微电网系统综合能源示范工程综述

邵乔乐，张程翔，贺 军

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

近年来，为了充分发挥可再生能源的利用价值，同时降低分布式能源接入电力系统所造成的诸多不良影响，微电网技术成为了研究热点[1]。

因其具有清洁环保的特点，太阳能、风能等分布式能源成为可再生能源的热门研究方向。但其不易控制、间歇性的缺陷，使得如何将可再生能源发出的电能储存下来，避免弃光弃风问题的发生成为技术难点[2]。因此，辅以储能系统的分布式能源应运而生。目前，储能系统的主要功能是[3-4]：

（1）增加微电网的柔性调节能力，实现微电网与电网联络线功率控制，以满足电网管理要求。

（2）为微电网提供快速的功率支持，实现微电网并网和离网运行模式的灵活切换，并作为黑启动电源。

（3）参与微电网能量优化管理，兼顾不同类型分布式电源及负荷的输出特性，实现微电网经济高效运行。

文献[5-6]分析了国内外储能电站发展现状，对储热、蓄冷与储电技术进行了介绍，并针对发电侧、输电侧和配电侧等应用场景做出了概括综述与前景展望。文献[7]根据负荷密度法，结合风光系统间歇性波动的特点，提出了一种风、光、储互补的海岛微电网供电模式。文献[8]采用启发式调整策略与粒子群算法建立最优模型，探讨铅酸电池寿命损耗成本、电源出力调整策略对经济运行的影响。文献[9]提出的控制策略可减少并网模式下交换功率的波动以及避免离网模式下因线路呈电阻性而产生系统稳定性问题，其经济调度方面则采用分时电价调度储能设备的方法。文献[10]提出一种基于柴油发电机作主电源和储能系统作主电源的运行策略，实现风、光、柴、储之间多能互补协调控制。文献[11]包含配电网负荷预测、电源规划、网架优化和无功优化等内容，形成了一套智能电网规划的新体系。

此外，国内外也有诸多综合能源示范工程。在国内能源互联网的背景下，“源-网-荷-储”的协调优化运行模式开始得到推广[12]。某综合能源工程搭配了分布式燃气以及屋顶光伏，美中不足的是新能源占比较低[13]。风光储系统与区域小水电互补的微电网示范工程已应用于实际，其模式较适合于水资源丰富的地区，因而适用性有所受限[14]。我国西部出现了新农村可再生能源示范工程，其结合了太阳能沼气技术与风光互补发电系统，对于沼气技术的依赖较大[15]。国际知名的欧盟曼彻斯特、ELECTRA 和E-DeMa 等示范项目，其主要模式是分层分布式控制、高渗透率的分布式能源社区、能源阶梯利用协调以及大数据分析，设计理念较为先进，值得借鉴与学习[16-22]。

本文介绍了国网浙江某综合能源示范基地园区微电网系统的基本构成以及运行策略，其中包含智慧小屋、光伏风机、冷热电三联供以及复合储能等分布式供能系统。该结构下的系统可再生能源占比较高，可应用于一般城市地区，适用性较广。其能保证整个基地园区设备的稳定运行，平抑可再生能源的间歇和波动，优化供能区域的冷热电供应平衡，实现可再生能源的充分利用以及为重要负荷不间断供电。其独有的智慧小屋系统能够模拟构建未来家庭式综合能源服务场景，为负荷行为的精准预测技术以及用户内部可控资源的优化调控策略研究提供了良好的平台。

1 综合能源示范基地概况

国网浙江某综合能源示范基地拥有“互联网+”营销服务、智能运检、电科院创新实验室、青创空间等创新团队，覆盖了电网发展、建设、营销、运检、财务、人资、物资、后勤和信息通信等专业领域，开展了智能机器人、区块链、客户识别、知识图谱等前瞻性研究。

该基地的基本构成如图1 所示，其配置了一定规模的风、光、储+内燃机系统。其中储能系统用电化学储能，将风电、燃机和光伏等多种能源系统生产出来的电能储存起来，通过智能化BMS（电池管理系统）可以实现削峰填谷、调峰调频的目的。

图1 某综合能源示范基地基本构成

2 箱式储能系统

该综合能源示范基地结合微电网建设，配置总容量550 kW/1 161 kWh 集中式锂电池箱式储能系统。储能系统的基本拓扑结构如图2 所示，分为储能电池组和控制系统两部分。

图2 储能系统基本拓扑结构

储能电池组由3 组电池组组成，容量为250 kW/525.204 kWh 的前两组经过箱式储能系统的BMS 接入380 V 母线。而容量为50 kW/110.592 kWh 的第三组电池组则经过能量路由器直接接入380 V 母线。

