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分布式光储微电网设计及应用研究

2017-10-25

  微电网作为实现大规模分布式光伏利用的重要途径,规划建设分布式光储微电网,可降低用能系统对大电网的依赖。总体来说,发展分布式光储微电网的意义主要有以下4个方面:

  第一,平滑光伏发电的输出功率波动。由于光伏发电具有很强的间歇性、波动性和不确定性,接入电网时会带来很大的冲击。通过配置适量的储能装置,可使得光伏发电对整个电网来说具有功率可控性与可调度性,有效提高光伏发电接入电网的穿透率。

  第二,降低电网负荷峰谷差值,提高电网设施利用率。现有电力系统如果配置了足够大容量的储能系统,能够大规模地储存电能,即在负荷低谷时段内将电能储存起来,并在负荷高峰时段将其释放出来,这样也可以减少电网设施的配置容量,提高输配电设备的利用率,延缓现有配电网的建设。

  第三,提高电源的备用容量,增强电网安全稳定性和供电质量。为保证一定供电安全可靠性,必须对现有的电源提供备用容量,这样当大电网出现故障时,可将储能系统作为备用电源,临时组建微电网,为重要负荷提供备用电源直至电网恢复。

  第四,应急备用电源。当出现电网电能质量很差、拉闸限电或故障停电时,光储微电网可脱离电网,由储能变流器通过电池建立稳定电压,保证光伏正常发电,为本地重要负荷独立供电,提供应急备用电源。

  一、分布式光储微电网的发展现状

  光储微电网可以看成是一组由分布式光伏、储能装置、本地负荷组成的包括发、输、配、用管理系统在内的小型局域电网,并通过唯一的公共连接点接入大电网,既可以并网运行也可以独立运行。微电网中的电源以光伏等分布式发电电源为主,容量相对较小(一般50MW以下)。相比于传统的大电网供电方式,分布式光储微电网可以更好地满足用户越来越高的安全和可靠性要求,并为不同的用户提供多样化及个性化的供电需求。

  微电网自2001年由美国学者提出以来,目前在全球各地得到了广泛的关注并得到了示范应用,但截至目前为止,全球不同的国家及研究机构对微电网的定义和研究侧重点各有不同,比如美国对微电网的研究着重于利用微电网提高电能质量和可靠性;日本则在微电网方面的研究强调对可再生能源的利用;欧洲微电网的研究则更关注多个微电网的互联和市场交易等问题。

  分布式光储微电网是保证我国能源可持续发展战略实施的有效途径之一,发展潜力巨大。国家电网的“十三五”规划中指出,分布式电源发展是能源变革的方向之一。以光伏为主的分布式电源开发主要本着“因地制宜,科学利用”的原则,从本质上讲就是在用户侧就近安装电源,就近消纳,从而提高用电效率,减少输电损耗与成本。

  可以预见,随着我国电改9号文的深入实施,现有供电系统中,政府职能与企业职能将逐步分开,发电与输配电网彻底分离,发电侧竞争市场机制的建立,从而为分布式能源系统的发展奠定了坚实的基础。正在发生中的能源变革也为分布式电源在电网中应用提供了巨大机遇。国网公司提出的“十三五”电网规划中,明确提出要认真落实国家关于推动能源生产和消费革命的战略部署,并逐步优化配电网结构,建设智能配电网,适应分布式电源点多面广的发展特点,满足分布式能源的灵活接入与高效利用,全力支持2020年全国100个新能源示范城市、200个绿色能源示范县建设,最大限度满足分布式新能源发展需要。

  二、分布式光储微电网的典型设计方案

  1.分布式光储微电网的组成

  分布式光储微电网主要包括分布式光伏发电系统、电池储能系统以及相关的配电、能量管理系统(EMS)等。其中,有电网支撑时,光伏储能系统作为微电网内的主要供电微电源,负荷用电主要来自于光伏发电,储能系统则可以平滑光伏发电波动,提高微电源的电网接入友好性;电网停电时,光储微电网则启动应急备用供电功能,由储能变流器建立微网母线支撑,光伏发电系统可为微电网内的负荷提供持续的能量供应。典型光储微电网的系统构成如图1所示。

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  图1 分布式光储微电网系统构成示意图

  (1)光伏发电系统

  光伏发电系统主要包括光伏组件和光伏逆变器。光伏组件是光伏系统的主要发电来源。光伏组件的种类有很多,如单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和多元化合物太阳电池等。一般应用,“多晶硅”是首选。光伏逆变器是实现交直流能量转换的核心部分。光伏逆变器主要有组串式逆变器和集中型逆变器,小型电力系统一般选用组串式逆变器。

