微电网系统光伏发电模块配置问题及改进探索

■ 丁 骁 赵 谦

（1.国家电网许继微电网公司；2.华中科技大学电子科学与技术学院）

一 引言

一直以来，提高一次能源供给中可再生能源的占比是能源工程研究的目标。一次能源向二次能源的转化技术直接表征社会电气化水平和人居环境适宜度。电能，作为优质的二次能源，是标准化的能量媒介，可容纳各种一次能源的接入。随着电力系统的发展，基于可再生能源的电能供应成为现实并逐渐产生市场效应。可再生能源既可用于集中式发电，也可用于分布式发电，而后者是解决能源短缺问题、实现能源阶梯利用的必由之路。可再生能源与电网高效、安全、稳定地融合是电网智能化研究的主要方向。

微电网是一种局域化的智能电网系统，它伴随分布式发电技术的兴起，致力于解决分布式电源电能质量控制和电网可靠性控制两大难题[1]。微电网系统集发电、储能、负荷及控制装置为一体，目的在于将分散能源就地转换成电能，然后就近供给本地负载。微电网本身或独立于大电网、或交互于大电网、或两者兼而有之，具有灵活配电、复杂控制的特征。

以太阳辐射为基础，实现光能与电能直接转换的光伏发电是一种重要的分布式发电技术。在分散供能特性方面，它比风力、水力、生物质能发电技术有明显优势。对于强调局域性清洁能源利用的微电网系统，光伏发电模块是不可或缺的电源类别。从本世纪初“微电网”这一概念被提出以来，各国或各组织研发的微电网系统中皆包含光伏模块[2]。但是，由于光伏发电存在天然的间歇性特征，微电网控制较传统电网控制要更为复杂。光伏发电作为分布式发电的主力与微电网系统共生、互惠、同进退。

本文详细解析了微电网系统架构和光伏支路设计，提出了微电网系统对光伏发电模块的技术要求。本文研究的目的，一方面在于提高光伏模块配置方案的可塑化，使其适应微电网系统灵活、高效、智能的运行模式，从而达到区域分散能源的最高利用效率；另一方面也探索光伏发电模块接入微电网的技术标准，为微电网融合及电网智能化奠定基础。

二 微电网系统

从整个电力系统的角度来看，微电网是一个颇具独立性的自适应智能单元。通过电力网络架构层和综合管理架构层之间镶嵌式协作，达到域内自治、电力平衡的目标。

微电网内最典型的能量运行组块有两类：微电源和局域负载。两者通过能量储存、交换、调节系统相互匹配。在并网条件下，微电网系统整体又与主网存在电能交换。以上电能运行各部分皆属于微电网的电力网络架构层。

微电源的接入与切割，域内负载的并入和卸除，是微电网系统复杂控制策略的来源。促进能量高效利用，实现系统有效控制与保护的部分属于微电网综合管理架构层。微电网双层结构示意图如图1所示，两层之间存在类似机体与神经的交互关联。

微电网系统设计时需要考虑的最主要因素包括以下几个方面：微电网系统电能质量最优化；可再生能源利用率最大化；降低系统建设造价和运行成本。

以上三大要求在某一具体工程中很难做到绝对统一，通常因地制宜寻找折中设计方案。

在微电网项目实践中，根据不同的基建环境,微电网可划分成孤岛型和并网型两类。孤岛型微电网不与大网产生任何形式的能量交换，系统内部能量供应自给自足。图2是一个典型的对称可裂解光伏柴发一体化孤岛微电网系统。

图2 对称可裂解光伏柴发一体化孤岛微电网系统示意图

图3 多回路光伏水电一体化并网型微电网系统示意图

并网型微电网则与大网连接，主网与微电网可在特定条件下交换能量。根据控制策略不同，其运行状态又可分为孤岛模式和并网模式。当然，即便在并网条件下，也要尽可能减少系统对大电网的依赖程度。这是微电网系统控制策略基本宗旨。图3是一个单母线多回路光伏水电一体化并网型微电网系统。

三 微电网系统光伏模块设计

理想微电网系统设计中的微电源模块应具备即时接入与即时退出功能，相应的裂解与并入动作要求平滑可控，从而满足上文所提到的三点要求。对每一个特定的光伏发电模块而言，它本身独有的接口、控制、保护与微电网系统的运行状态息息相关。

