光伏智能微电网现状与案例分析

2015-12-31郑洪康微微曲博

太阳能 2015年5期

■ 郑洪康微微曲博

(1. 沈阳工程学院产业管理处；2. 辽宁太阳能研究应用有限公司)

0 引言

工业社会发展的今天，用电负荷日益激增，致使现有的供电网络很难满足快速增加的用电负荷供给需求，电网运行的可靠性、稳定性与安全性已成为关注焦点。尤其在欧美等一些国家和地区，近几年连续发生大型互联电网大规模停电事故后，各国纷纷将光伏发电系统提上日程。近年，我国各省市也相应出台了光伏电站政府补贴政策，加快推动分布式光伏微电网能源系统的产生和分布式电源的大规模应用。

由于分布式微电网的存在对于大电网的电能质量、运行稳定可靠性等方面易产生不利影响，对电力系统造成较大冲击，现如今各国将协调大电网与分布式微电网之间的矛盾作为研究重点，目的在于最大限度地发掘分布式微电网在经济、能源和环境中的优势，同时发挥绿色清洁能源的特点。智能微电网是相对传统大电网而言的，是由多个分布式电源、负载、储能装置、能量转换装置、保护装置和管理控制系统构成的独立运行系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可与外部电网并网运行，也可孤立运行。分布式电源一般包括天然气、太阳能、生物质能、氢能、风能、小水电等可再生清洁能源。

1 智能微电网发展现状

随着各国微电网技术的不断进步，清洁能源应用范围越来越广，智能化程度越来越高。欧洲的丹麦、德国、希腊等国家纷纷建立了智能电网实验室；美国、法国等国家曾提出能源计划，修建智能电网，提高变电站自动化水平，最大限度发挥国家电网的价值和效率。

智能微电网应用的逐步扩大可促进可再生能源发展。我国正在大规模发展可再生能源，只有通过微电网集成分布式发电技术、储能技术、电力电子技术等，才能充分有效地发挥可再生能源的潜力。智能微电网可提高电力系统抗灾能力，我国目前正在发展特高压电网，一旦将地理位置接近的重要负荷组成微电网，设计合适的电网结构和控制，必然会有力地提高电网的抗灾能力。在我国偏远农村和荒漠地区，地形条件复杂、经济发展滞后，远距离输电成本高、可靠性差，可通过建立并网光伏电站、风力发电、小水电等形式的微电网解决这些地区的居民用电问题，将多余电量接入大电网，进一步带动当地发展。智能微电网还可降低投资和运营成本，超大型电站与分散的微型电源相结合，可缩短电力的传输距离，降低在输配电线路上的投资，使电力系统更安全、更经济。

近年来，我国对智能微电网给予了大力支持，国家电网公布了“智能电网”的发展计划，先后建立了多个示范项目，包括：

1)浙江北麂岛1.274 MW离网储能电站：是由柴油机发电、光伏发电、风力发电设备及蓄电池等电源设备进行并网联接，构建新型绿色智能微型电网，给用户负载提供较高质量的电能，即使脱离了配电网，仍可独立运行。

2)珠海东澳岛1 MW智能微电网系统：利用光伏发电、风力发电、柴油发电和蓄电池储能系统组成海岛分布式供电系统，与海岛原有的柴油发电系统和电网输配系统集成为一个智能微电网系统；最大程度地利用海岛上丰富的太阳光和风力资源，最小程度地利用传统的柴油发电，为生态海岛提供绿色电力供应，保持供电稳定。

3)天津智能微电网系统：2014年5月首个智能微电网项目在天津赛达工业园区落户，该“光伏、风电、储能”3合1微电网采用300 kW光伏、400 kW风力发电，锂离子电池和超级电容混合储能，该智能微网系统有效改善了新能源并网的电能质量。

4)上海迪斯尼110 kV变电站站用电微网系统：由屋顶19.6 kW光伏发电和磷酸铁锂储能电池组成，2014年6月通过验收，成为国内首个在站用电部分采用微网系统的变电站工程，也是国际上率先在变电站内尝试建立微网系统的实例。

