李明慧4

（1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450011；2.河南電力試驗研究院，河南鄭州450052；3.北京許繼公司，北京100085；4.東北電力大學(xué)，吉林吉林132012）

　　摘要：提出分布式發(fā)電光伏-儲能聯(lián)合微網(wǎng)系統(tǒng)總體設(shè)計方案，進(jìn)行了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和微網(wǎng)控制管理系統(tǒng)設(shè)計。重點介紹了光伏電池陣列、并網(wǎng)逆變器、儲能裝置充放電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)容量規(guī)劃、微網(wǎng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、光儲聯(lián)合微網(wǎng)系統(tǒng)整合運行等設(shè)計內(nèi)容。本工程將建設(shè)一個分布式光伏電源、儲能系統(tǒng)友好接入電網(wǎng)，實現(xiàn)微電網(wǎng)雙向潮流環(huán)境下控制保護協(xié)調(diào)工作的系統(tǒng)。

　　0引言

　　隨著光伏、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，分布式發(fā)電日漸成為滿足負(fù)荷增長需求、提高能源綜合利用效率、提高供電可靠性的一種有效途徑，并在配電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。但分布式發(fā)電的大規(guī)模滲透也產(chǎn)生了一些負(fù)面影響，如單機接入成本較高、控制復(fù)雜、對大系統(tǒng)的電壓和頻率存在沖擊等。這限制了分布式發(fā)電的運行方式，削弱了其優(yōu)勢和潛能。微網(wǎng)技術(shù)為分布式發(fā)電技術(shù)及可再生能源發(fā)電技術(shù)的整合和利用提供了靈活、高效的平臺。

　　光儲聯(lián)合微網(wǎng)工程結(jié)合河南金太陽示范工程，選擇某高校七棟學(xué)生宿舍樓共500kWp建設(shè)規(guī)模，進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和微網(wǎng)控制管理系統(tǒng)研究和設(shè)計，完成分布式光伏儲能發(fā)電接入工程總體技術(shù)方案，為實現(xiàn)綠色光伏電源無障礙并網(wǎng)提供技術(shù)指導(dǎo)。

　　以下對工程的發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和微網(wǎng)控制管理系統(tǒng)方案設(shè)計進(jìn)行重點描述。

　　1總體設(shè)計方案

　　系統(tǒng)將采用分布式并網(wǎng)的設(shè)計方案+儲能微網(wǎng)系統(tǒng)，將500kWp系統(tǒng)分成2個250kW并網(wǎng)發(fā)電單元，通過2臺250kW并網(wǎng)逆變器接入0.4kV交流電網(wǎng)，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電[1-2]。并網(wǎng)發(fā)電示意圖如圖1所示。

　　2發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1光伏電池陣列設(shè)計

　　系統(tǒng)的電池組件選用功率為230Wp的多晶硅太陽電池組件，工作電壓約為29.5V，開路電壓約為37V。根據(jù)250kW并網(wǎng)逆變器的MPPT工作電壓范圍（450V～820V），每個電池串列按照20塊電池組件串聯(lián)進(jìn)行設(shè)計，每個250kW的并網(wǎng)單元需配置56個電池串聯(lián)組并列，1120塊電池組件，其功率為257.6kWp；整個500kWp系統(tǒng)需要112個電池串聯(lián)組并列，共2240塊電池組件。

　　2.2并網(wǎng)逆變器設(shè)計

　　發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計為2個250kWp的逆變器光伏并網(wǎng)發(fā)電，整個系統(tǒng)配置2臺該型號的光伏并網(wǎng)逆變器，組成500kWp并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

　　逆變器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，并網(wǎng)逆變電源通過三相全橋變換器，將光伏陣列的直流電壓變換為高頻的三相斬波電壓，并通過濾波器濾波變成正弦波電壓，接著通過三相變壓器隔離升壓后并入電網(wǎng)發(fā)電。為了使光伏陣列以最大功率發(fā)電，在直流側(cè)加入了MPPT算法[3]。

　　3儲能系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1儲能裝置選擇

　　綜合比較各種儲能技術(shù)在新能源分布式發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用特點，全釩液硫電池在功率配比、循環(huán)使用壽命、使用費用等各個方面，均比較適合本項目的設(shè)計要求，因此，設(shè)計方案采用液流電池。

　　3.2儲能裝置充放電系統(tǒng)

　　對于儲能系統(tǒng)，設(shè)計采用雙向逆變器實現(xiàn)釩電池儲能系統(tǒng)與交流母線的能量交互。雙向逆變器采用逆變/充電一體機可以實現(xiàn)純正弦波輸出交流電壓，以及在交流逆變器中集合了蓄電池充電功能、交流自動切換開關(guān)等。由于它具有與電網(wǎng)并網(wǎng)運行或脫離電網(wǎng)單獨運行的雙重功能，雙向逆變器能夠與光伏發(fā)電系統(tǒng)一起，提供全天候或備用電能。