  (2)电池储能系统

  电池储能系统主要包括储能电池、电池管理系统和储能变流器。储能电池作为能量存储的载体,既可实现能量搬移,也可实现功率补偿。其中,锂离子电池储能技术是一种大规模高效电化学储能新技术,相比于其他电池储能技术,锂离子电池具有如下优势:电压高、能量密度高、输出功率高,能量效率高;电池使用寿命长,自放电低、环保无污染等,因此大规模储能系统中得到越来越广泛的应用。电池管理系统可以对电池阵列组进行全方位的监控、管理、保护、报警等,最大化延长储能电池堆使用寿命。大型储能系统一般采用三层模块化结构,包括电池堆管理系统(BAMS)、电池簇管理系统(BCMS)、电池模块管理单元(BMU)等组件。

  (3)能量管理系统(EMS)

  EMS是整个光伏微网系统的控制器,其能量管理功能包括系统运行模式判断、功率调度及设备运行状态控制,具体而言就是根据电网状态判断系统处于独立运行还是并网运行,在独立运行时需要根据功率动态平衡原则完成光伏发电和储能系统的功率调度,根据系统状态及设备状态完成光伏并网逆变器的启停控制和双模式逆变器的组网控制;在并网运行时根据蓄电池的状态完成双模式逆变器的充电控制及并网逆变器的启停控制。

  2.设计原则

  笔者设计的光伏混合微电网系统,应考虑如下几个关键问题:

  ①蓄电池(如铅酸电池)应具有较高的运行寿命。一般情况下,在100%放电深度下,铅酸电池的充放电循环次数为600~1000 次,80%放电深度下为800~1200 次。②微电网系统的设计本着简单、可靠,自动化程度高。微电网系统的各种电源及设备的运行控制应完全采用无人值守的设计运行,整个系统维护工作量少。③在保证系统安全、可靠的前提下,提供高品质的电能质量,保证当地居民的用电需求。④结合当地自然资源及负荷侧需求响应特性,尽可能高的利用太阳能资源,减少弃光的同时,要保证在连续阴雨天2天内,50%的重要负荷供电需求。⑤系统采用模块化设计,后期扩容方便,满足即插即用的设计需求。

  3.典型运行状态

  光储微电网主要分为以下4种运行状态。

  (1)系统并网运行

  系统并网运行时,PCS处于并网运行状态,EMS根据蓄电池的荷电状态判断PCS是否需要对蓄电池进行充电以及以何种方式充电;对于不需要接受功率调度的微网电站,光伏并网逆变器最大功率发电,对需要接受调度指令的微网电站,EMS将调度指令发送给光伏并网逆变器按照指令控制发电功率。

  (2)并网向独立切换

  在并网状态下如果EMS检测到电网失电或电网故障则控制并网开关断开,同时PCS自动切换到独立运行,以电压源形式启动组建系统电压;光伏并网逆变器因失电停机,EMS在PCS启动完成之后,控制并网逆变器重新启动,系统进入独立运行模式。

  (3)系统独立运行

  系统独立运行时,EMS的管理原则是通过电源和负荷的管理来维持微网功率的动态平衡,保证母线电压和频率的稳定。此时PCS电压源运行,输出三相交流电压组网,光伏并网逆变器并联运行。此时根据负荷大小与光伏发电等电源的发电功率大小EMS需要对电源和负荷进行管理。

  这种情况下系统分为2种运行方式,一是负荷功率大于分布式电源的输出功率,此时各电源最大功率发电,PCS补充负荷剩余部分的功率需求,蓄电池释放电能,EMS实时监测蓄电池状态,当蓄电池放电到截止电压时,EMS应启动负荷管理。负荷管理需要根据实际情况对不同负荷进行分类,优先重要敏感负荷的供电,首先切除不重要负荷直到蓄电池停止放电;二是负荷消耗的功率小于电源输出的功率,此时PCS会给蓄电池充电,同样EMS实时检测蓄电池状态,当蓄电池电量充满后EMS限制电源的功率输出,对可以接受调度的光伏发电系统,根据负荷大小控制其输出,对不能接受调度的发电系统,EMS通过控制其开关机实现对发电功率的控制。对于由多组并网逆变器构成的系统,为降低光伏并网逆变器同时启动对母线电压的冲击,需要根据实际情况(光伏逆变器的控制性能、数量、功率等级等)对其进行分步控制。

