分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

責(zé)任編輯:editor006

作者:黃小紅 程鵬志 白兆海 黃智尚

2017-10-25 16:19:59

摘自:新材料產(chǎn)業(yè)

微電網(wǎng)作為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式光伏利用的重要途徑,規(guī)劃建設(shè)分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng),可降低用能系統(tǒng)對(duì)大電網(wǎng)的依賴。圖4 典型日光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行曲線 

微電網(wǎng)作為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式光伏利用的重要途徑,規(guī)劃建設(shè)分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng),可降低用能系統(tǒng)對(duì)大電網(wǎng)的依賴??傮w來說,發(fā)展分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)的意義主要有以下4個(gè)方面:

第一,平滑光伏發(fā)電的輸出功率波動(dòng)。由于光伏發(fā)電具有很強(qiáng)的間歇性、波動(dòng)性和不確定性,接入電網(wǎng)時(shí)會(huì)帶來很大的沖擊。通過配置適量的儲(chǔ)能裝置,可使得光伏發(fā)電對(duì)整個(gè)電網(wǎng)來說具有功率可控性與可調(diào)度性,有效提高光伏發(fā)電接入電網(wǎng)的穿透率。

第二,降低電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差值,提高電網(wǎng)設(shè)施利用率。現(xiàn)有電力系統(tǒng)如果配置了足夠大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng),能夠大規(guī)模地儲(chǔ)存電能,即在負(fù)荷低谷時(shí)段內(nèi)將電能儲(chǔ)存起來,并在負(fù)荷高峰時(shí)段將其釋放出來,這樣也可以減少電網(wǎng)設(shè)施的配置容量,提高輸配電設(shè)備的利用率,延緩現(xiàn)有配電網(wǎng)的建設(shè)。

第三,提高電源的備用容量,增強(qiáng)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。為保證一定供電安全可靠性,必須對(duì)現(xiàn)有的電源提供備用容量,這樣當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí),可將儲(chǔ)能系統(tǒng)作為備用電源,臨時(shí)組建微電網(wǎng),為重要負(fù)荷提供備用電源直至電網(wǎng)恢復(fù)。

第四,應(yīng)急備用電源。當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)電能質(zhì)量很差、拉閘限電或故障停電時(shí),光儲(chǔ)微電網(wǎng)可脫離電網(wǎng),由儲(chǔ)能變流器通過電池建立穩(wěn)定電壓,保證光伏正常發(fā)電,為本地重要負(fù)荷獨(dú)立供電,提供應(yīng)急備用電源。

一、分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

光儲(chǔ)微電網(wǎng)可以看成是一組由分布式光伏、儲(chǔ)能裝置、本地負(fù)荷組成的包括發(fā)、輸、配、用管理系統(tǒng)在內(nèi)的小型局域電網(wǎng),并通過唯一的公共連接點(diǎn)接入大電網(wǎng),既可以并網(wǎng)運(yùn)行也可以獨(dú)立運(yùn)行。微電網(wǎng)中的電源以光伏等分布式發(fā)電電源為主,容量相對(duì)較小(一般50MW以下)。相比于傳統(tǒng)的大電網(wǎng)供電方式,分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)可以更好地滿足用戶越來越高的安全和可靠性要求,并為不同的用戶提供多樣化及個(gè)性化的供電需求。

微電網(wǎng)自2001年由美國(guó)學(xué)者提出以來,目前在全球各地得到了廣泛的關(guān)注并得到了示范應(yīng)用,但截至目前為止,全球不同的國(guó)家及研究機(jī)構(gòu)對(duì)微電網(wǎng)的定義和研究側(cè)重點(diǎn)各有不同,比如美國(guó)對(duì)微電網(wǎng)的研究著重于利用微電網(wǎng)提高電能質(zhì)量和可靠性;日本則在微電網(wǎng)方面的研究強(qiáng)調(diào)對(duì)可再生能源的利用;歐洲微電網(wǎng)的研究則更關(guān)注多個(gè)微電網(wǎng)的互聯(lián)和市場(chǎng)交易等問題。

