偏遠(yuǎn)海島多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)應(yīng)用研究

李達(dá)非 徐興國

（上海航天汽車機(jī)電股份有限公司，上海 200235）

在全球新一輪變革中，互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與能源技術(shù)的深度融合推動了智慧能源產(chǎn)業(yè)新模式、新業(yè)態(tài)的興起。智慧能源是推動我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命的重要戰(zhàn)略支撐，對于提高可再生能源比重，促進(jìn)化石能源清潔高效利用，提升能源綜合效率，推動能源市場開放和產(chǎn)業(yè)升級，形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，提升能源國際合作水平具有重要的意義。2016年，國家發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，其中明確指出，在海島等偏遠(yuǎn)區(qū)域進(jìn)行分布式能源或微電網(wǎng)等智慧能源系統(tǒng)建設(shè)，解決當(dāng)?shù)毓╇姳Ｕ蠁栴}。本文在某偏遠(yuǎn)海島上完成了一套光伏+儲能的多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)示范工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了光伏儲能協(xié)調(diào)控制、電源穩(wěn)定輸出，滿足了海島部分用能需求，并完成了海島智慧能源關(guān)鍵技術(shù)的研究。

1 系統(tǒng)方案

1.1 電氣設(shè)計

該多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)電氣設(shè)計圖如圖1所示，其采用260W光伏組件，共216塊，配置2臺33kW光伏逆變器，光伏系統(tǒng)的總?cè)萘繛?6.16kW，并網(wǎng)電壓為單相AC220VAC/50Hz，配置96kWh儲能電池，電氣接入需要配電箱內(nèi)安裝防逆流控制器、斷路器和電能計量表。

1.2 主要設(shè)備

（1）光伏組件

該多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)采用260W（±3%）多晶硅光伏組件。

（2）并網(wǎng)逆變器

該多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)采用單相輸出的33kW并網(wǎng)逆變器。

（3）配電柜

該多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)配電柜，內(nèi)置交流斷路器。

（4）蓄電池系統(tǒng)

該多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)采用鉛碳電池，由240個單體2V的電池串聯(lián)組成，其額定電壓等級為480V，允許電壓范圍為444V～528V，組成一組480V/200Ah的鉛碳電池系統(tǒng)。電池組采用陣列式架柜安裝方式，每個電池組由20個尺寸為（W）1000mm×（H）520mm×（D）400mm的機(jī)架組成一個方陣，方陣分前后兩列、背靠背安裝；機(jī)架與機(jī)架之間均用螺栓連接在一起，每個機(jī)架底部均設(shè)置有地腳螺絲安裝孔，由此組成一個牢固、安全、整齊、美觀的機(jī)架柜，如圖2所示。

（5）儲能變流器（PCS）

該多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)采用50kW儲能雙向變流器。（6）光儲微網(wǎng)控制系統(tǒng)

由于該多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)用于偏遠(yuǎn)海島，為實(shí)現(xiàn)光儲系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)配置了微網(wǎng)控制系統(tǒng)，微網(wǎng)控制柜與光伏逆變器、儲能雙向變流器、并網(wǎng)點(diǎn)表記連接采集數(shù)據(jù)，通過內(nèi)設(shè)微網(wǎng)控制策略對光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)、負(fù)載跟蹤等操作。

1.3 微網(wǎng)控制策略

該多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)選用主從控制法，在并網(wǎng)運(yùn)行過程中，微電網(wǎng)中的各發(fā)電單元作為電流源輸出功率，微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；在孤立運(yùn)行時，微電網(wǎng)控制系統(tǒng)采用主從控制策略，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)不同氣候會出現(xiàn)以下幾種工作模式：

光伏工作模式：通過光伏發(fā)電提供能量，多余電量存儲進(jìn)電池儲能系統(tǒng)里；

無光模式：僅電池儲能系統(tǒng)提供負(fù)荷所需電量；

混合放電模式：光伏和電池儲能系統(tǒng)共同提供負(fù)荷所需電量；

備用柴油機(jī)發(fā)電模式：當(dāng)儲能電池能量也不夠時，由柴油機(jī)發(fā)電提供負(fù)荷所需能量。

（1）離網(wǎng)控制策略

該多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)的離網(wǎng)控制策略如圖3所示。

（2）并網(wǎng)

