基于光伏电源和市电电源的交直流混合微网控制系统设计

2024-01-18孙国杰

中国资源综合利用 2023年12期

孙国杰

（矿冶科技集团有限公司，北京 100160）

随着碳达峰碳中和目标的提出，中国密集出台政策推进能源革命，推动低碳发展。中国电力结构低碳转型的关键是可再生能源的发展。可再生能源未来将呈现爆发性增长，给电力系统的安全稳定带来冲击[1]。建筑结合零排放的光伏发电进行能源供应的系统中，无论是工业园区还是单栋建筑的微网系统，主流配电设计以交流配电或者直流配电的单一微网系统为主[2]。单一的微网系统无法根据接入负载进行灵活配置，适用性较差，无法满足不同的使用场景。本文提出一种交直流混合微网架构及其控制系统，调配混合微网系统中所有电源侧、负载侧的变流器设备以及可调控末端电器，实现整个交直流混合微网系统的能源监测、显示管理和维护功能。

1 带储能光伏并网系统

工业园区屋顶光伏资源丰富，传统光伏发电普遍采用直接并网方式。但是，太阳能的利用具有不可预测性，导致电网潮流波动异常，严重时可能导致供电崩溃。另外，用电微网接入充电桩等大功率负载，会导致峰、谷差异增大，进而导致电力系统供需不平衡[3-4]。因此，建立“光伏+储能+充电站”（简称光储充）一体化系统是一种很好的解决方案。

1.1 光储充交流微网系统架构

光储充交流微网系统架构的常见形式如图1所示。光伏组件通过单向直流/交流（DC/AC）变换器，接入380 V 低压交流母线；储能装置通过双向DC/AC变换器与光伏组件并联接入母线。此系统架构下，分布式光伏就地消纳，通过储能的跨时调配，具备更平稳的输出特性，有效减轻对电网的冲击。在电网故障情况下，储能可作为备用电源，保证微网内重要负荷的供电稳定[5]。但是，在此种网络架构下，无论来自光伏发电系统还是储能装置，交流负载/新能源汽车电源都经过交流/直流（AC/DC）变换器、DC/AC 变换器多次交/直变换，能量转换损耗大。另外，由于要考虑孤网运行备用容量，光伏容量超配，在正常运行模式下，光伏自发自用有巨大裕量，余电上网依然会造成一定的电网冲击。

图1 光储充交流微网拓扑结构

1.2 光储充交流微网运行模式

微电网运行模式需要结合项目实际运行工况和需求，运行策略合理是微电网可靠和经济运行的保障[6]。常见的模式是并网运行模式，系统内发电、用电能量在并网点可以双向流动。微电网对储能充放电策略灵活调整，以弥补光伏发电量与负荷用量的不匹配[7]：当光伏发电量远远大于负荷用电量时，在储能双向AC/DC 变换器的控制下，储能充放电仅用来瞬时平滑光伏发电波动，大部分光伏发电直接上网；当光伏发电量近似等于负荷用电量时，储能模块也主要用于平抑光伏发电波动，保障微电网电量实时平衡；当光伏发电量远小于负荷用电量时，储能装置主要用于削峰填谷，即在晚上用电低谷时段充电，在白天用电高峰时段放电。

2 光储直流配电微网系统

2.1 光储直流配电微网系统架构

一般民用建筑及工业园区供电距离近，多采用典型的链式直流拓扑结构[8-9]，如图2所示。此拓扑结构中，分布式光伏发电和储能通过直流/直流变换器，以直流母线为分配核心，实现系统能量的智能调配[10]。此系统链式结构简单，某些用电设备可很好兼容传统的400 V 交流配电系统[11]。