2 110 kW智能微电网设计案例分析

以辽宁太阳能研究应用有限公司办公大楼微电网系统为例，总装机容量110 kW，总占地面积2700 m2。玻璃幕墙和采光顶组件约12 kW，楼顶平台电站光伏组件96.18 kW(其中，10.8 kW为独立电站，85.38 kW为并网电站)，双轴跟踪光伏组件2.25 kWP，共计110.43 kW；同时配备100 kW柴油发电机，组成微网系统。

大楼采光顶光伏阵列功率为3.465 kWP，组件安装方式见图1。玻璃幕墙光伏阵列功率为8.208 kWP，组件安装方式见图2。楼顶平台电站光伏阵列功率为96.18 kW，组件安装方式见图3。100 kW柴油发电机见图4。

图1 采光顶光伏组件

图2 玻璃幕墙光伏组件

图3 楼顶并网电站

图4 100 kW柴油发电机

正常情况下，微网内太阳能电源与市电网共同为公司大楼照明、电脑、空调、生产设备、日常办公等用电负荷供电，也可为园区内电动车试验提供充电服务。当周末无用电负荷时，太阳能发电并入市电网；当外部电网故障时，微网断开与主网(市电网)的连接，切换到柴油发电机组，与太阳能电源共同工作实现离网运行，单独向用电负荷供电；当主网故障排除后，微网从离网运行模式重新切换回并网模式。系统用电负荷数据见表1。

表1 系统用电负荷数据表

本微网系统中，办公大楼采光顶光伏电站由15个微型子系统组成，每个子系统均采用250 W微逆变器将直流电转换成交流电汇入总系统，其安装图见图5。

图5 采光顶光伏电站子系统微逆变器安装图

微逆变器具有对每个子系统光伏组件进行最大功率点跟踪控制的功能，因此，在实际安装中对于每组组件一致性的要求降低了。实际应用中在遭遇阴影遮挡、云雾变化、污垢积累、光伏组件老化等不理想条件时，采用分布式微逆变器的光伏发电系统可提高多达20%的发电量。从长期来看，系统整个生命周期内的发电效益显著提高。同时这种分布式架构可保证不会因单点故障导致大阵列失灵(较适用于组件分散布置，微型用户使用)。

楼顶光伏电站采用20台5 kWp并网逆变器将直流电转换成交流电并入电网(配电柜见图6)。其中，并网逆变器采用组串式逆变器(不带有MPPT功能，见图7)和集中式逆变器(带有MPPT功能，见图8)两种。

在有不同阴影面积遮挡情况下，采用组串式逆变器与采用集中式逆变器系统的发电量不同。经测试，其系统的输出功率对比曲线见图9，发电量对比数据见表2。

图6 系统配电柜

图7 分离式逆变器排布图

图8 集中式逆变器排布图

图9 组串式逆变器与集中式逆变器发电量对比

表2 不同阴影遮挡下发电量对比数据

图9显示了同样遮挡情况下两个单元的发电功率曲线，在8：00～10：00时间段内组串式逆变器单元的发电量是集中式的2倍，在无阴影遮挡时间段内 (约 10：00～15：00)，由于组串式逆变器优化器自身能量消耗，组串式单元发电功率略低于集中式单元发电功率。由全天发电功率曲线得出，组串式逆变器单元将系统日发电量提高了8.45%。经过连续4个月的发电量统计得出，组串式单元将系统总发电量提高了6.48%。

本项目智能微网系统采用了分布式太阳能电源发电，日最大发电功率80 kW，日最大发电量500 kWh，年并网发电量可达10万kWh，折合年节约标煤30744 kg，减排二氧化碳 86839 kg，减排二氧化硫100 kg，减排粉尘330 kg。在节约能源的同时，有效推进绿色清洁能源的应用，并为用电负荷提供了高可靠性的供电，具有较高的实用性和推广价值。