分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)是保證我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施的有效途徑之一,發(fā)展?jié)摿薮蟆?guó)家電網(wǎng)的“十三五”規(guī)劃中指出,分布式電源發(fā)展是能源變革的方向之一。以光伏為主的分布式電源開發(fā)主要本著“因地制宜,科學(xué)利用”的原則,從本質(zhì)上講就是在用戶側(cè)就近安裝電源,就近消納,從而提高用電效率,減少輸電損耗與成本。

可以預(yù)見,隨著我國(guó)電改9號(hào)文的深入實(shí)施,現(xiàn)有供電系統(tǒng)中,政府職能與企業(yè)職能將逐步分開,發(fā)電與輸配電網(wǎng)徹底分離,發(fā)電側(cè)競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)機(jī)制的建立,從而為分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。正在發(fā)生中的能源變革也為分布式電源在電網(wǎng)中應(yīng)用提供了巨大機(jī)遇。國(guó)網(wǎng)公司提出的“十三五”電網(wǎng)規(guī)劃中,明確提出要認(rèn)真落實(shí)國(guó)家關(guān)于推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命的戰(zhàn)略部署,并逐步優(yōu)化配電網(wǎng)結(jié)構(gòu),建設(shè)智能配電網(wǎng),適應(yīng)分布式電源點(diǎn)多面廣的發(fā)展特點(diǎn),滿足分布式能源的靈活接入與高效利用,全力支持2020年全國(guó)100個(gè)新能源示范城市、200個(gè)綠色能源示范縣建設(shè),最大限度滿足分布式新能源發(fā)展需要。

二、分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)的典型設(shè)計(jì)方案

1.分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)的組成

分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)主要包括分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以及相關(guān)的配電、能量管理系統(tǒng)(EMS)等。其中,有電網(wǎng)支撐時(shí),光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)內(nèi)的主要供電微電源,負(fù)荷用電主要來自于光伏發(fā)電,儲(chǔ)能系統(tǒng)則可以平滑光伏發(fā)電波動(dòng),提高微電源的電網(wǎng)接入友好性;電網(wǎng)停電時(shí),光儲(chǔ)微電網(wǎng)則啟動(dòng)應(yīng)急備用供電功能,由儲(chǔ)能變流器建立微網(wǎng)母線支撐,光伏發(fā)電系統(tǒng)可為微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷提供持續(xù)的能量供應(yīng)。典型光儲(chǔ)微電網(wǎng)的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

(1)光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏組件和光伏逆變器。光伏組件是光伏系統(tǒng)的主要發(fā)電來源。光伏組件的種類有很多,如單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池和多元化合物太陽電池等。一般應(yīng)用,“多晶硅”是首選。光伏逆變器是實(shí)現(xiàn)交直流能量轉(zhuǎn)換的核心部分。光伏逆變器主要有組串式逆變器和集中型逆變器,小型電力系統(tǒng)一般選用組串式逆變器。

(2)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能電池、電池管理系統(tǒng)和儲(chǔ)能變流器。儲(chǔ)能電池作為能量存儲(chǔ)的載體,既可實(shí)現(xiàn)能量搬移,也可實(shí)現(xiàn)功率補(bǔ)償。其中,鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)是一種大規(guī)模高效電化學(xué)儲(chǔ)能新技術(shù),相比于其他電池儲(chǔ)能技術(shù),鋰離子電池具有如下優(yōu)勢(shì):電壓高、能量密度高、輸出功率高,能量效率高;電池使用壽命長(zhǎng),自放電低、環(huán)保無污染等,因此大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。電池管理系統(tǒng)可以對(duì)電池陣列組進(jìn)行全方位的監(jiān)控、管理、保護(hù)、報(bào)警等,最大化延長(zhǎng)儲(chǔ)能電池堆使用壽命。大型儲(chǔ)能系統(tǒng)一般采用三層模塊化結(jié)構(gòu),包括電池堆管理系統(tǒng)(BAMS)、電池簇管理系統(tǒng)(BCMS)、電池模塊管理單元(BMU)等組件。