图2 直流配电微网拓扑结构

但是，此系统仅适用于分布式光伏发电与负载匹配性良好的情况。功率及电量均匹配良好，电能经过直流/直流（DC/DC）变换器一次变换，供直流负载使用。在电源与负载时间不匹配的情况下，储能装置和少量交流负载发挥调蓄作用。电能发、储、配、用过程仅执行直/直转换，省略直/交、交/直重复变换，大大减少能量转换损耗[12]。分布式光伏发电与负载匹配性不好时，第一种情况是分布式光伏发电供能不足，直流负载、交流负载均需要从市电供能，电能经过AC/DC 变换器、DC/DC 变换器或DC/AC 变换器两次变换，能量转换损耗大；第二种情况是分布式光伏发电供能过剩，交流负载消耗或送入电网，电能同样经过DC/DC 变换器、DC/AC 变换器两次变换，能量转换损耗大[13]。

2.2 直流配电微网运行模式

直流微网配电系统结构较为简单，但是馈电线路有多个接入点，因此多换流器之间必然存在相互耦合的问题。研究表明[14]，直流配电系统的稳定性与网络架构、变流器的控制策略与参数、电源及负荷的位置等因素密切相关。

常用直流微网控制策略分为两层。第一层为微网系统控制，主要是微网能量层级的调配，具体对发电、用电、储电功率传输以及微网母线电压的整体策略控制；第二层为单元控制，主要对各变流器及可调控末端电器进行监控。当直流配电微网下层发生故障时，如分布式光伏发电发生故障，首先将故障线路切除，为避免整个微网系统出现短时功率跌落，控制储能单元向直流母线传输功率，维持系统的功率平衡，减小电压波动，增加系统的稳定性。

直流微网系统中，变换器及可调末端电器设备核心为电力电子器件，采用网络通信传输方式是更加方便的。因此，直流微网控制系统多采用本地工控机（或嵌入式控制器）+云端部署的方式，具备友好的人机交互界面（HMI），具备云端远程监控功能，具备必要的数据存储和分析能力，具备开放通信协议及编程接口。

3 光储交直流混合微网系统

3.1 交直流混合微网系统架构

交直流混合微网是指部分用电负荷、充电桩接入直流母线，其余用电负荷、充电桩接入交流母线。无法消纳的光伏电力优先储存于储能装置中，后根据微网用电需求，有效进行跨时电力调节。交流系统与直流系统可实现能量互济。交直流混合微网配电系统拓扑结构如图3所示[15]。

图3 交直流混合微网拓扑结构

在直流微网中，直流母线（可设定为750 V）是微网能量分配核心[16]，电源侧包括光伏电源、放电状态的储能电源，通过AC/DC 变换器接入的市电电源；负载侧包括空调等直流接口、汽车直流充电桩和其他直流接口等。在交流微网中，电源侧包括光伏电源、放电状态的储能电源，并联接入的市电电源；负载侧包括建筑交流接口、电动汽车交流充电桩、其他交流接口等。

与传统光储充交流微网或直流配电微网相比，交直流混合微网系统具有显著的优势：变换器设备高效合理利用，减少不必要的能量损失；交直流电源、负载根据需要，可灵活分别接入合适的系统；同时，通过交直流微网异构互联措施，使得两套光储系统互为备用电源，确保负荷的供电可靠性。针对不同类型交直流负载的用电峰谷差异，进行负载跟踪和输出负荷校平，实现能源有效利用，增强交直流混合微网的柔性控制。

3.2 柔性能源管理平台

交直流混合微网柔性能源管理系统采用分层设计，整个系统分为顶层、中层、底层三个层级。其中，顶层负责数据呈现及人机交互，中层为数据通信与系统软件，底层为智能设备。

3.2.1 底层

底层主要由能源监测与柔性控制两部分组成。能源监测包括建筑内的各类智能仪表（如水表、电表、流量计、燃气表、蒸汽表等），借助通信技术，将设备的用能数据和运行数据上传到本地或者云端数据中台。柔性控制主要利用在设备端安装的节能执行设备（如执行器、伺服器和控制器）或设备本身提供的远程控制端口，远程通过手动或自动（柔性用能策略或算法）的方式实现对设备运行状态参数的控制调节。