  (4)独立向并网切换

  在独立运行状态下EMS检测到电网电压正常后,首先将PCS运行模式切换为并网运行,PCS自动调整输出电压与大电网的电压同步,然后EMS闭合并网开关,所有设备并网运行,系统进入并网运行模式。

  三、应用案例设计分析

  1.应用场景描述

  具体应用的分布式光储微电网拓扑如图2所示,光伏阵列通过DC/DC智能充电控制器给储能系统充电,后经过DC/AC变流器接入交流母线,该方案广泛应用于光储微电网、光储一体化可控型并网系统以及电动汽车光伏直流充电桩等应用场合。

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  图2 分布式光储微电网拓扑结构

  针对图2所示的拓扑框图,系统参数配置如下:光伏阵列:20kWp,开路电压720V;DC/DC充电控制器:20kW一台;储能系统:铅酸蓄电池72kWh(360V/200Ah);DC/AC变流器:20kW一台;交流负载:本地生活负载,包括空调、照明、做饭等负载。

  2.光储容量配置设计

  首先本着因地制宜,科学设计的原则,在该应用建筑屋顶250m2,可安装光伏电池版20kWp。接下来关键是要根据光伏及负载情况来确定储能系统的容量及配置。

  交流最大负载约为17kW,考虑裕量后以20kW负载计算,满足1h供能需求。储能有效容量约需20kWh,考虑交直流变换的效率,设定为90%,最大充放电深度按照90%计算,系统容量系数取0.8,则需配置容量为20/0.8=25kWh。

  直流侧电压需求:方案中DC/AC变流器交流采用了127:380的升压隔离变压器并网,逆变器调制比取0.85,这样直流侧电压Udc≥210V,这决定了储能系统的最低放电截至电压。

  考虑到是光储一体化的应用场景,充放电频率按照平均一天一次;充放电电流最大1C。锂离子电池储能系统,单体电池电压为3.2V(标准),2.5V电压截止。表1列出了满足本系统要求的3种储能系统的配置。

  表1 储能系统不同配置设计

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  3.储能管理系统设计由上述配置方式对比可知,上述方案均选择较大容量的电池单体,每个电池厂家常用电池型号不一,还需特殊考虑。

  为了保证单体电池的均衡充放电,必须配置相应的储能管理系统来负责系统的管理,主要功能包括电池运行基本信息测量、电量估计、单体电池间的均衡、数据通信等几个方面,具体如图3所示。

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  图3 典型锂电储能管理系统架构图

  为了完成对整个电池柜的智能化管理和控制,电池管理系统一般分3个层级:电芯管理控制层(CSC),电池组管理单元(SBMU)和电池能量管理单元(MBMU)。CSC位于电池箱内,完成对电池箱内部单节电池信息的数据采集,并将数据上传给SBMU,同时根据SBMU下发的指令完成电池箱内单体电芯间的均衡。SBMU位于主控箱内,负责电池柜的管理工作,接收电池柜内部CSC上传的详细数据,采样电池柜的电压和电流,进行SOC、SOH计算和修正,完成电池柜预充电和充放电管理,并将相关数据上传给MBMU。

  MBMU安装在主控箱内,MBMU负责整个电池系统的运行管理,接收SBMU上传的数据进行分析和处理,与外部设备通过干接点进行交互,并将电池柜系统数据转发给电池系统监控系统显示和保存。

  4.运行结果分析

  光储微电网系统一方面可以保证系统具有并网与独立运行两种运行模式,另一方面也能平抑光伏发电的波动性,图4是某典型日用于控制并网点处功率恒定的运行曲线。

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  图4 典型日光储微电网运行曲线

  从运行结果来看,分布式光储微电网完全能够平抑光伏等可再生能源的功率短时波动,减少分布式电源功率波动对配电网的冲击。

  四、结语

  未来“能源互联网”中,将以高压输电线路为“主干网”;而以各种可再生能源组成的微电网作为区域网。“能源互联网”强调的是大量分布式能源,尤其是光伏发电的接入,强调是信息和能量的高速和高效传输,强调的多方能源载体的对等参与市场调节。在“能源互联网”背景下,微电网将取代现有的配电网,成为能源网络构架中非常重要的环节,是大量负荷,分布式能源的接入载体,是实现分散能源利用、接入、消费、生产、管理和调节的综合性网络。(作者:黄小红 程鹏志 白兆海 黄智尚)