离网型光伏全直流微电网的设计与实践

赵春江，彭慈华，于文英

(1. 上海电力大学太阳能研究所，上海 200090；2. 上海市太阳能学会，上海 200030)

0 引言

随着可持续发展理念逐步深入人心，传统的化石能源在环保和能源持续供给2个方面都已经无法满足人类的长远发展，先进国家纷纷开始对其能源结构进行调整。中国在调整能源结构的同时，提出了碳达峰和碳中和两大目标。而要完成此“双碳”目标，必须减少传统化石能源的使用，逐渐采用绿色的可再生能源进行替代，并且将随着社会的经济发展和人们对能源需求的不断增长而持续增加可再生能源的投入。

可再生能源的遍散性很适合采用分布式发电方式。随着可再生能源分布式发电技术的推广应用，为了解决光伏发电和风力发电的波动及间歇性等问题，较好的方式是采用微电网形式，即在分布式发电系统中的硬件部分加入储能系统和辅助电源来构成微电网形式；在软件部分加入家庭能源管理系统(HEMS)、工厂能源管理系统(FEMS)、城镇能源管理系统(CEMS)等，并结合互联网和物联网技术，加强微电网的运行管控。另外，随着电动车的大规模普及，把电动车作为机动储能组纳入微电网，参与整体的电能调剂，既可以降低微电网的构建成本，又可以进一步促进电动车产业的发展。

以可再生能源为发电主体的微电网技术的研究和创新已历经了10多年，从已发表的文献来看，既有仿真研究[1-2]，也有系统设计、实机运行和相关设备的研究，研究成果也陆续应用于各种应用场景中[3-7]。

从发电到供电全部采用直流线路的全直流微电网是一种独立性很强的分布式电源网络。该电源网络可采用光伏发电、生物质发电、燃料电池发电等直流发电方式，然后与蓄电池组等储能(电)装置进行合理组合，再加入计量和控制装置，形成微电网。全直流微电网采用模块化设计，既可以独立于大电网，也可以采用并网而不上网的方式，且不需要长距离输电线(缆)和架空铁塔等大型设备，可以节约项目的投资成本，还可以避免大型发电设备运往岛屿和山区的困难，其设备运输和施工都很方便快捷。全直流微电网非常适合用于安装地点离用电地点很近而离电网较远的农舍、农村个体养殖场、山区养殖场、山间寺庙、远离生活区的环保型农业项目和通信基站、勘探考察队、高山哨所、野战营区等，还可以作为应急电源用于疫情隔离区、方舱医院和野战医院等。即使在电力网络发达的地区，考虑到天灾人祸(战争)和限电、停电等特殊情况，这种微电网也是比较安全和经济的选择。

本研究在合作单位的大力支持下，基于早期的并网型微电网研究基础，在上海市某别墅区设计并建设了一套4 kW的离网型光伏全直流微电网实验系统，目的在于通过实机运行进行数据分析和研究，找出一些有规律的影响因素和相关关系，为将来的推广工作提供设计依据。本文对该离网型光伏全直流微电网实验系统进行了介绍，并对其实机运行数据进行了分析和讨论。

1 离网型光伏全直流微电网实验系统的设计与构成

离网型光伏全直流微电网实验系统由发电单元、储能单元、能源管理控制器和用电负载构成，其拓扑结构如图1所示。图中：K1、K2均为断路器；M1～M5均为计量表；S1～S6均为继电器；SV为电磁阀；D为防反二极管；F1为熔断器；LIB为锂电池组；LVS为低压中转站；FC为燃料电池。

图1 离网型光伏全直流微电网实验系统的拓扑结构Fig. 1 Topological structure of off-grid type PV full DC microgrid experimental system

下文针对发电单元、储能单元、能源管理控制器及其控制策略、用电负载这4部分进行详细介绍。

1.1 发电单元

离网型光伏全直流微电网实验系统的发电单元主体是装机容量为4 kW的光伏方阵，以500W48V的质子交换膜(PEM)燃料电池作为辅助电源。光伏方阵的外观实景如图2所示，PEM燃料电池单元电堆实物图如图3所示。

图2 光伏方阵外观实景Fig. 2 Actual appearance of PV array

图3 PEM燃料电池单元电堆实物图Fig. 3 Image of stack of PEM fuel cell unit

该光伏方阵采用5块光伏组件串联、2串光伏组串并联的连接方式，标准工作电压和标准工作电流分别为164.2 V和18.88 A；配备2台耐压240 V、输出电压和电流可调的最大功率点跟踪(MPPT)控制器，输出电压分别设定为DC56 V和DC98 V，可分别给48 V负载和90 V电动车供电。