控制系统则由中控柜、直流汇流箱、BMS、DC/AC 储能变流器、隔离变压器及辅助系统组成。

2.1 储能电池参数

2.1.1 电池组

电池总体分为3 组，1 号电池组与2 号电池组分别由3 簇电池簇组成，每簇电池簇的额定直流电压729.6 V，额定电流120 A，容量达到175.104 kWh。每个电池簇包含19 个电池模组与1 个控制箱，串并方式为1 并19 串。1 个电池模组则拥有48 颗单体电池，按4 并12 串组合方式封装而成。

由图2 可知，1 号、2 号电池组由电缆连接至1 号、2 号直流汇流箱，分别经过容量为250 kW 的1 号、2 号AC/DC 储能双向PCS（变流器），并经过300 kVA 的隔离变压器连接至微电网系统380 V 配电母线。而3 号电池组由1 簇电池簇组成，该簇电池只有12 个电池模块。额定直流电压460.8 V，额定电流120 A，其通过电缆连接能量路由器的DC/DC 柜，并经由路由器的变压器柜直接连接至微电网系统380 V 配电母线，其规格如表1 所示。

表1 电池簇主要规格参数

2.1.2 BMS

BMS 主要包括电池的电压、电流、温度采集、容量诊断SOC（荷电状态）、SOH（电池健康状况）预估和电池组单体均衡维护等工作。电池的各种状态、报警等信息由基层的BCMS（电池簇管理系统）通过DC 汇流柜中的BAMS（电池组管理系统）传输到中控柜，及时上传给后台，后台通过BMS 上传的各种信息进而控制PCS 对电池组进行有效的充放电，达到调峰调频、削峰填谷、动力输出等目的。其通信拓扑如图3 所示。

图3 通信拓扑

2.2 中控柜与直流汇流箱参数

中控柜（配电系统）主要作用是为储能系统交流用电设备提供380 V 电源，通过接入UPS（不间断电源系统）为电池堆以及BMS 部件提供不间断电源。此外，通信管理也是中控柜的主要功能之一，柜内控制部分由BAMS 以及工业交换机等通信和控制单元组成。

表2 中控柜与直流汇流箱主要规格参数

直流汇流柜是将电池阵列各个直流支路的电池簇直流电汇合在一起的设备，并经过输出总开关到达PCS。柜内主要由电池簇断路器和汇流铜排构成，其规格如表2 所示。

2.3 PCS 参数

PCS 与储能电池组配套，连接于电池组与电网之间，主要功能是把电网电能存入电池组或将电池组能量回馈到电网。PCS 主要由开关设备、三相高频IGBT（绝缘栅双极型晶体管）换流器、工频变压器和控制单元等构成。PCS 控制器通过通信接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制IGBT 三相换流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节，其规格如表3 所示。

2.4 隔离变压器参数

储能系统的隔离变压器起隔离作用，将线路的三相三线制变为三相四线制，连接储能双向变流器与微电网系统380 V 配电母线，其规格如表4 所示。

表3 PCS 主要规格参数

2.5 辅助系统

（1）温度控制系统。考虑气流均匀及安全冗余，储能系统集装箱内部配置了3 套5 000 kW制冷量一体式空调作为温度控制系统。

（2）消防系统。储能箱内采用七氟丙烷灭火器，灭火器容量应满足集装箱内空间范围灭火要求。集装箱具有报警系统，通过在特殊位置安装报警灯，能够为外界提供醒目提示，从而起到预警作用。

（3）照明系统。照明灯具有防爆功能，为集装箱内部的监控提供一个安全的照明环境，管理人员可在现场用手动开关控制照明灯。

（4）视频监控系统。储能箱两端各安装了一个摄像机，其组成的视频监控系统采用远程网络传输方式。通过网络传输，控制中心可在远方监控到现场设备的运行情况。

3 智慧小屋系统

智慧能源小屋是该综合能源基地的重要子系统，通过分布式光伏、光储一体机以及洗衣机、空调等家庭用电设备，智慧小屋能源系统进行分布式发电、储能和用能数据的采集与分析工作，改善能源利用效率与经济性。智慧小屋运行策略如下：

（1）在日照时段，光伏瓦片、幕墙、道路进行光伏发电，供给小屋负载。

（2）若负载小于光伏发电量，则发电余量由光储一体机的蓄电池吸收；若负载大于光伏发电量，光储一体机将根据自身SOC 决定是由蓄电池给予负荷输送电能还是使用外部电源。