　　該儲能系統(tǒng)配置的監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控范圍覆蓋溫度、電流、電池容量等各方面。對于儲能系統(tǒng)的各主要運行部位的溫度，采用高精度溫度傳感器實時測量系統(tǒng)溫度，針對釩電池儲能系統(tǒng)，電解液循環(huán)速度亦有精確的傳感器進(jìn)行實時測量和反饋，以保證系統(tǒng)運行平穩(wěn)高效。充、放電電流實時測量，系統(tǒng)同時實時監(jiān)控電壓值，以保證系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)下，延長系統(tǒng)使用時間。所有的監(jiān)控數(shù)據(jù)均由子系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合之后通過通訊總線系統(tǒng)將監(jiān)控數(shù)據(jù)實時傳輸給微電網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)。

　　3.3儲能系統(tǒng)容量規(guī)劃

　　該高校平均用電負(fù)荷約2.4MW，學(xué)校日用電高峰在17:00，用電低谷在2:30。負(fù)荷特性曲線如圖3所示。

　　儲能系統(tǒng)以平滑光伏電站的輸出波動和提高供電可靠性為主要目的[4]，將光伏波動抑制在10％以下，則功率最優(yōu)配比在15%~20％之間，儲能容量2h以上。考慮微網(wǎng)系統(tǒng)對于儲能的要求不僅僅是出于平滑光伏電站出力波動的目的，而是為了實現(xiàn)微網(wǎng)獨立自治運行，所以儲能的規(guī)模要比只完成平滑出力波動或者擬合負(fù)荷曲線時要大[5]。結(jié)合負(fù)荷分布情況，儲能系統(tǒng)容量配置為100kW/200kWh。

　　4微網(wǎng)控制管理系統(tǒng)方案設(shè)計

　　4.1微網(wǎng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)（圖4）

　　整個微電網(wǎng)通過雙回線與配電系統(tǒng)相連，微網(wǎng)內(nèi)部采用輻射狀供電方式，其中行政樓和實驗樓采用雙回路供電，項目擬建光伏500kWp，分兩組直接通過宿舍樓供電饋線380V就地接入微電網(wǎng)，同時擬建儲能100kW/200kWh。

　　該設(shè)計方案中光伏采用分散接入0.4kV，簡化工程布線，節(jié)約投資；采用無升壓變壓器，節(jié)約投資，同時損耗降低，逆變效率提高。

　　4.2光儲聯(lián)合微網(wǎng)系統(tǒng)整合運行

　　微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，光伏發(fā)電系統(tǒng)借助逆變器輸出端，通過配電柜與園區(qū)內(nèi)的變壓器低壓端380V并聯(lián)，實現(xiàn)對當(dāng)?shù)刎?fù)載供電，并將多余的電能通過變壓器送入電網(wǎng)[6-7]。儲能系統(tǒng)通過自動調(diào)整充放電工作模式和輸出功率控制平緩光伏發(fā)電功率波動，兼實現(xiàn)抑制電壓波動和閃變，補償負(fù)荷電流諧波等功能。微網(wǎng)控制功率系統(tǒng)通過閉環(huán)控制調(diào)節(jié)策略保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

　　微網(wǎng)離網(wǎng)運行時，微網(wǎng)控制系統(tǒng)同時識別主網(wǎng)狀態(tài)，通過負(fù)荷控制、充放電控制保證微網(wǎng)狀態(tài)的平穩(wěn)變遷，并且保證重要負(fù)荷供電[8]。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)要求時，啟動儲能系統(tǒng)實現(xiàn)對負(fù)載供電，直到系統(tǒng)供電恢復(fù)正常，當(dāng)儲能系統(tǒng)電池電壓降到設(shè)定的放電電壓時，停止放電以保護電池組。

　　5結(jié)論

　　本工程將建設(shè)一個真正包含光伏發(fā)電、電力儲能、并具有微網(wǎng)特性的實際運行系統(tǒng)示范工程；能夠真正實現(xiàn)分布式光伏電源、儲能系統(tǒng)友好接入電網(wǎng)，實現(xiàn)與配電網(wǎng)并網(wǎng)協(xié)調(diào)運行，實現(xiàn)微電網(wǎng)雙向潮流環(huán)境下控制保護協(xié)調(diào)工作的系統(tǒng)；可體現(xiàn)分布式光伏電源、儲能系統(tǒng)智能協(xié)調(diào)工作，凸顯智能微網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度控制的效果。

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