PEM燃料电池单元配备有500 W电堆和容量为40 L、压力为150 kg的储气瓶，加一次氢气可有效发电7 kWh，其主要作用是给24 V负载和低压转换站的重要负载(如电脑等)补电。

1.2 储能单元

离网型光伏全直流微电网实验系统的储能单元包括固定储能组和机动储能组2个部分。固定储能组由2组48V10kWh磷酸铁锂离子梯次动力电池组(下文简称为“48 V蓄电池组”，其为主电源)和1组24V5kWh的磷酸铁锂离子梯次动力电池组(下文简称为“24 V蓄电池组”，其为副电源)和电池管理系统(BMS)构成，在接受发电单元充电的同时可分别给48 V负载和24 V负载供电，充放电倍率设计为0.3 C以下。另外，采用小型电动车14 kWh的动力电池组作为机动储能组，在微电网严重缺电的情况下，固定储能组接受来自机动储能组的反哺补电。

1.3 能源管理控制器及其控制策略

离网型光伏全直流微电网实验系统的能源管理控制器配备有全球远程控制模块，可在任何有网络的地方通过远程通信对微电网实验系统运行情况进行实时监控，还可在紧急情况下修改运行参数进行人工干预，切断或闭合电路，可执行合理用电、控制燃料电池单元的启动时机、缺电报警、电池保护等任务，其各项功能都由继电器执行完成。由于蓄电池组电压与荷电状态(SOC)有密切关系[8]，因此以固定储能组电压作为能源管理控制器的主要控制参数。研究组开发的能源管理控制器和远程控制模块如图4所示。

图4 研究组开发的能源管理控制器和远程控制模块Fig. 4 Energy management controller and remote control module developed by research group

48 V蓄电池组的电能储量E与充电电压V之间的关系及继电器的各控制点如图5所示(因梯次动力电池性能具有离散性，图中曲线关系式仅供参考)，图中：C1～C4均为继电器控制点。

图5 48 V蓄电池组的E-V关系及继电器各控制点Fig. 5 E-V relationship of 48 V storage battery pack and each control point of relay

继电器可分为削峰继电器、主电源(48 V)继电器、报警继电器、机动负载继电器、燃料电池工作继电器和副电源(24 V)继电器。

各继电器动作的设计思路具体为：

1)削峰继电器(动作点C4附近)。当蓄电池组电能储量在峰值附近徘徊时，伴随的是储能效率大幅下降、蓄电池组温度上升，将严重影响蓄电池组的使用寿命。此时，需要让削峰继电器闭合，把一部分电能用于日常进行数据采集和处理的电脑机房的通风降温，如此既改善了机房的工作环境，又避免了蓄电池组充电电压假象上升的“啤酒沫”现象。

2)主电源(48 V)继电器(动作点C1附近)。对电源进行供电管理，并保护蓄电池组，防止过放电。当蓄电池组放电到临近下限值(42～43 V)时，继电器断开，停止向用电负载供电；当蓄电池组电压恢复到44 V时，继电器闭合，重新开始供电。

3)报警继电器(动作点C1附近)。当主电源因电压低而断开并停止向常用负载供电时，由于能源管理控制器还在持续工作，监视着各监测点的电压变化，需要消耗电能，因此蓄电池组的电压因向能源管理控制器供电而继续下降；当电压下降到下限值(设定为41 V)时，继电器动作，蜂鸣器鸣响，提醒用户电压再继续下降将会影响蓄电池组的使用寿命，甚至造成控制器失电，此时需要人为地强行关断控制器电源或补充电能。

4)机动负载继电器(动作点C2和C3附近)。当48 V蓄电池组电压上升到设定值C3时，继电器闭合，向机动负载供电。由于机动负载都是大功率负载，因此要控制机动负载用电量，防止其用电过度。设计上通过调整继电器动作设定值，使机动负载始终运行在48 V蓄电池组的高容量区域，当48 V蓄电池组电压降低到设定值C2时，该继电器自动断开，停止向机动负载供电，以保证常用负载的用电。

5)燃料电池工作继电器。当作为副电源的24 V蓄电池组的电压降到设定值时，该继电器闭合，启动氢气供气电磁阀，向PEM燃料电池单元电堆供气，继而由电堆通过MPPT给24 V蓄电池组补电。

