中小型分布式智能微网光伏系统能量管理模式分析

顺德中山大学太阳能研究院 ■ 林伟

0 引言

太阳能光伏与分布式智能电网结合是目前中小型分布式微网应用的重要形式之一。与传统的中小型分布式并网、离网光伏电站系统有所不同的是，分布式智能微网光伏系统在系统能源管理模式方面有较大发展，智能化程度进一步提高。因此，中小型分布式智能化并网光伏电站系统在初始投资成本、供电可靠性方面有了长足的进步。

相对于单纯的并网或离网分布式光伏系统而言，中小型分布式智能化微网光伏电站系统在系统能源配置方面具有的特点为：1)为了提高整体分布式光伏电站系统供电的可靠性，很多智能化微网光伏系统都带有储能系统；2)除太阳能外，电站系统还会有一种或多种其他的能量来源，最为常见的有市电、中小型燃油发电机、风力发电机等；3)其能供给小型局部电网的负载用电需求以及储能系统的电能需求，也可将多余电力反馈给市电网，针对某些并网接入受限制的地区，也可设置多余电力不反馈回市电网。

本文将针对中小型分布式智能微网光伏电站系统的能量管理模式进行深入分析，就不同能量管理模式的特点以及所适用的工作环境与条件进行深入探讨，并通过实际设计并建立一套小型户用分布式智能化微网光伏供电系统，对中小型分布式智能化微网光伏电站系统的设计与能量管理模式提出相关意见和方法。

1 分布式智能化微网光伏电站系统能源管理模式分析

1.1 常见智能化能源管理系统使用环境要求

针对不同的使用环境要求，需采用不同的智能化能源管理系统。目前，常见的智能化光伏微网系统的使用环境要求有以下4种：

1)简单并网光伏发电系统。光伏发电满足负载需求，减少本地负载电力消耗，同时剩余光伏电力可反馈给电网以获取相应收益。

2)简单离网光伏发电系统。光伏发电供给独立电网的负载需求，通常带储能系统，多余光伏电力供给储能系统。

3)用户负载需连续供电且可利用光伏节能节电的场合。该系统通常需安装储能系统，但是和传统的简单并网、离网光伏系统都有所不同。在无光伏输入情况下该光伏系统的电力原理结构为一台标准的在线式UPS电源，当有光伏输入时光伏电能参与工作，以节省市电交流能量，而且可对剩余光伏电能是否向电网输送进行设置，如果剩余光伏电能不向电网输送，则不会对公用市电网造成影响。

4)针对峰谷分时电价的情况，可自动调节光伏供电情况，在市电用电高峰和低谷等时段合理使用光伏发电及储能系统，尽可能提高系统收益，该系统中尖峰时间可调整设置[1]。

1.2 不同使用条件下常见能源管理模式

由于智能化微网系统通常不止一种能量来源，所以其可为混合能源工作模式。

对于简单的接入市电的并网光伏系统，所发电能优先供给本地负载，不足部分由市电补充，多余部分反馈给电网，因此，能量管理模式相对简单。对于峰谷分时电价的情况，由于各地的用电高峰和低谷不同，需根据情况不同具体分析。

对于用户负载需要连续供电且尽可能利用光伏节能节电的场合，工作情况就比较复杂。以常见的接入市电网且带有储能系统的智能化微网光伏系统为例，针对常见光伏应用工程案例的设计需求,我们可从能源供应优先顺序以及负载和储能系统的供电优先级两个角度对整个中小型的分布式智能化光伏电站系统的能源管理模式进行分析。

1)光伏电能供电顺序：光伏电能的供电顺序是智能化能源管理模式的基本功能，常见的有3种，见表1。

2)负载供电来源优先级：智能化系统设计中，另一个重要的基本功能模式是系统中负载供电能量来源的优先级。可以分为有光伏能源供应和无光伏能源供应(例如，无阳光时)两种，相关说明见表2和表3。

表1 系统光伏电能供电优先级别

表2 系统负载能源供应优先级(有PV)

表3 系统负载耗电情况(无PV)

1.3 智能光伏微网系统能源管理设计的原则与方法

针对智能化的光伏微网系统而言，整个光伏系统的能源管理模式是系统设计的核心问题,只有明确能源管理的使用环境要求及模式特点，才能最终确定系统的设计原则与基本方法。

1)首先需要满足光伏系统用户的能源管理需求，根据用户的要求，列出详细的系统功能清单。

2)根据相应的使用要求和功能清单，重点明确系统光伏能源供应与负载供电优先次序，绘制出系统基本配置功能图。

3)根据相关光伏能源供应与负载供电优先次序，综合考虑系统工作逻辑兼容性，绘制系统完整的基本工作逻辑图。

4)根据已经确定的能源系统完整的工作逻辑，进行智能化光伏发电系统的电气工作模式各项参数的设定。

2 基本实例分析

以实际示范项目的设计来讲述分布式户用智能微网光伏电站系统能量管理的设计方法与流程。本系统主要是为了给市电不稳定地区的两台交流设备供电，两台交流设备的基本功率参数与平均每天耗电情况见表4。