(3)能量管理系統(tǒng)(EMS)

EMS是整個(gè)光伏微網(wǎng)系統(tǒng)的控制器,其能量管理功能包括系統(tǒng)運(yùn)行模式判斷、功率調(diào)度及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)控制,具體而言就是根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)判斷系統(tǒng)處于獨(dú)立運(yùn)行還是并網(wǎng)運(yùn)行,在獨(dú)立運(yùn)行時(shí)需要根據(jù)功率動(dòng)態(tài)平衡原則完成光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率調(diào)度,根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)及設(shè)備狀態(tài)完成光伏并網(wǎng)逆變器的啟??刂坪碗p模式逆變器的組網(wǎng)控制;在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)蓄電池的狀態(tài)完成雙模式逆變器的充電控制及并網(wǎng)逆變器的啟??刂?。

2.設(shè)計(jì)原則

筆者設(shè)計(jì)的光伏混合微電網(wǎng)系統(tǒng),應(yīng)考慮如下幾個(gè)關(guān)鍵問題:

①蓄電池(如鉛酸電池)應(yīng)具有較高的運(yùn)行壽命。一般情況下,在100%放電深度下,鉛酸電池的充放電循環(huán)次數(shù)為600~1000 次,80%放電深度下為800~1200 次。②微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本著簡(jiǎn)單、可靠,自動(dòng)化程度高。微電網(wǎng)系統(tǒng)的各種電源及設(shè)備的運(yùn)行控制應(yīng)完全采用無人值守的設(shè)計(jì)運(yùn)行,整個(gè)系統(tǒng)維護(hù)工作量少。③在保證系統(tǒng)安全、可靠的前提下,提供高品質(zhì)的電能質(zhì)量,保證當(dāng)?shù)鼐用竦挠秒娦枨蟆"芙Y(jié)合當(dāng)?shù)刈匀毁Y源及負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)特性,盡可能高的利用太陽能資源,減少棄光的同時(shí),要保證在連續(xù)陰雨天2天內(nèi),50%的重要負(fù)荷供電需求。⑤系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),后期擴(kuò)容方便,滿足即插即用的設(shè)計(jì)需求。

3.典型運(yùn)行狀態(tài)

光儲(chǔ)微電網(wǎng)主要分為以下4種運(yùn)行狀態(tài)。

(1)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行

系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),PCS處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),EMS根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)判斷PCS是否需要對(duì)蓄電池進(jìn)行充電以及以何種方式充電;對(duì)于不需要接受功率調(diào)度的微網(wǎng)電站,光伏并網(wǎng)逆變器最大功率發(fā)電,對(duì)需要接受調(diào)度指令的微網(wǎng)電站,EMS將調(diào)度指令發(fā)送給光伏并網(wǎng)逆變器按照指令控制發(fā)電功率。

(2)并網(wǎng)向獨(dú)立切換

在并網(wǎng)狀態(tài)下如果EMS檢測(cè)到電網(wǎng)失電或電網(wǎng)故障則控制并網(wǎng)開關(guān)斷開,同時(shí)PCS自動(dòng)切換到獨(dú)立運(yùn)行,以電壓源形式啟動(dòng)組建系統(tǒng)電壓;光伏并網(wǎng)逆變器因失電停機(jī),EMS在PCS啟動(dòng)完成之后,控制并網(wǎng)逆變器重新啟動(dòng),系統(tǒng)進(jìn)入獨(dú)立運(yùn)行模式。

(3)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行

系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí),EMS的管理原則是通過電源和負(fù)荷的管理來維持微網(wǎng)功率的動(dòng)態(tài)平衡,保證母線電壓和頻率的穩(wěn)定。此時(shí)PCS電壓源運(yùn)行,輸出三相交流電壓組網(wǎng),光伏并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行。此時(shí)根據(jù)負(fù)荷大小與光伏發(fā)電等電源的發(fā)電功率大小EMS需要對(duì)電源和負(fù)荷進(jìn)行管理。