6)副电源(24 V)继电器。主要防止24 V蓄电池组过放，当该蓄电池组电压下降到下限设定值时，继电器断开。由于有燃料电池自动补电和电动车反哺补电设计，该继电器几乎不会动作。

由于反哺补电频度不高，且操作简单，为了降低离网型光伏全直流微电网实验系统的成本并提高安全性，反哺补电设计为手动操作。

1.4 用电负载

离网型光伏全直流微电网实验系统的用电负载分为常用负载和机动负载两大类，常用负载为24 V负载和48 V负载(不含3000 W便携式逆变器)，机动负载为96 V负载和3000 W便携式逆变器。不同负载的规格如表1所示，3000 W便携式逆变器的负载如表2所示。

表1 不同负载的规格表Table 1 Specification table of different loads

表2 3000 W便携式逆变器的负载Table 2 Load of 3000 W portable inverter

常用负载分为可断电负载和不可断电负载，可断电负载主要指对日常生活无大影响，若使用可以改善生活，偶尔不用对生活也无大碍的负载，比如：除湿机、空气净化器、装饰性照明等。可断电负载通常按日常用电需求和生活习惯由用户自主管理。

机动负载的供电由能源管理控制器根据48 V蓄电池组的电压判断其储电量进行管控。机动负载的定义实际接近于可断电负载，其特点是允许间断性用电，且断电时间可以长一些，比如：电热水器的用电和电动车的充电。由于机动负载的功率和用电量都比较大，通常被控制在48 V蓄电池组储电量比较富集的电压区域内工作。从图5可以看出，48 V蓄电池组的储电量基本集中在48～54 V之间，占额定储电容量的80%左右，因此设计上让机动负载工作在该电压区间。

随着光伏发电技术大规模推广应用，光伏电力在整个电网中的占比将会越来越大，最终会成为人类生活和工作的主要电力来源。光伏电力为直流电，在这种情况下，把光伏直流电逆变成交流电提供给用户，再在用户端整流成直流电提供给电动车及众多的家用直流用电器似乎不尽合理。考虑到交流用电器向直流用电器过渡需要一个历史期间，在此期间，对于没有相应直流产品的家用交流用电器和还在留用的家用交流用电器，可以局部设置1台便携式逆变器(离网逆变器)提供交流电。

2 离网型光伏全直流微电网实验系统的运行结果与分析

2.1 电动车的充电和反哺补电

电动车的充电方式为即插即充，在光伏方阵的输出功率较大的时间段内，电动车可以随时、直接接受来自MPPT控制器的直流电进行充电。根据实验结果，电动车的充电效率ηc可表示为：

式中：P为电动车的充电功率或MPPT控制器的输出功率；a为充电回路损耗和充电控制器消耗。

由于a值的变化不大，因此当把a视为常数时，电动车的充电功率越大，电动车的充电效率越高。但是充电功率受到2个方面的限制，一是光伏方阵输出功率是有限值的，二是设计的电动车充电倍率最大值为0.2 C，因此电动车的充电效率只能维持在一个较高的范围内而无法继续提高。当天气转阴或太阳西下时，MPPT控制器的输出功率下降，电动车的充电效率随之下降。另外一个因素也会造成电动车充电效率的下降，即由于48 V蓄电池组配备的MPPT控制器和96 V机动储能组配备的MPPT控制器设计成并联组合，常态下二者平衡分流，在电动车动力电池组的充电进程中，随着其SOC值逐渐升高，充电阻力逐渐增大，来自光伏方阵的电流倾向于朝48 V蓄电池组灌输，导致电动车充电电流减弱，充电倍率自动下滑，充电效率同步下降。电动车充电倍率随SOC变化的变化情况如图6所示。

图6 电动车充电倍率随SOC变化的变化情况Fig. 6 Change of electric vehicle charging rate with SOC

从图6可以看出，电动车的充电效率在SOC接近95%左右时下降尤其明显，因此，把电动车充电截止的SOC值设定在95%，这样既可以避免动力电池组过充造成火灾等事故，又可以有效利用MPPT控制器的输出，提高整个离网型光伏全直流微电网的电能使用效率。电动助动车与电动车同时充电的状况如图7所示。

图7 电动助动车和电动车同时充电的状况Fig. 7 Simultaneous charging of electric moped and electric vehicle

在连续阴雨天的情况下，尽管光伏方阵仍然有电能输出，但不足以维持日常用电，只能依靠储能单元持续输出进行补充供电。随着电能的持续释放，储能单元所储电量逐渐下降，此时为了确保稳定供电，可以让电动车反哺为储能单元补充电能。反哺补电操作与充电大体相同，只是路径不同，需切换路径，电流流向也正好相反。反哺电借助燃料电池单元用的MPPT3降压后供给24 V蓄电池组和24 V蓄电池组下游的负载，这样可以省去1台DC/DC；电动车的反哺补电倍率控制在0.2 C左右。

