順德中山大學(xué)太陽能研究院 ■ 林偉

0 引言

太陽能光伏與分布式智能電網(wǎng)結(jié)合是目前中小型分布式微網(wǎng)應(yīng)用的重要形式之一。與傳統(tǒng)的中小型分布式并網(wǎng)、離網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)有所不同的是，分布式智能微網(wǎng)光伏系統(tǒng)在系統(tǒng)能源管理模式方面有較大發(fā)展，智能化程度進(jìn)一步提高。因此，中小型分布式智能化并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)在初始投資成本、供電可靠性方面有了長足的進(jìn)步。

相對(duì)于單純的并網(wǎng)或離網(wǎng)分布式光伏系統(tǒng)而言，中小型分布式智能化微網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)在系統(tǒng)能源配置方面具有的特點(diǎn)為：1)為了提高整體分布式光伏電站系統(tǒng)供電的可靠性，很多智能化微網(wǎng)光伏系統(tǒng)都帶有儲(chǔ)能系統(tǒng)；2)除太陽能外，電站系統(tǒng)還會(huì)有一種或多種其他的能量來源，最為常見的有市電、中小型燃油發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等；3)其能供給小型局部電網(wǎng)的負(fù)載用電需求以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的電能需求，也可將多余電力反饋給市電網(wǎng)，針對(duì)某些并網(wǎng)接入受限制的地區(qū)，也可設(shè)置多余電力不反饋回市電網(wǎng)。

本文將針對(duì)中小型分布式智能微網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)的能量管理模式進(jìn)行深入分析，就不同能量管理模式的特點(diǎn)以及所適用的工作環(huán)境與條件進(jìn)行深入探討，并通過實(shí)際設(shè)計(jì)并建立一套小型戶用分布式智能化微網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)，對(duì)中小型分布式智能化微網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與能量管理模式提出相關(guān)意見和方法。

1 分布式智能化微網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)能源管理模式分析

1.1 常見智能化能源管理系統(tǒng)使用環(huán)境要求

針對(duì)不同的使用環(huán)境要求，需采用不同的智能化能源管理系統(tǒng)。目前，常見的智能化光伏微網(wǎng)系統(tǒng)的使用環(huán)境要求有以下4種：

1)簡單并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電滿足負(fù)載需求，減少本地負(fù)載電力消耗，同時(shí)剩余光伏電力可反饋給電網(wǎng)以獲取相應(yīng)收益。

2)簡單離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電供給獨(dú)立電網(wǎng)的負(fù)載需求，通常帶儲(chǔ)能系統(tǒng)，多余光伏電力供給儲(chǔ)能系統(tǒng)。

3)用戶負(fù)載需連續(xù)供電且可利用光伏節(jié)能節(jié)電的場合。該系統(tǒng)通常需安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)，但是和傳統(tǒng)的簡單并網(wǎng)、離網(wǎng)光伏系統(tǒng)都有所不同。在無光伏輸入情況下該光伏系統(tǒng)的電力原理結(jié)構(gòu)為一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的在線式UPS電源，當(dāng)有光伏輸入時(shí)光伏電能參與工作，以節(jié)省市電交流能量，而且可對(duì)剩余光伏電能是否向電網(wǎng)輸送進(jìn)行設(shè)置，如果剩余光伏電能不向電網(wǎng)輸送，則不會(huì)對(duì)公用市電網(wǎng)造成影響。

4)針對(duì)峰谷分時(shí)電價(jià)的情況，可自動(dòng)調(diào)節(jié)光伏供電情況，在市電用電高峰和低谷等時(shí)段合理使用光伏發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)，盡可能提高系統(tǒng)收益，該系統(tǒng)中尖峰時(shí)間可調(diào)整設(shè)置[1]。

1.2 不同使用條件下常見能源管理模式

由于智能化微網(wǎng)系統(tǒng)通常不止一種能量來源，所以其可為混合能源工作模式。

對(duì)于簡單的接入市電的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，所發(fā)電能優(yōu)先供給本地負(fù)載，不足部分由市電補(bǔ)充，多余部分反饋給電網(wǎng)，因此，能量管理模式相對(duì)簡單。對(duì)于峰谷分時(shí)電價(jià)的情況，由于各地的用電高峰和低谷不同，需根據(jù)情況不同具體分析。