這種情況下系統(tǒng)分為2種運(yùn)行方式,一是負(fù)荷功率大于分布式電源的輸出功率,此時(shí)各電源最大功率發(fā)電,PCS補(bǔ)充負(fù)荷剩余部分的功率需求,蓄電池釋放電能,EMS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池狀態(tài),當(dāng)蓄電池放電到截止電壓時(shí),EMS應(yīng)啟動(dòng)負(fù)荷管理。負(fù)荷管理需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)不同負(fù)荷進(jìn)行分類,優(yōu)先重要敏感負(fù)荷的供電,首先切除不重要負(fù)荷直到蓄電池停止放電;二是負(fù)荷消耗的功率小于電源輸出的功率,此時(shí)PCS會(huì)給蓄電池充電,同樣EMS實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池狀態(tài),當(dāng)蓄電池電量充滿后EMS限制電源的功率輸出,對(duì)可以接受調(diào)度的光伏發(fā)電系統(tǒng),根據(jù)負(fù)荷大小控制其輸出,對(duì)不能接受調(diào)度的發(fā)電系統(tǒng),EMS通過控制其開關(guān)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電功率的控制。對(duì)于由多組并網(wǎng)逆變器構(gòu)成的系統(tǒng),為降低光伏并網(wǎng)逆變器同時(shí)啟動(dòng)對(duì)母線電壓的沖擊,需要根據(jù)實(shí)際情況(光伏逆變器的控制性能、數(shù)量、功率等級(jí)等)對(duì)其進(jìn)行分步控制。

(4)獨(dú)立向并網(wǎng)切換

在獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)下EMS檢測(cè)到電網(wǎng)電壓正常后,首先將PCS運(yùn)行模式切換為并網(wǎng)運(yùn)行,PCS自動(dòng)調(diào)整輸出電壓與大電網(wǎng)的電壓同步,然后EMS閉合并網(wǎng)開關(guān),所有設(shè)備并網(wǎng)運(yùn)行,系統(tǒng)進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行模式。

三、應(yīng)用案例設(shè)計(jì)分析

1.應(yīng)用場(chǎng)景描述

具體應(yīng)用的分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D2所示,光伏陣列通過DC/DC智能充電控制器給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電,后經(jīng)過DC/AC變流器接入交流母線,該方案廣泛應(yīng)用于光儲(chǔ)微電網(wǎng)、光儲(chǔ)一體化可控型并網(wǎng)系統(tǒng)以及電動(dòng)汽車光伏直流充電樁等應(yīng)用場(chǎng)合。

 

圖2 分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

 

針對(duì)圖2所示的拓?fù)淇驁D,系統(tǒng)參數(shù)配置如下:光伏陣列:20kWp,開路電壓720V;DC/DC充電控制器:20kW一臺(tái);儲(chǔ)能系統(tǒng):鉛酸蓄電池72kWh(360V/200Ah);DC/AC變流器:20kW一臺(tái);交流負(fù)載:本地生活負(fù)載,包括空調(diào)、照明、做飯等負(fù)載。

2.光儲(chǔ)容量配置設(shè)計(jì)

首先本著因地制宜,科學(xué)設(shè)計(jì)的原則,在該應(yīng)用建筑屋頂250m2,可安裝光伏電池版20kWp。接下來關(guān)鍵是要根據(jù)光伏及負(fù)載情況來確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量及配置。

交流最大負(fù)載約為17kW,考慮裕量后以20kW負(fù)載計(jì)算,滿足1h供能需求。儲(chǔ)能有效容量約需20kWh,考慮交直流變換的效率,設(shè)定為90%,最大充放電深度按照90%計(jì)算,系統(tǒng)容量系數(shù)取0.8,則需配置容量為20/0.8=25kWh。

直流側(cè)電壓需求:方案中DC/AC變流器交流采用了127:380的升壓隔離變壓器并網(wǎng),逆變器調(diào)制比取0.85,這樣直流側(cè)電壓Udc≥210V,這決定了儲(chǔ)能系統(tǒng)的最低放電截至電壓。