表4 系统负载耗电情况

这两台交流设备的供电可靠性要求较高，必须保证在要求的工作时间内不能断电，因此，采用单纯的并网光伏系统或离网光伏系统都无法满足系统负载的供电需求。本系统采用带储能结构的并网光伏系统：在分布式光伏系统中可接入市电作为能源之一，同时还带有储能子系统。

2.1 系统基本功能要求

根据用户提出的对于负载供电的要求，以及负载所在地的实际电网工作情况，两台负载需连续供电且能最大限度地利用太阳能光伏节能节电。

1)考虑到系统初始投资成本，光伏系统的安装功率不宜太高，用于安装的光伏组件功率为2 880 kWp。

2)由于系统安装所在地的市电网供电性能不够稳定，所以本系统需安装储能子系统，保证该系统在没有市电以及光伏供电不足时能持续工作至少1 d。因此，需配套安装48 V 200 Ah深循环铅酸蓄电池。

3)由于采用蓄电池子系统，因此，本分布式智能光伏系统需要带有蓄电池储能系统的充放电控制功能。

4)该系统可接入市电网，将市电作为给两个系统负载供电以及蓄电池储能系统充电的能源之一，这样就无需安装过大的光伏供电系统，并可解决光伏供电系统供电能力随天气波动等问题。

5)由于系统安装所在地蓄电池维护比较困难，需尽可能延长蓄电池使用寿命，因此应尽量保证蓄电池系统不会过放电。

2.2 系统基本配置原理

根据上述整体能源系统的基本功能要求，本系统基本电气配置结构如图1所示。

图1 示范性分布式供电系统基本电力配置

2.3 系统完整工作逻辑配置图

在明确系统的工作要求以及基本电力配置后，需进一步明确相关光伏能源供应与负载供电优先次序，然后综合考虑整个能源供应系统的工作逻辑兼容性，确保不会出现工作逻辑自相矛盾的地方，并绘制整个能源供应系统完整的工作逻辑配置图，如图2所示。

图2 示范性分布式供电系统工作逻辑配置图

3 结论与意见

在上述设计基础上，我们搭建了一个示范性分布式户用智能微网光伏电站系统，该系统采用12块240 Wp多晶硅光伏组件，48 V 200 Ah阀控式铅酸蓄电池，采用3 kWp的光伏控制/逆变一体机，该设备可实现蓄电池充放电控制、光伏逆变、并网、离网以及混合等多重模式能量控制。

该设备在广东顺德地区搭建并投入使用，测试1周，期间工作正常，能完全满足系统负载的工作需求，达到设计各项指标要求。

通过针对分布式智能微网光伏电站系统的能源管理模式的理论分析，以及该示范性系统的设计与搭建，结论与建议如下：

1)整个小型分布式户用智能微网光伏电站系统的初始投资约为3万元，该光伏系统的年发电量约为2 900 kWh，该类型分布式光伏系统具有一定的经济可行性，例如高档别墅住宅区等。

2)本系统的光伏发电优先用于本地负载，剩余电量可供蓄电池系统或反馈给电网，因此，本系统的节能减排效率要优于常见的分布式并网/离网光伏系统。

3)由于采用蓄电池储能系统，因此初始成本较高，通常铅酸蓄电池储能系统成本在整个系统成本中约占30%(如果采用磷酸铁锂，则储能初始成本可能占系统约50%，但是维护成本会大幅降低)，但是供电可靠性要优于常规的分布式并网光伏系统，而且对于市电网的调峰有一定积极作用。

4)一般中小型户用智能微网光伏电站系统多采用阀控式(VRLA)铅酸蓄电池，具有成本相对低廉、安装方便、维护量小、可靠性较高等优点[2]。但需要特别注意的是，蓄电池安装不要离逆变/控制器太远，最好在1～3 m以内，否则会因为线损导致充放电压降过大，致使系统产生误判，从而影响整个能量管理系统的正常运行。

5)系统设计时需考虑系统负载的性质，尤其是感性负载、容性负载对于电路的影响。在系统设计之初就要全盘考虑负载启动电流的影响，因为过大的启动电流可能会对控制/逆变设备造成瞬时超载，从而造成设备损坏。

[1]张洋,李强,李朝 ，等.光伏－储能联合微网系统工程方案设计[J].电力系统保护与控制, 2010 , 38(23): 212－214.

[2]金晓东. 阀控式铅酸蓄电池在分布式发电中的应用[D]. 安徽：合肥工业大学, 2008.