對(duì)于用戶負(fù)載需要連續(xù)供電且盡可能利用光伏節(jié)能節(jié)電的場合，工作情況就比較復(fù)雜。以常見的接入市電網(wǎng)且?guī)в袃?chǔ)能系統(tǒng)的智能化微網(wǎng)光伏系統(tǒng)為例，針對(duì)常見光伏應(yīng)用工程案例的設(shè)計(jì)需求,我們可從能源供應(yīng)優(yōu)先順序以及負(fù)載和儲(chǔ)能系統(tǒng)的供電優(yōu)先級(jí)兩個(gè)角度對(duì)整個(gè)中小型的分布式智能化光伏電站系統(tǒng)的能源管理模式進(jìn)行分析。

1)光伏電能供電順序：光伏電能的供電順序是智能化能源管理模式的基本功能，常見的有3種，見表1。

2)負(fù)載供電來源優(yōu)先級(jí)：智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，另一個(gè)重要的基本功能模式是系統(tǒng)中負(fù)載供電能量來源的優(yōu)先級(jí)?？梢苑譃橛泄夥茉垂?yīng)和無光伏能源供應(yīng)(例如，無陽光時(shí))兩種，相關(guān)說明見表2和表3。

表1 系統(tǒng)光伏電能供電優(yōu)先級(jí)別

表2 系統(tǒng)負(fù)載能源供應(yīng)優(yōu)先級(jí)(有PV)

表3 系統(tǒng)負(fù)載耗電情況(無PV)

1.3 智能光伏微網(wǎng)系統(tǒng)能源管理設(shè)計(jì)的原則與方法

針對(duì)智能化的光伏微網(wǎng)系統(tǒng)而言，整個(gè)光伏系統(tǒng)的能源管理模式是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題,只有明確能源管理的使用環(huán)境要求及模式特點(diǎn)，才能最終確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與基本方法。

1)首先需要滿足光伏系統(tǒng)用戶的能源管理需求，根據(jù)用戶的要求，列出詳細(xì)的系統(tǒng)功能清單。

2)根據(jù)相應(yīng)的使用要求和功能清單，重點(diǎn)明確系統(tǒng)光伏能源供應(yīng)與負(fù)載供電優(yōu)先次序，繪制出系統(tǒng)基本配置功能圖。

3)根據(jù)相關(guān)光伏能源供應(yīng)與負(fù)載供電優(yōu)先次序，綜合考慮系統(tǒng)工作邏輯兼容性，繪制系統(tǒng)完整的基本工作邏輯圖。

4)根據(jù)已經(jīng)確定的能源系統(tǒng)完整的工作邏輯，進(jìn)行智能化光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣工作模式各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定。

2 基本實(shí)例分析

以實(shí)際示范項(xiàng)目的設(shè)計(jì)來講述分布式戶用智能微網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)能量管理的設(shè)計(jì)方法與流程。本系統(tǒng)主要是為了給市電不穩(wěn)定地區(qū)的兩臺(tái)交流設(shè)備供電，兩臺(tái)交流設(shè)備的基本功率參數(shù)與平均每天耗電情況見表4。

表4 系統(tǒng)負(fù)載耗電情況

這兩臺(tái)交流設(shè)備的供電可靠性要求較高，必須保證在要求的工作時(shí)間內(nèi)不能斷電，因此，采用單純的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)或離網(wǎng)光伏系統(tǒng)都無法滿足系統(tǒng)負(fù)載的供電需求。本系統(tǒng)采用帶儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)：在分布式光伏系統(tǒng)中可接入市電作為能源之一，同時(shí)還帶有儲(chǔ)能子系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)基本功能要求

根據(jù)用戶提出的對(duì)于負(fù)載供電的要求，以及負(fù)載所在地的實(shí)際電網(wǎng)工作情況，兩臺(tái)負(fù)載需連續(xù)供電且能最大限度地利用太陽能光伏節(jié)能節(jié)電。

1)考慮到系統(tǒng)初始投資成本，光伏系統(tǒng)的安裝功率不宜太高，用于安裝的光伏組件功率為2 880 kWp。

2)由于系統(tǒng)安裝所在地的市電網(wǎng)供電性能不夠穩(wěn)定，所以本系統(tǒng)需安裝儲(chǔ)能子系統(tǒng)，保證該系統(tǒng)在沒有市電以及光伏供電不足時(shí)能持續(xù)工作至少1 d。因此，需配套安裝48 V 200 Ah深循環(huán)鉛酸蓄電池。

3)由于采用蓄電池子系統(tǒng)，因此，本分布式智能光伏系統(tǒng)需要帶有蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制功能。

