高原高寒地区智能分布式光伏微电网系统设计及效益*

次仁平措

（西藏自治区能源研究示范中心，西藏 拉萨 850000）

国际上均认为智能分布式微电网技术将是未来电力系统的一个重要发展方向之一。对于发达国家而言，由于技术先进且电力系统发展较早，已经基本完成了智能分布式微电网技术理论方面的研究工作，且实施了技术相对成熟的有关项目。2003年，欧盟科技框架计划为了研究智能分布式微电网系统在运行、监控、保护及通讯等方面的基础理论，分别开展了：Microgrids和More Microgrids两个智能分布式微电网项目［1］，且在希腊、荷兰等成员国内建立了示范工程；同时在2003年，日本为了对新能源发电技术、能量管理及系统监控技术等方面进行更为深入的研究，其新能源产业开发机构分别在爱知县、京都及青森三个地方建立了示范工程［2］；2005年，英国政府在其首都建立了可进行并网切换的智能分布式微电网系统［3］；2006年，美国DOE和GE两个公司通过合作开发，针对智能分布式微电网技术的商业用途及分布式电源对市政电网的影响等方面展开了研究［4］；同年，不仅美国能源部提出将智能分布式微电网系统作为未来电力系统的重要组成部分之一，而且德国的国家太阳能所还建立了配电容量达200KVA的智能微电网实验室［5］；2010年，日本通过组建智能化社区联盟来开展智能分布式微电网系统的示范性研究工作［6］。中国对智能分布式微电网系统的研究工作主要体现在“863”及“973”计划上，2008年，天津大学针对利用多种新能源进行发电的智能分布式微电网系统，开展了优化运行策略的研究工作［7］；同年，合肥工业大学通过搭建实验室平台，研究了智能分布式微电网系统在用能管理及智能监控等方面的耦合协调运行［8］。

文章主要研究了智能分布式光伏微电网系统在高原高寒地区（拉萨）的设计与效益。主要包含有太阳能光伏发电系统的设计、储能系统设计、监控系统设计及整个微电网系统的预测效益。文章的研究内容对西藏地区智能分布式微电网系统的发展具有实际意义，且笔者作为课题的负责人参与了整个微电网系统的设计及实施工作。

1 系统的设计

该项目工程位于西藏自治区能源研究示范中心，由1套光伏发电单元组成，光伏组件总安装容量为45.9KWp，分别布置在新旧宿舍楼及车库的屋顶，配置2台直流汇流箱，使用1台50KVA储能逆变器、240KWh蓄电池组、通过1台交流并网柜接入配变低压侧母线，实现在有市电情况下将光伏组件发电功率直接并网，在无市电状态下通过储能逆变器建立微型电网为特定办公楼提供电源。在该储能式建筑光伏系统中，蓄电池用来在无市电、无阳光等情况下通过双模式逆变器持续向特定办公楼提供电能。

1.1 光伏系统设计

该项目太阳能光伏组件安装区域主要有三处，分别是新旧宿舍楼屋顶和车库屋顶，光伏组件布置方案如图1所示。太阳能光伏组件选用255Wp多晶硅组件，组件尺寸1650×990×40（mm），开路电压37.7V，MPPT电压30V，短路电流9.01A。组串采用18块组件串联为1串，新宿舍楼可安装3串，旧宿舍楼可安装4串，车库可安装3串，共安装光伏组件10串，180块，直流功率为45.9kW。

图1 太阳能光伏组件布置方案

1.1.1 方阵间距计算。太阳能光伏方阵的布置应避免屋顶构筑物或其它高大建筑物形成阴影而造成的遮挡，否则在遮荫部分，非但没有电力输出，反而将消耗电力，形成局部性发热，产生“热斑效应”，严重时将损坏该太阳能光伏组件。阴影遮挡确定原则为：一年中冬至日太阳高度角最低，方阵间距D应大于冬至日真太阳时上午9∶00和下午15∶00时的阴影的最大长度，保证在该时段内不发生阴影遮挡，则太阳能光伏阵列一年之中太阳能辐射较佳利用范围内时不会发生阴影遮挡。根据该项目所在地的地理纬度、太阳运动情况、高度差等可由以下公式计算最大阴影长度D。