3.2.2 中层

中层主要实现数据通信和系统软件相关功能，如能源数据存储、分析、处理及设备控制。数据通信包括现场设备与本地或云端数据库的通信、数据库与顶层数据展示前端的通信。系统软件功能层面，首先将设备上传的能耗及运行数据存储到平台数据库中，然后开展数据多维度统计、系统效率分析、用能趋势分析、用能时空分布特性分析、节能减排潜力分析、设备运行状态分析等，最后根据能源数据分析结果，自适应地制定并执行相应的处理策略，生成具体的设备控制流程和命令，分发给对应底层设备，同时监测设备返回的执行结果，形成系统闭环控制。

3.2.3 顶层

顶层负责数据呈现和人机交互。数据呈现主要包括系统及系统内设备的实时运行状态及参数呈现、历史运行数据的多形式展示、系统运行日志的可视化呈现。人机交互一般包括用户通过云端可视化界面远程调整系统内设备的运行模式和参数、按照用户设定条件进行数据的可视化呈现、系统用户信息管理、权限分配、日志查询等。

4 交直流混合微网运行实例

4.1 示范项目硬件平台

示范项目为中国华南地区某绿色产业园综合楼，范围为2 层与4 层的8 个办公区域，建筑面积为2 500 m2，使用净面积为1 644.96 m2。光伏装机峰值功率为56 kWp，配置光伏转换器（DC/DC）的最大功率为55 kW；锂电池储能为300 kW·h，配置储能变换器（双向DC/DC）的功率为150 kW；直流母线接入负荷还包括2 台功率60 kW 的直流充电桩、功率150 kW 的直流空调外机（恒压750 V）；750 V 母线转240 V 传输母线的直流变换器功率为30 kW，传输至单元办公区直流配电箱，每个配电箱配置240 V 转48 V 直流变换器（功率4.2 kW），空调内机及照明回路供电电压均为直流48 V。

园区厂房屋顶敷设的光伏发电设备峰值功率共计1 173.15 kWp，3 个交流并网点与上述直流配电系统交流并网点位于同一变压器下。因此，二者构成交直流混合微网系统。在此系统中，可根据微网具体用电需求，有效进行跨时电力调节。同时，交流系统与直流系统亦可实现能量互济。

4.2 运行数据分析

典型气象日夏日运行数据如图4所示。通过运行数据分析，01∶00—08∶00，系统通过谷时电价向电池充电；08∶00—19∶00，日间电价逐步提高为峰时电价和平时电价，建筑主要通过光伏和电池供电，减少电网取电量；19∶00—23∶00 为夜间峰时电价，系统优先利用电池供电，不足部分从电网获取；23∶00—24∶00，系统利用夜间谷时电价，开始利用电网电力向电池充电。该日光伏发电总量为384.62 kW·h，总负荷为1 153.60 kW·h，该时期，直流柔性建筑系统运行，帮助建筑进行充分光伏消纳，实现削峰填谷的目标。

图4 典型气象日系统运行数据（2022年8月22日）

选取并对比全年多个典型气象日运行数据，得到以下规律：直流微网系统在夏、秋两季的直流负荷较多，太阳辐射较强，储能等削峰填谷成效显著，因此会有较好的经济以及减碳效益；冬季，系统运行的直流电负荷最少，太阳辐射最弱，经济以及减碳效益最差；春季，系统运行成效有所提升。总体来看，直流柔性建筑系统运行可节约建筑电费日均322.98 元（每平方米0.20 元/d），减碳日均115.86 kg CO2（每平方米0.070 kg CO2/d）。

目前，光伏交流微网系统与示范项目直流微网系统柔性能源管理平台尚未实现融合，因此无法取得混合微网综合运行数据。系统融合后，由于工业园区用电量大且负荷稳定，可稳定消耗交流以及直流微网中光伏发电，有效弥补原系统春季乃至冬季光伏发电量过剩的弊端。另外，由于光伏发电量充足，直流微网中300 kW·h 锂电池可以更加高效利用，综合调配电池充放策略，赚取更高的峰谷价差。因此，可以预见，系统融合实现交流微网、直流微网能量互济，有效进行跨时电力调节将带来更高的经济、减碳效益，最终助力示范办公楼实现零碳运行。