DQZHAN技術訊：分布式光儲微電網設計及應用研究
微電網作為實現大規模分布式光伏利用的重要途徑，規劃建設分布式光儲微電網，可降低用能系統對大電網的依賴。總體來說，發展分布式光儲微電網的意義主要有以下4個方面：
**，平滑光伏發電的輸出功率波動。由于光伏發電具有很強的間歇性、波動性和不確定性，接入電網時會帶來很大的沖擊。通過配置適量的儲能裝置，可使得光伏發電對整個電網來說具有功率可控性與可調度性，有效提高光伏發電接入電網的穿透率。
**，降低電網負荷峰谷差值，提高電網設施利用率。現有電力系統如果配置了足夠大容量的儲能系統，能夠大規模地儲存電能，即在負荷低谷時段內將電能儲存起來，并在負荷高峰時段將其釋放出來，這樣也可以減少電網設施的配置容量，提高輸配電設備的利用率，延緩現有配電網的建設。
第三，提高電源的備用容量，增強電網**穩定性和供電質量。為保證一定供電**可靠性，必須對現有的電源提供備用容量，這樣當大電網出現故障時，可將儲能系統作為備用電源，臨時組建微電網，為重要負荷提供備用電源直至電網恢復。
第四，應急備用電源。當出現電網電能質量很差、拉閘限電或故障停電時，光儲微電網可脫離電網，由儲能變流器通過電池建立穩定電壓，保證光伏正常發電，為本地重要負荷獨立供電，提供應急備用電源。
一、分布式光儲微電網的發展現狀
光儲微電網可以看成是一組由分布式光伏、儲能裝置、本地負荷組成的包括發、輸、配、用管理系統在內的小型局域電網，并通過**的公共連接點接入大電網，既可以并網運行也可以獨立運行。微電網中的電源以光伏等分布式發電電源為主，容量相對較小(一般50MW以下)。相比于傳統的大電網供電方式，分布式光儲微電網可以更好地滿足用戶越來越高的**和可靠性要求，并為不同的用戶提供多樣化及個性化的供電需求。
微電網自2001年由美國學者提出以來，目前在全球各地得到了廣泛的關注并得到了示范應用，但截至目前為止，全球不同的國家及研究機構對微電網的定義和研究側重點各有不同，比如美國對微電網的研究著重于利用微電網提高電能質量和可靠性;日本則在微電網方面的研究強調對可再生能源的利用;歐洲微電網的研究則更關注多個微電網的互聯和市場交易等問題。
分布式光儲微電網是保證我國能源可持續發展戰略實施的有效途徑之一,發展潛力巨大。國家電網的“十三五”規劃中指出，分布式電源發展是能源變革的方向之一。以光伏為主的分布式電源開發主要本著“因地制宜，科學利用”的原則，從本質上講就是在用戶側就近安裝電源，就近消納，從而提高用電效率，減少輸電損耗與成本。
可以預見，隨著我國電改9號文的深入實施，現有供電系統中，政府職能與企業職能將逐步分開，發電與輸配電網徹底分離，發電側競爭市場機制的建立，從而為分布式能源系統的發展奠定了堅實的基礎。正在發生中的能源變革也為分布式電源在電網中應用提供了巨大機遇。國網公司提出的“十三五”電網規劃中，明確提出要認真落實國家關于推動能源生產和消費的戰略部署，并逐步優化配電網結構，建設智能配電網，適應分布式電源點多面廣的發展特點，滿足分布式能源的靈活接入與高效利用，全力支持2020年國內100個新能源示范城市、200個綠色能源示范縣建設，*大限度滿足分布式新能源發展需要。
二、分布式光儲微電網的典型設計方案
1.分布式光儲微電網的組成
分布式光儲微電網主要包括分布式光伏發電系統、電池儲能系統以及相關的配電、能量管理系統(EMS)等。其中，有電網支撐時，光伏儲能系統作為微電網內的主要供電微電源，負荷用電主要來自于光伏發電，儲能系統則可以平滑光伏發電波動，提高微電源的電網接入友好性;電網停電時，光儲微電網則啟動應急備用供電功能，由儲能變流器建立微網母線支撐，光伏發電系統可為微電網內的負荷提供持續的能量供應。典型光儲微電網的系統構成如圖1所示。
(1)光伏發電系統
光伏發電系統主要包括光伏組件和光伏逆變器。光伏組件是光伏系統的主要發電來源。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。一般應用，“多晶硅”是優選。光伏逆變器是實現交直流能量轉換的核心部分。光伏逆變器主要有組串式逆變器和集中型逆變器，小型電力系統一般選用組串式逆變器。