式中：φ——当地纬度（在北半球为正，南半球为负），项目所在地为北纬29.66°；

δ——冬至日的太阳赤纬角，项目所在地为-23.5°；

ω——时角，上午9∶00 和下午3∶00 的时角为±45°；

α——太阳高度角；

β——太阳方位角。

该项目屋顶太阳能光伏方阵均采用单排竖向最佳倾角布置，即θ＝35°时，求得D＝3.05m，文中设计取值为3.1m。

1.1.2 光伏组件串并联数计算。项目中太阳能光伏组件串并联数量的确定，需要与所选择的并网逆变器相匹配，匹配计算取值和公式如下。

项目选用255Wp的多晶硅太阳能光伏组件，其技术参数如表1所示。为了保证太阳能光伏系统安全可靠的运行，根据建设地的气象资料，该光伏系统应当在-20℃至70℃的情况下能正常工作运行。由于太阳能光伏组件在极限温度下的参数会发生变化，其温度系数应如表2所示。

表1 255Wp多晶硅太阳能光伏组件技术参数

表2 255Wp多晶硅太阳能光伏组件温度系数

1.1.3 太阳能光伏组件串并联组合计算公式。

式中：N——太阳能光伏组件串联数（N取整数）；

Kv——太阳能光伏组件的开路电压温度系数；

Kˊv——太阳能光伏组件的工作电压温度系数；

t——太阳能光伏组件在工作条件下的极限低温（℃）；

t——太阳能光伏组件在工作条件下的极限高温（℃）；

Vdcmax——逆变器允许的最大直流输入电压（V）；

Vmpptmax——逆变器MPPT电压的最大值（V）；

Vmpptmin——逆变器MPPT电压的最小值（V）；

Voc——太阳能光伏组件的开路电压（V）；

Vpm——太阳能光伏组件的工作电压（V）。

通过以上公式的计算可以得到：针对并网逆变器和充电控制器设计太阳能光伏组串数时，还应同时考虑到高原高寒地区电气绝缘性能降容的问题（海拔每升高1000米，降容约10%左右），因此每条支路串联太阳能光伏组件为18-20块最合适，文中设计选择为18块。

1.2 储能系统设计

该项目拟通过采用市电、分布式光伏发电与储能系统相结合的智能微电网技术真正做到智能绿色电源，提高用电管理水平和可靠性，打造绿色环保的新型电源体系。电源系统采用“太阳能光伏组件阵列+锂电池储能系统+市电”的三电源系统设置。

储能系统设计方案主要由：电池组、电池管理系统、PCS、配电系统等组成，设计容量为60KW/240KWh。储能电池系统由电池架储能单元组成，每个电池架储能单元由1个电池组串组成，容量为80KWh，共3个单元电池架，总容量为240KWh，与配置1台58KW储能变流器，构成60KW/240KWh储能系统。为保障储能系统的安全可靠运行，系统内部还配置一套消防系统、空调系统、BMS等以保证储能系统的安全可靠运行。

1.2.1 储能逆变器。储能逆变器是连接市政电网、太阳能光伏组件及储能电池组的电力电子接口设备，通过控制可实现电压、电流的交直流双向变换功能。由光伏组件最大功率跟踪模块、主功率部分、信号检测部分、控制部分、驱动部分、监控显示部分和辅助电源等部分构成，储能逆变器拓扑如图2所示。本文中该储能系统对储能逆变器要求功能：①能实现并网离网切换运行模式；②蓄电池充电功能；③蓄电池充放电保护功能。

图2 储能逆变器拓扑图

储能系统的充放电模式：①充电时：以P/Q源模式运行，跟随电网电压以恒功率充电；②放电时：以V/F源模式运行，输出一个恒定的电压和频率，根据用户侧实际的负载需求供电。

此外，储能系统还应具有以下特点：①全方位、多层次的电池保护策略、故障隔离措施，高安全性；②开放式以太网接口设计，可提供便捷的通讯接口；③锂电池系统运行情况受温度高低的影响。储能系统设计出一套具备耐寒性能的电池系统和电池管理系统，在高原高寒地区能高效率运行，保证负载供电及备电需求，具备温度补偿功能，灵活应对高原高寒地区的气温变化；④针对高原高寒地区空气稀薄、温度低、静电现象频繁等情况，开发出适用于高原高寒地区的电池管理系统，耐寒程度提高，具备有效的防静电功能，促使电池管理系统快速检测电芯运行的信息，并对故障信息快速响应。