（3）在非日照时间，小屋内负荷主要由光储一体机蓄电池供能，若电池能量低于限度，则使用外部电源。

（4）当风机以及光伏发出的电能不能满足大楼正常工作用电需求时，外部市电系统将补充剩余不足的电量。

3.1 光伏系统

智慧小屋的光伏系统包含： 110×100 W 幕墙光伏、230×30 W 光伏瓦片、78×175 W 光伏路面。光伏瓦片覆盖智慧小屋屋顶部分；光伏幕墙覆盖B 座7 楼东、南、北三面屋身以及B 座6 楼一部分；光伏道路覆盖3 个方向小屋前的主干道路。小屋的光伏系统为智慧小屋提供最先的电能支撑。

3.2 光储一体机

智慧小屋的光储一体机设备用于实现交/直流电能转换，协调控制小屋光伏、一体机自带蓄电池以及外部系统的电能出力，平抑光伏电池的功率波动，并通过储能变流技术输出满足标准要求的交流电能来为屋内负载供电。其主要规格如表5 所示。

同时，针对蓄电池、光伏系统不同的工作状态与不同的负荷状况，小屋系统的光储一体机有3 种工作模式。

（1）自用模式。其工作状态为： 光伏发电充足，电能优先供给负荷，有余电再充电池，再有余电则上网；光伏发电不足以充电，则光伏优先匹配负荷，电池限功率充电；光伏发电不足以匹配负荷，则电池放电匹配负荷；光伏发电与电池不足以匹配负荷，则市电供应部分负荷。

表5 智慧小屋光储一体机主要规格参数

（2）家庭模式。其工作状态为： 光伏发电充足，电能优先供给负荷，有余电再供给小屋外并网负荷，再有余电充电池，最后余电上网；光伏发电不足以匹配负荷，则电池放电匹配；光伏发电与电池不足以匹配负荷，则市电供应负荷。

（3）续航模式。其工作状态为： 光伏发电充足，同自用模式；光伏发电不足以匹配负荷，则市电供应负荷，电池待机。

4 园区微电网经济策略

该示范基地采用风光储联动+微燃机的运行模式，其中微型内燃机配以溴化锂机组冷热水泵形成三联供系统，具体参数如表6 所示。

表6 微型内燃机主要规格参数

园区在微燃机的基础上，配置了242×305 W单晶硅的光伏系统以及1×2 kW 的风机系统，以形成风光储系统+内燃机的能源系统。

该示范基地采用风光储联动配合微燃机的运行模式以提高能源利用率，其逻辑结构如图4 所示，其典型运行方式如表7 所示，详细步骤如下：

（1）在谷电时段，储能系统会根据自身电池SOC，对各组储能电池进行充电。

（2）在峰电时段，园区照明及办公等用电优先使用从垂直轴风机及太阳能光伏发出的电能。

（3）当风机以及光伏发出的电能超出大楼正常工作用电需求时，储能系统将吸纳剩余的光能和风能，以防止弃光弃风现象发生。

（4）当风机以及光伏发出的电能不能满足大楼正常工作用电需求时，内燃机系统将补充不足的电量。

（5）当内燃机系统发出的电能也不足以满足用电需求时，储能系统将补充不足的电量。

图4 微电网经济运行逻辑框图

表7 某综合能源示范基地典型运行方式

（6）当储能系统的电量不能维持正常工作用电需求时，再从外部电网吸收电能。

通过以上方式，该示范基地微电网系统优先消纳园区微电网中风机与光伏发出的电能，而后使用微型内燃机发出的电能。由于储能系统在电能储存和释放时会有附加损耗，因而只有在风机、光伏以及微燃机都不能满足园区用电需求时，储能系统才会向微电网380 V 母线释放电能。同时，储能系统于谷电时段储能、峰电时段释放，以此达到削峰填谷、经济运行的目的。

5 结语

国网浙江某综合能源示范基地拥有风光储系统+内燃机的园区微电网系统，其采用智慧能源管理系统统一协同调配各供能单元，打造智慧、绿色、低碳、环保的创新创业基地。与传统功能模式相比，具有以下特点： 清洁能源利用效率超过75%；模式适用性广，可用于一般城市微电网系统；供能可靠性高；高效化能源管理。

同时，园区特有的智慧小屋系统通过模拟多场景下用户用能模式，研究基于数据挖掘技术的负荷行为精准预测技术；结合泛在能源互联网的要求，研究用户内部可控资源的优化调控策略、电网的信息交互机制以及能量交互策略。

在分布式能源迅速发展的大环境下，该综合能源示范基地作为一个微电网新能源示范点，其模式有较广的适用性，为今后园区微电网研究在结构配置上和经济运行策略上提供了参考。