(2)電池儲能系統
電池儲能系統主要包括儲能電池、電池管理系統和儲能變流器。儲能電池作為能量存儲的載體，既可實現能量搬移，也可實現功率補償。其中，鋰離子電池儲能技術是一種大規模高效電化學儲能新技術，相比于其他電池儲能技術，鋰離子電池具有如下優勢：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，自放電低、環保無污染等，因此大規模儲能系統中得到越來越廣泛的應用。電池管理系統可以對電池陣列組進行全方位的監控、管理、保護、報警等，*大化延長儲能電池堆使用壽命。大型儲能系統一般采用三層模塊化結構，包括電池堆管理系統(BAMS)、電池簇管理系統(BCMS)、電池模塊管理單元(BMU)等組件。
(3)能量管理系統(EMS)
EMS是整個光伏微網系統的控制器，其能量管理功能包括系統運行模式判斷、功率調度及設備運行狀態控制，具體而言就是根據電網狀態判斷系統處于獨立運行還是并網運行，在獨立運行時需要根據功率動態平衡原則完成光伏發電和儲能系統的功率調度，根據系統狀態及設備狀態完成光伏并網逆變器的啟停控制和雙模式逆變器的組網控制;在并網運行時根據蓄電池的狀態完成雙模式逆變器的充電控制及并網逆變器的啟停控制。
2.設計原則
筆者設計的光伏混合微電網系統，應考慮如下幾個關鍵問題：
①蓄電池(如鉛酸電池)應具有較高的運行壽命。一般情況下，在100%放電深度下，鉛酸電池的充放電循環次數為600～1000 次，80%放電深度下為800～1200 次。②微電網系統的設計本著簡單、可靠，自動化程度高。微電網系統的各種電源及設備的運行控制應完全采用無人值守的設計運行，整個系統維護工作量少。③在保證系統**、可靠的前提下，提供高品質的電能質量，保證當地居民的用電需求。④結合當地自然資源及負荷側需求響應特性，盡可能高的利用太陽能資源，減少棄光的同時，要保證在連續陰雨天2天內，50%的重要負荷供電需求。⑤系統采用模塊化設計，后期擴容方便，滿足即插即用的設計需求。
3.典型運行狀態
光儲微電網主要分為以下4種運行狀態。
(1)系統并網運行
系統并網運行時，PCS處于并網運行狀態，EMS根據蓄電池的荷電狀態判斷PCS是否需要對蓄電池進行充電以及以何種方式充電;對于不需要接受功率調度的微網電站，光伏并網逆變器*大功率發電，對需要接受調度指令的微網電站，EMS將調度指令發送給光伏并網逆變器按照指令控制發電功率。
(2)并網向獨立切換
在并網狀態下如果EMS檢測到電網失電或電網故障則控制并網開關斷開，同時PCS自動切換到獨立運行，以電壓源形式啟動組建系統電壓;光伏并網逆變器因失電停機，EMS在PCS啟動完成之后，控制并網逆變器重新啟動，系統進入獨立運行模式。
(3)系統獨立運行
系統獨立運行時，EMS的管理原則是通過電源和負荷的管理來維持微網功率的動態平衡，保證母線電壓和頻率的穩定。此時PCS電壓源運行，輸出三相交流電壓組網，光伏并網逆變器并聯運行。此時根據負荷大小與光伏發電等電源的發電功率大小EMS需要對電源和負荷進行管理。
這種情況下系統分為2種運行方式，一是負荷功率大于分布式電源的輸出功率，此時各電源*大功率發電，PCS補充負荷剩余部分的功率需求，蓄電池釋放電能，EMS實時監測蓄電池狀態，當蓄電池放電到截止電壓時，EMS應啟動負荷管理。負荷管理需要根據實際情況對不同負荷進行分類，優先重要敏感負荷的供電，首先切除不重要負荷直到蓄電池停止放電;二是負荷消耗的功率小于電源輸出的功率，此時PCS會給蓄電池充電，同樣EMS實時檢測蓄電池狀態，當蓄電池電量充滿后EMS限制電源的功率輸出，對可以接受調度的光伏發電系統，根據負荷大小控制其輸出，對不能接受調度的發電系統，EMS通過控制其開關機實現對發電功率的控制。對于由多組并網逆變器構成的系統，為降低光伏并網逆變器同時啟動對母線電壓的沖擊，需要根據實際情況(光伏逆變器的控制性能、數量、功率等級等)對其進行分步控制。
