针对光伏储能的微电网系统设计

李想

摘 要：微电网是近年来出现的一种新型能源网络化供应与管理技术的简称，它能够便于将可再生能源和清洁能源系统接入，实现需求侧管理以及现有能源的最大化利用。微电网将发电子系统、储能系统及负荷相结合，通过相关控制装置间的配合，可以同时向用户提供电能和热能，并能够适时有效地支撑大电网，起到消峰填谷的作用。所以微电网概念一经提出，就引起世界能源专家和电力工业界的广泛重视，世界很多国家都加强了相关基础科学研究的力度，对微电网的认识随着研究的进行在不断地具体化、深入化和系统化。而微电网对于解决我国现有大电网运行中凸显的问题，以及能源危机等相关问题，无疑提供了一个好的解决途径。

关键词：并网光伏发电；储能；微网

引言

随着光伏、风电等可再生能源发电技术的发展，分布式发电日渐成为满足负荷增长需求、提高能源综合利用效率、提高供电可靠性的一种有效途径，并在配电网中得到广泛的应用。但分布式发电的大规模渗透也产生了一些负面影响，如单机接入成本较高、控制复杂、对大系统的电压和频率存在冲击等。这限制了分布式发电的运行方式，削弱了其优势和潜能。微网技术为分布式发电技术及可再生能源发电技术的整合和利用提供了灵活、高效的平台。

文章结合某城市建筑学院金太阳示范工程，选择该高校节能建筑楼共80kWp建设规模，进行光伏发电系统、储能系统和微网控制管理系统研究和设计，完成分布式光伏储能发电接入工程总体技术方案，为实现绿色光伏电源无障碍并网提供技术指导。

以下对工程的发电系统、储能系统和微网控制管理系统方案设计进行重点描述。

1 总体设计方案

系统将采用分布式并网的设计方案+储能微网系统，将80kWp系统分成4个20kW并网发电单元，通过4台20kW并网逆变器接入0.4kV交流电网，实现并网发电。

2 发电系统设计

2.1 光伏电池阵列设计

系统的电池组件选用功率为250Wp的多晶硅太阳电池组件，工作电压约为29.6V，开路电压约为37.1V。根据20kW并网逆变器的MPPT工作电压范围（300V～1000V），每个电池串列按照20块电池组件串联进行设计，每个20kW的并网单元需配置4个电池串联组并列，80块电池组件，其功率为20kWp；整个80kWp系统需要16个电池串联组并列，共320块电池组件。

2.2 并网逆变器设计

发电系统设计为4个20kWp的逆变器光伏并网发电，整个系统配置4台该型号的光伏并网逆变器，组成80kWp并网发电系统。

3 储能系统设计

系统采用光伏和储能混合供电，有市电情况下，由光伏和市电给负载供电，市电断电时，由储能系统和光伏继续供电，电池备用时间为10h，负载为65KW。

3.1 系统一次图：

3.2 电池选型和串并联设计

由于系统负载65KW，备用10小时，则需要电量为650KWh，考虑0.7的电池放电深度，则需要电量大约为930KWh。

该储能系统选用阀控密封免维护蓄电池（AGM胶体）：每节2V，1500Ah。采用310节串联。电池端口电压620V。这样电池组的总容量为：

2×1500×310=930KWh

3.3 储能变流器选型

对于储能系统，设计采用双向逆变器实现蓄电池储能系统与交流母线的能量交互。双向逆变器采用逆变/充电一体机可以实现纯正弦波输出交流电压，以及在交流逆变器中集合了蓄电池充电功能、交流自动切换开关等。由于它具有与电网并网运行或脱离电网单独运行的双重功能，双向逆变器能够与光伏发电系统一起，提供全天候或备用电能。

设备容量：80KW

直流输入电压范围：500-800V

交流输出电压：400Vac

选型说明：在离网状态下，设备空载时，80KW光伏通过PCS给电池充电，考虑20%的系统容量，则需要80×1.2=100KW的PCS容量。

4 系统运行说明

4.1 市电正常时，系统处于并网运行模式，设备并网的启动和运行过程如下：

（1）并离网控制柜内的控制器会实时检测与市电连接的并离网开关上端的电压和频率，当市电处于正常电压范围内时，控制器控制并离网开关闭合。（2）光伏逆变器检测到市电在允许正常工作的范围内后，根据设定的参数，在一定的启动延时内自动开机运行，发出的电能提供给负载，多余的电能会返送回电网。（3）储能变流器（PCS）在并网运行模式下，设定为充电状态，使电池保持在浮充状态。

4.2 市电故障时，系统处于离网运行模式，设备的运行状态和模式切换过程如下：

（1）并离网控制柜内的控制器检测到市电失电后，控制并离网开关断开，同时发出并网转离网的控制信号给储能变流器。（2）光伏逆变器检测到市电掉电后，进入孤岛运行保护，标准要求2S内停机，假设300ms内可停机，则此段时间内交流母线还带电。（3）PCS在接受到并网转离网指令后，同时检测设备端口确实失电后，PCS先关机再启动并按离网模式运行。如PCS不检测端口电压状态，则整个切换过程约80ms；如为确保PCS可靠运行，防止误判断，同时检测端口电压状态，则整个切换过程需加上光伏逆变器孤岛保护时间，约380ms。模式转换过程中，负载会掉电一小段时间，离网运行时PCS的输出功率由负载决定。（4）光伏逆变器检测到PCS提供的支撑电压在允许工作的正常范围内时，自动开机运行。当光伏发出的电能小于负载的消耗时，光伏和PCS同时给负载供电；当光伏发出的电能大于负载的消耗时，多余的电能可以通过PCS反灌给电池充电。

4.3 市电恢复时，系统恢复并网运行模式，设备的运行状态和模式切换过程如下：

（1）并离网控制柜内的控制器检测到市电恢复后，发出同期信息给储能变流器，当并离网开关上端和下端电压幅值、频率和相位一致时，控制并离网开关闭合，同时发出离网转并网的控制信号给储能变流器。（2）光伏逆变器保持运行。（3）PCS在根据同期信息调整输出电压，并根据离网转并网指令转成并网模式，由于通讯的延迟，此时PCS会承受短暂的冲击，PCS转成并网模式后保持模式变换前设定的参数运行，即充电状态，负载供电不间断。

5 结束语

本工程将建设一个真正包含光伏发电、电力储能、并具有微网特性的实际运行系统示范工程；能够真正实现分布式光伏电源、储能系统友好接入电网，实现与配电网并网协调运行，实现微电网双向潮流环境下控制保护协调工作的系统；可体现分布式光伏电源、储能系统智能协调工作，凸显智能微网能量优化调度控制的效果。

参考文献

[1]张建华，黄伟.微电网运行、控制与保护技术[M].中国电力出版社，2010.

[2]徐青山.分布式发电与微电网技术[M].人民邮电出版社，2011.