光伏发电模块由组件系统、监测系统、逆变系统、控制系统及管理系统组成。光伏支路的设备包括：光伏组件群、汇流配电设备、直交流电压调节设备、逆变设备、隔离开关设备、入网接口装置，以及监测、控制、保护装置。

微电网系统光伏模块设计一般遵循如图4所示流程，以达到系统设计合理性和功能完备性。

不可否认，光伏发电与传统发电相比，存在不少缺点。

首先，光伏发电产出功率与太阳辐射量、太阳光谱特性密切相关，从而具有不稳定性和难以平滑调节的自然缺陷；其次，逆变组团的功率因数高达0.99，因此，在有功功率不变的情况下，无功功率几乎不存在可调空间；最后，逆变器换流运行中，由于功率电子器件工作而产生的各次谐波注入电网，严重影响电能质量。

四 光伏模块配置改进探索

基于对上述缺点的考虑，微电网系统中的光伏模块配置需要做相应改进。

1 光伏支路设备成本降低

微电网工程建设成本中的重要份额主要落在光伏支路上。光伏支路各环节中设备的成本控制仍旧是今后微电网项目的重要课题。

2 太阳电池转换效率提升

工业化太阳电池转换效率提升的价值是不言而喻的。成本稳定前提下的器件效率提升会产生一系列的连环增益。

3 太阳电池的短波相应增强

图4 光伏支路设计流程

和大型光伏电站相比，微电网光伏支路的设计环境要复杂很多。在紧密关联负载的人居环境中，良好的短波相应能有效提高微电网系统的整体能源利用效率。

4 阵列失配改进

太阳电池生产虽然采用较为精密的微电子制造工艺，但最终成型的组件状态一致性不佳。在同一逆变组团内，不均匀的光伏阵列会发生运行失配。虽然导致失配的原因是多方面的，但从生产工艺上研究改进是最根本的方法。

除此之外，单组件MPPT控制也是解决阵列失配的可行性方案。

5 监测系统智能化

光伏支路的监测目标除阵列本身的输出外，还应考虑到温度、太阳辐射强度、太阳辐射量、太阳光谱特性等相关量。采集到的环境数据量和光伏输出，经由特殊算法，可有效支持光伏发电支路的智能化。

6 电能质量改善

电能质量控制是光伏模块的软肋，是光伏发电无法从辅助能源转变为替代能源的最大瓶颈。

光伏支路运行中的电能质量问题主要有：渗入的直流分量、电力电子器件运行产生的谐波污染、电压波动闪变、波形畸变以及三相不平衡。

基于储能设备和电能质量管理设备的综合治理在目前看来是最有效的方案。

7 设备标准化

光伏支路相关设备标准化将有助于简化控制系统的工作，有利于微电网智能化运行的实现。微电网融合技术将对光伏设备的标准化提出更高要求。

8 提高扩展延伸性

由于负荷变动的需要，微电网光伏支路在规划布局上必须充分考虑扩展延伸能力。在微电网工程初期，就得充分预留电力和通讯接口。监控平台的设计也要考虑系统的可能延伸范围。

9 功率调节和功率预测

在功率检测基础上的功率调节和预测是光伏模块控制与保护的核心技术。

另外，并网型微电网还必须同时具备孤岛保护和低电压穿越能力。

五 结语

微电网的发展将从根本上改善以往电力负荷畸形增长带来的不稳定因素，在节能减排、提高电力系统可靠性和灵活性方面具有巨大潜力，是电网智能化的关键策略之一。接入微电网系统的光伏发电模块，由于其本身的自然属性和电力系统的特殊环境，存在配置失调问题。探求这些问题的解决方案是微电网系统逐步走向成熟的先决条件。

[1]杨恢宏, 余高旺, 樊占峰, 等. 微电网系统控制器的研发及实际应用[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(19):126-129.

[2]Nikos Hatziargyriou, Hiroshi Asano, Reza Iravani, et al. Microgrids:An Overview of Ongoing Research, Development, and Demonstration Projects[J]. IEEE power and energy magazine, July/August 2007:78-94.