4)該系統(tǒng)可接入市電網(wǎng)，將市電作為給兩個(gè)系統(tǒng)負(fù)載供電以及蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充電的能源之一，這樣就無需安裝過大的光伏供電系統(tǒng)，并可解決光伏供電系統(tǒng)供電能力隨天氣波動(dòng)等問題。

5)由于系統(tǒng)安裝所在地蓄電池維護(hù)比較困難，需盡可能延長蓄電池使用壽命，因此應(yīng)盡量保證蓄電池系統(tǒng)不會(huì)過放電。

2.2 系統(tǒng)基本配置原理

根據(jù)上述整體能源系統(tǒng)的基本功能要求，本系統(tǒng)基本電氣配置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 示范性分布式供電系統(tǒng)基本電力配置

2.3 系統(tǒng)完整工作邏輯配置圖

在明確系統(tǒng)的工作要求以及基本電力配置后，需進(jìn)一步明確相關(guān)光伏能源供應(yīng)與負(fù)載供電優(yōu)先次序，然后綜合考慮整個(gè)能源供應(yīng)系統(tǒng)的工作邏輯兼容性，確保不會(huì)出現(xiàn)工作邏輯自相矛盾的地方，并繪制整個(gè)能源供應(yīng)系統(tǒng)完整的工作邏輯配置圖，如圖2所示。

圖2 示范性分布式供電系統(tǒng)工作邏輯配置圖

3 結(jié)論與意見

在上述設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，我們搭建了一個(gè)示范性分布式戶用智能微網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用12塊240 Wp多晶硅光伏組件，48 V 200 Ah閥控式鉛酸蓄電池，采用3 kWp的光伏控制/逆變一體機(jī)，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電控制、光伏逆變、并網(wǎng)、離網(wǎng)以及混合等多重模式能量控制。

該設(shè)備在廣東順德地區(qū)搭建并投入使用，測試1周，期間工作正常，能完全滿足系統(tǒng)負(fù)載的工作需求，達(dá)到設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)要求。

通過針對(duì)分布式智能微網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)的能源管理模式的理論分析，以及該示范性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建，結(jié)論與建議如下：

1)整個(gè)小型分布式戶用智能微網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)的初始投資約為3萬元，該光伏系統(tǒng)的年發(fā)電量約為2 900 kWh，該類型分布式光伏系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟(jì)可行性，例如高檔別墅住宅區(qū)等。

2)本系統(tǒng)的光伏發(fā)電優(yōu)先用于本地負(fù)載，剩余電量可供蓄電池系統(tǒng)或反饋給電網(wǎng)，因此，本系統(tǒng)的節(jié)能減排效率要優(yōu)于常見的分布式并網(wǎng)/離網(wǎng)光伏系統(tǒng)。

3)由于采用蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，因此初始成本較高，通常鉛酸蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本在整個(gè)系統(tǒng)成本中約占30%(如果采用磷酸鐵鋰，則儲(chǔ)能初始成本可能占系統(tǒng)約50%，但是維護(hù)成本會(huì)大幅降低)，但是供電可靠性要優(yōu)于常規(guī)的分布式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，而且對(duì)于市電網(wǎng)的調(diào)峰有一定積極作用。

4)一般中小型戶用智能微網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)多采用閥控式(VRLA)鉛酸蓄電池，具有成本相對(duì)低廉、安裝方便、維護(hù)量小、可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)[2]。但需要特別注意的是，蓄電池安裝不要離逆變/控制器太遠(yuǎn)，最好在1～3 m以內(nèi)，否則會(huì)因?yàn)榫€損導(dǎo)致充放電壓降過大，致使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判，從而影響整個(gè)能量管理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

5)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮系統(tǒng)負(fù)載的性質(zhì)，尤其是感性負(fù)載、容性負(fù)載對(duì)于電路的影響。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就要全盤考慮負(fù)載啟動(dòng)電流的影響，因?yàn)檫^大的啟動(dòng)電流可能會(huì)對(duì)控制/逆變設(shè)備造成瞬時(shí)超載，從而造成設(shè)備損壞。

[1]張洋,李強(qiáng),李朝 ，等.光伏－儲(chǔ)能聯(lián)合微網(wǎng)系統(tǒng)工程方案設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010 , 38(23): 212－214.

[2]金曉東. 閥控式鉛酸蓄電池在分布式發(fā)電中的應(yīng)用[D]. 安徽：合肥工業(yè)大學(xué), 2008.