(4)獨立向并網切換
在獨立運行狀態下EMS檢測到電網電壓正常后，首先將PCS運行模式切換為并網運行，PCS自動調整輸出電壓與大電網的電壓同步，然后EMS閉合并網開關，所有設備并網運行，系統進入并網運行模式。
三、應用案例設計分析
1.應用場景描述
具體應用的分布式光儲微電網拓撲如圖2所示，光伏陣列通過DC/DC智能充電控制器給儲能系統充電，后經過DC/AC變流器接入交流母線，該方案廣泛應用于光儲微電網、光儲一體化可控型并網系統以及電動汽車光伏直流充電樁等應用場合。
針對圖2所示的拓撲框圖，系統參數配置如下：光伏陣列：20kWp，開路電壓720V;DC/DC充電控制器：20kW一臺;儲能系統：鉛酸蓄電池72kWh(360V/200Ah);DC/AC變流器：20kW一臺;交流負載：本地生活負載，包括空調、照明、做飯等負載。
2.光儲容量配置設計
首先本著因地制宜，科學設計的原則，在該應用建筑屋頂250m2，可安裝光伏電池版20kWp。接下來關鍵是要根據光伏及負載情況來確定儲能系統的容量及配置。
交流*大負載約為17kW，考慮裕量后以20kW負載計算，滿足1h供能需求。儲能有效容量約需20kWh，考慮交直流變換的效率，設定為90%，*大充放電深度按照90%計算，系統容量系數取0.8，則需配置容量為20/0.8=25kWh。
直流側電壓需求：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，逆變器調制比取0.85，這樣直流側電壓Udc≥210V，這決定了儲能系統的*低放電截至電壓。
考慮到是光儲一體化的應用場景，充放電頻率按照平均**一次;充放電電流*大1C。鋰離子電池儲能系統，單體電池電壓為3.2V(標準)，2.5V電壓截止。表1列出了滿足本系統要求的3種儲能系統的配置。
表1 儲能系統不同配置設計
3.儲能管理系統設計由上述配置方式對比可知，上述方案均選擇較大容量的電池單體，每個電池廠家常用電池型號不一，還需特殊考慮。
為了保證單體電池的均衡充放電，必須配置相應的儲能管理系統來負責系統的管理，主要功能包括電池運行基本信息測量、電量估計、單體電池間的均衡、數據通信等幾個方面，具體如圖3所示。
圖3 典型鋰電儲能管理系統架構圖
為了完成對整個電池柜的智能化管理和控制，電池管理系統一般分3個層級：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，完成對電池箱內部單節電池信息的數據采集，并將數據上傳給SBMU，同時根據SBMU下發的指令完成電池箱內單體電芯間的均衡。SBMU位于主控箱內，負責電池柜的管理工作，接收電池柜內部CSC上傳的詳細數據，采樣電池柜的電壓和電流，進行SOC、SOH計算和修正，完成電池柜預充電和充放電管理，并將相關數據上傳給MBMU。
MBMU安裝在主控箱內，MBMU負責整個電池系統的運行管理，接收SBMU上傳的數據進行分析和處理，與外部設備通過干接點進行交互，并將電池柜系統數據轉發給電池系統監控系統顯示和保存。
4.運行結果分析
光儲微電網系統一方面可以保證系統具有并網與獨立運行兩種運行模式，另一方面也能平抑光伏發電的波動性，圖4是某典型日用于控制并網點處功率恒定的運行曲線。
圖4 典型日光儲微電網運行曲線
從運行結果來看，分布式光儲微電網完全能夠平抑光伏等可再生能源的功率短時波動，減少分布式電源功率波動對配電網的沖擊。
四、結語
未來“能源互聯網”中，將以高壓輸電線路為“主干網”;而以各種可再生能源組成的微電網作為區域網。“能源互聯網”強調的是大量分布式能源，尤其是光伏發電的接入，強調是信息和能量的高速和高效傳輸，強調的多方能源載體的對等參與市場調節。在“能源互聯網”背景下，微電網將取代現有的配電網，成為能源網絡構架中非常重要的環節，是大量負荷，分布式能源的接入載體，是實現分散能源利用、接入、消費、生產、管理和調節的綜合性網絡。