2.2 实机运行和测试结果

通过近半年的实机运行测试，确认了离网型光伏全直流微电网实验系统运行非常稳定，主要性能指标变化不大。由于11月属于上海地区典型的秋冬季节气候，晴天数和阴雨天数适中，因此在2021年11月，对离网型光伏全直流微电网实验系统进行了为期1个月的完整运行记录，并对记录结果进行了汇总及分析。2021年11月上海地区的晴雨天记录如表3所示。实机运行测试自11月1日06:00开始，至11月30日17:00结束，分析结果如表4所示。

表3 2021年11月上海地区的晴雨天记录Table 3 Records of sunny and rainy days in Shanghai in November 2021

表4 2021年11月离网型光伏全直流微电网实验系统实机运行测试的分析结果Table 4 Analysis results of real machine operation test of off-grid type PV full DC microgrid experimental system in November 2021

离网型光伏全直流微电网实验系统在经历了11月4—7日持续4天的阴雨天后，于11月7日傍晚进行了一次电动车反哺补电，补电量为3.5 kWh，电动车SOC从75%下降到了50%，还能安全行 驶60 km以上。整月运行期间，副电源没有出现过欠电现象，因此燃料电池继电器没有动作。为了维持燃料电池的长期性能，根据燃料电池的使用要求做了5 min左右的维护性运行。

从表4可以看出，继电器等控制器件的耗电量约占离网型光伏全直流微电网实验系统总发电量的5%，对微电网能效比的影响不小。因此，需要采用一种只在动作时耗电、达到稳态后不再耗电的继电器或开关。

另外，经检测发现，减少电缆接点并提高接线质量，降低连接电阻，可减少回路损失，提高光伏发电效率和微电网能效比。

2.3 加强微电网的运行管控

在能源管理方面，现代互联网和物联网技术给边远地区微电网的远程控制运行和售后运维服务带来了极大的便利，利用互联网和物联网引入远程控制和人机对话机制，在管理侧和用户侧之间通过互联网和物联网进行信息交流，指导用户合理用电，并通过远程控制实现微电网无线管理。对应于各个应用场景，能源管理系统中的控制参数可由用户根据需要实时设定，使系统运维更为便捷。在日本东京的远程控制实验结果表明，通过位于上海的微电网控制管理中心就可以实现对西藏或新疆有网地区的微电网实机运行监控和运行参数的实时在线修改。

3 结论

从早期的并网型光伏微电网到如今的离网型光伏全直流微电网的研究已经持续了10年，其间经历了由光伏单元、超级电容、PEM燃料电池和锂离子电池组成的四电池系统的实验研究，以及由光伏单元、PEM燃料电池和锂离子电池组成的三电池系统的实验研究，积累了比较丰富的实验数据和实践经验。对该微电网的设计、组建和实机运行测试只是一个阶段性工作，现总结如下：

1)光伏方阵至MPPT输出端的发电效率为92%左右，微电网实际能效比为84%左右，且通过技术优化和设备质量的改进，有望进一步提高。

2)连续数月的运行表明，该微电网基本能满足日常用电需求，利用电动车反哺补电，阴雨天也能保证年均日用电量的60%的用电要求。如提高燃料电池运行率，则可进一步提高供电满意度。

3)离网型光伏全直流微电网虽然增加了储能系统和MPPT控制器，但可以免去逆变器和终端直流用电器的整流器，社会效益和资源效益明显。

4)在能源管理方面，利用互联网和物联网引入远程控制和人机对话机制，在管理侧和用户侧之间通过互联网和物联网进行信息交流，指导用户合理用电，并通过远程控制实现微电网无线管理。对应于各个应用场景，能源管理系统中的控制参数可由用户根据需要实时设定，使系统运维更为便捷。

5)在采用电压等级这个问题上，母线电压高有多种优点，但是从安全角度和使用便利性考虑，进入用户侧之前可以采用较高的输电电压，进入用户侧以后，采用48 V规格比较适中。

6)电力的瞬间波动和短期不平衡都可以由储能单元通过吸纳和释放来调节，但长周期阴雨天和晴天的电力使用因受到用户用电量和储能单元容量的限制，其平衡调整比较困难，这一点将是下一步研究工作的重点。