1.2.2 电池管理系统。项目中电池管理系统（BMS）由：电池组管理单元BMU、电池组串管理系统MBMS、电池堆管理系统BAMS及高压控制箱HVC组成。BMS系统具有模拟信号高精度检测及上报、故障告警上传和存储、电池保护、参数设置、主动均衡、电池组SOC定标和与其它设备信息交互等功能。设计中BMS系统针对西藏高原高寒地区空气稀薄、温度低、静电现象频繁等情况，针对性的设计出适用于高原高寒地区的电池管理系统。

电池管理系统（BMS）主要特点：①三层架构管理系统；②对电池运行状态实施全面检测，包括电压、电流、温度等信息；③单体电池电压检测精度高：±2mV,保证系统数据分析可信度；④多点温度监控，避免电池热失控，保障系统安全；⑤多种均衡方式，有效延长电池寿命；⑥模块化设计，可扩展性强；⑦完备可靠的电池保护功能；⑧支持GPRS数据采集及无线传输；⑨排障导引、事件及操作日志记录；⑩增强电池运行数据分析能力，提高报表功能负载联动控制优化，紧密配合PCS、储能调度系统，提高系统效率;具备温度补偿功能，灵活应对西藏高原高寒地区的气温变化。

针对高原高寒地区空气稀薄、温度低、静电现象频繁等情况，设计出适用于高原高寒地区的电池管理系统，使其耐寒程度提高，具备有效的防静电功能，促使电池管理系统快速检测电芯运行等信息，并对故障信息快速响应。

1.3 监控系统设计

秉持科学安全，绿色环保，集约用地等原则进行设计，在尽量缩减该项目建设周期的情况下，促进环境友好发展。表3给出了监控系统的硬件材料清单，监控系统的关键技术如下。

1.3.1 自主学习式SOC/SOH评估算法。常规SOC估计和电池系统容量估计都存在累计误差的问题，难以实现电池系统的可用容量及SOC标定的精确性。设计中采用深圳欣旺达独有的SOC专利技术，根据系统实时状态能自主学习自主较正，可以有效消除累积误差，提高SOC/SOH标定的准确性。

1.3.2 无损均衡技术。通过实时监测每节电芯运行状态，采用高效的均衡技术，保障每串电芯之间的一致性，延长整个系统的使用寿命。

1.3.3 高精度信息采集技术。对电芯的信息采集精度越高、其可靠性、一致性以及SOC精确性就越高，该项目选取深圳欣旺达成熟的BMS系统。

1.3.4 电池一致性保障技术设计要求所有的电芯均通过严格的自动分选、均衡、热管理等各方面的技术测试，以保障系统运行时各电芯的一致性，从而延长系统使用寿命。

表3 监控系统的硬件材料清单

2 系统的效益

2.1 发电量预测

通过综合考虑太阳能光伏组件效率、低压汇流及储能逆变器效率、交流效率等因素的影响，确定该智能分布式光伏微电网系统的总效率约为80%.太阳能光伏发电系统25年运行周期内的电能输出衰减幅度为每年-0.8%考虑，直到25年末。因此估算本设计中该项目建成后，年均发电量约为7.3万度，平均年等效装机利用小时数约为1738h。表4给出了25年中每年发电量的预测情况。

表4 25年中每年发电量预测

2.2 环境效益

由于煤炭、石油、天然气等化石能源属于不可再生，且太阳能光伏发电利用太阳光产生电力，而且发电过程中无噪声、废物及废气的产生，是真正的可再生能源。该智能分布式微电网系统在第1-1.5年里所发的电量就可以抵消光伏设备在生产过程中所消耗的能量，真正达到了环境友好、可持续。

通过预测该项目建成后，首年发电量可达79774.2KWh，可减排二氧化碳排放79774.2kg/年，相当于种植4.36棵树，同时还可以减少二氧化硫排放126.45kg/年，减少烟尘排放19.51kg/年，减少氮氧化物排放126.45kg/年。为保护西藏地区的生态环境做出了应有的贡献。

3 结论

文章以实际项目为依据，针对高原高寒地区智能分布式光伏微电网系统的太阳能光伏发电系统、储能管理系统和实时监控系统三个方面做出了设计，并对该项目建成后的效益进行了分析。其中在设计光伏系统时，根据实际情况，其最大阴影长度为3.1m，光伏组件的最佳串联数为18-20块；而在设计储能及监控系统时，应主要考虑高原高寒地区空气稀薄、温差大、温度低、静电现象频繁等情况对设备造成的影响。该项目在建成后，其年均发电量约为7.3万度，年均等效装机利用小时数约为1738h，且首年发电量可达79774.2KWh，大大减少了污染气体及烟尘的排放，实现了节能减排的目的。