該多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)的并網(wǎng)控制策略如圖4所示。

2 系統(tǒng)運(yùn)行分析

該多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)的示范系統(tǒng)在某偏遠(yuǎn)海島上通過建設(shè)和調(diào)試，開始運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和評估。其包括光伏系統(tǒng)（如圖5所示）、儲能系統(tǒng)（如圖6所示），以及能源管理系統(tǒng)（如圖7所示）等部分。

2.1 系統(tǒng)能量平衡

如圖8所示，不論該多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)內(nèi)的用電負(fù)載和光伏發(fā)電功率如何變化，整個微電網(wǎng)系統(tǒng)都能夠通過能源管理系統(tǒng)運(yùn)行策略，利用儲能系統(tǒng)的快速反應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能力平衡。

圖8中，綠色線為光伏總發(fā)電功率，藍(lán)色線為電網(wǎng)側(cè)用電功率，紅色線為負(fù)載側(cè)用電功率，黃色線為儲能充放電功率。光伏、儲能和電網(wǎng)功率之和基本上等于負(fù)載側(cè)功率；當(dāng)負(fù)載側(cè)功率降低時，儲能充電功率則升高，此時，將光伏輸出多余的電量存儲到儲能電池里；當(dāng)光伏發(fā)電功率降低時，則由儲能放電來支撐負(fù)載運(yùn)行；當(dāng)負(fù)載用電量低時，光伏發(fā)的電量則儲存到儲能當(dāng)中。該工作狀態(tài)符合本文多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)的整體控制策略，光儲系統(tǒng)運(yùn)行正常。

2.2 新能源供能比例

從2017年4月1日運(yùn)行到6月5日，該多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)的發(fā)電用電情況統(tǒng)計如下：

用戶負(fù)荷：65天累計用電13750kWh，平均每天211.5kWh。

光伏1發(fā)電：65天累計發(fā)電5700kWh，平均每天87.7kWh。

光伏2發(fā)電：65天累計發(fā)電4100kWh，平均每天63kWh。

光儲系統(tǒng)光伏總發(fā)電量：65天累計發(fā)電9800kWh。

系統(tǒng)使用電網(wǎng)電量：6 5天累計使用電網(wǎng)電量7900kWh，平均每天121.5kWh。

系統(tǒng)回饋電網(wǎng)電量：6 5天累計回饋電網(wǎng)電量2200kWh，平均每天33.8kWh。

系統(tǒng)自身控制器、電腦、散熱風(fēng)扇等功耗為1.125kW，24h耗電27kWh，即系統(tǒng)自身損耗每天27kWh。

系統(tǒng)能量平衡：

光伏發(fā)電+使用電網(wǎng)電量-回饋電網(wǎng)電量-系統(tǒng)自身損耗=用戶負(fù)荷用電

150.7+121.5-33.8-27=211.5

系統(tǒng)新能源供能比例：58.5%。

（光伏發(fā)電-系統(tǒng)自身損耗）÷用戶負(fù)荷用電 = (150.7-27)/211.5=58.5%

3 結(jié) 論

本文經(jīng)過對多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了多能互補(bǔ)光儲能源系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)海島的應(yīng)用，并且通過系統(tǒng)運(yùn)行分析，驗證了自主研發(fā)的多能互補(bǔ)能源管理系統(tǒng)控制策略的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。研究表明，該多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)海島地區(qū)規(guī)模化應(yīng)用推廣、建設(shè)是可行的。

1 馬丁·格林. 太陽電池工作原理、工藝和系統(tǒng)的應(yīng)用[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 1987

2 劉樹民, 宏偉（譯）. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與施工[M]. 太陽光發(fā)電協(xié)會（編）, 北京: 科學(xué)出版社, 2006

3 楊新法, 蘇劍, 呂志鵬, 等. 微電網(wǎng)技術(shù)綜述[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2014, 34(1): 57～70