考慮到是光儲(chǔ)一體化的應(yīng)用場(chǎng)景,充放電頻率按照平均一天一次;充放電電流最大1C。鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng),單體電池電壓為3.2V(標(biāo)準(zhǔn)),2.5V電壓截止。表1列出了滿足本系統(tǒng)要求的3種儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置。

表1 儲(chǔ)能系統(tǒng)不同配置設(shè)計(jì)


  3.儲(chǔ)能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)由上述配置方式對(duì)比可知,上述方案均選擇較大容量的電池單體,每個(gè)電池廠家常用電池型號(hào)不一,還需特殊考慮。

為了保證單體電池的均衡充放電,必須配置相應(yīng)的儲(chǔ)能管理系統(tǒng)來負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理,主要功能包括電池運(yùn)行基本信息測(cè)量、電量估計(jì)、單體電池間的均衡、數(shù)據(jù)通信等幾個(gè)方面,具體如圖3所示。

 

圖3 典型鋰電儲(chǔ)能管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

 

為了完成對(duì)整個(gè)電池柜的智能化管理和控制,電池管理系統(tǒng)一般分3個(gè)層級(jí):電芯管理控制層(CSC),電池組管理單元(SBMU)和電池能量管理單元(MBMU)。CSC位于電池箱內(nèi),完成對(duì)電池箱內(nèi)部單節(jié)電池信息的數(shù)據(jù)采集,并將數(shù)據(jù)上傳給SBMU,同時(shí)根據(jù)SBMU下發(fā)的指令完成電池箱內(nèi)單體電芯間的均衡。SBMU位于主控箱內(nèi),負(fù)責(zé)電池柜的管理工作,接收電池柜內(nèi)部CSC上傳的詳細(xì)數(shù)據(jù),采樣電池柜的電壓和電流,進(jìn)行SOC、SOH計(jì)算和修正,完成電池柜預(yù)充電和充放電管理,并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳給MBMU。

MBMU安裝在主控箱內(nèi),MBMU負(fù)責(zé)整個(gè)電池系統(tǒng)的運(yùn)行管理,接收SBMU上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,與外部設(shè)備通過干接點(diǎn)進(jìn)行交互,并將電池柜系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給電池系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)顯示和保存。

4.運(yùn)行結(jié)果分析

光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)一方面可以保證系統(tǒng)具有并網(wǎng)與獨(dú)立運(yùn)行兩種運(yùn)行模式,另一方面也能平抑光伏發(fā)電的波動(dòng)性,圖4是某典型日用于控制并網(wǎng)點(diǎn)處功率恒定的運(yùn)行曲線。

 

圖4 典型日光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行曲線

 

從運(yùn)行結(jié)果來看,分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)完全能夠平抑光伏等可再生能源的功率短時(shí)波動(dòng),減少分布式電源功率波動(dòng)對(duì)配電網(wǎng)的沖擊。

四、結(jié)語

未來“能源互聯(lián)網(wǎng)”中,將以高壓輸電線路為“主干網(wǎng)”;而以各種可再生能源組成的微電網(wǎng)作為區(qū)域網(wǎng)。“能源互聯(lián)網(wǎng)”強(qiáng)調(diào)的是大量分布式能源,尤其是光伏發(fā)電的接入,強(qiáng)調(diào)是信息和能量的高速和高效傳輸,強(qiáng)調(diào)的多方能源載體的對(duì)等參與市場(chǎng)調(diào)節(jié)。在“能源互聯(lián)網(wǎng)”背景下,微電網(wǎng)將取代現(xiàn)有的配電網(wǎng),成為能源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中非常重要的環(huán)節(jié),是大量負(fù)荷,分布式能源的接入載體,是實(shí)現(xiàn)分散能源利用、接入、消費(fèi)、生產(chǎn)、管理和調(diào)節(jié)的綜合性網(wǎng)絡(luò)。

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