光伏儲能微電網經濟運行的優化設計

張振東 王天群 鄭妍 李文 賀承璽

摘要：光伏發電的高成本以及不穩定性制約著光伏儲能微電網的進一步發展，再加上用戶對高品質電能的需求日益增長，使光伏儲能微電網的發展面臨著巨大的挑戰。因此，當前光伏儲能微電網經濟運行成為相關學者的研究熱點。本文主要就光伏儲能微電網經濟運行的優化設計進行探討。

關鍵詞：光伏儲能微電網;優化設計;經濟運行

1光伏儲能微電網確定型運行優化模型

光伏儲能微電網的發展一直受到成本高的制約。但通過制定合理的運行計劃，不僅可以使其運行成本降低，同時還可以降低其更換頻率。本文以經濟效益最優為目標，進行光伏儲能微電網優化模型設計。

1.1光伏儲能微電網系統的構成

光伏儲能微電網系統由光伏發電模塊、配電網、蓄電池組、雙向逆變器、并網逆變器以及負載構成。其中光伏發電模塊和蓄電池組將會分別經過并網逆變器，然后通過變壓器與交流母線連接，并入配電網絡。這種結構可實現電能從光伏發電模塊到公共電網、光伏發電模塊到負載、光伏發電模塊到蓄電池組、蓄電池組到負載、公共電網到負載的單向流動，同時也能實現蓄電池組與公共電網之間的雙向能量流動。系統處于離網模式時，若公共電網停電，可以在光照充足的情況下，使用光伏提供的能量，為負載供電，同時將剩余的能量存儲在蓄電池

組中;如果在光照不充足的情況下，可以同時利用光伏以及蓄電池組，為負載供電，進而維持負載正常運行。當系統運行處在并網模式時，公共電網可以在谷期為蓄電池組以及負載同時提供電能，或者將蓄電池組中剩余的電能向電網出售，獲取收益。而在峰期則可以利用光伏發模塊以及蓄電池組，配合公共電網來為負載供電。

1.2系統組成單元的特性。

1.2.1光伏電池板

光伏電池板是基于光電效應或者光化學效應，直接或間接將太陽輻射轉換成電能的一種發電裝置。其輸出功率的大小與電池板的制造材料、受光面積以及陽光輻射強度等存在密切的關系。當太陽光照強度相同時，光伏電池板的短路電流基本上保持不變，但是開路電壓將會隨著溫度的升高，發生明顯的下降。因此可以得出結論，光伏電池板的輸出功率與光照強度呈正相關，和表面溫度呈負相關。

1.2.2蓄電池

當前，蓄電池是微網中常見的儲能元件，在微網中使用較廣，可以抑制光伏出力不穩定的缺陷，使整個系統的供電質量以及可調度性大大提高。

1.2.3逆變器

由于光伏以及蓄電池組輸出的電能均為直流電，因此無法直接接入交流側，需要通過逆變器的作用把直流轉換成交流。逆變器的配置主要需要考慮額定輸出功率、整機效率、輸出電壓調整能力等參數。

2光伏儲能微電網經濟運行的優化設計案例

本文結合某示范工程，對其發電系統、儲能系統以及微網控制管理系統的方案設計進行介紹和分析。

2.1總體設計方案。

該系統在進行方案設計時，采用的是分布式并網的設計理念。已知某棟節能建筑樓的負荷約為65Kw。考慮設計余量，則該光伏儲能微電網規劃設計容量為80kWp。根據實際情況，對所需要的80kWp系統進行進一步的劃分，將其分解為4個相同的并網發電單元，每個單元為20kWp，并用4個20Kw的并網逆變器將其接入到0.4kv的交流電網中。

2.2發電系統設計。

2.2.1光伏電池陣列設計

光伏電池采用多晶硅太陽電池組，電池組的功率為250Wp。這種電池組在日常工作中的共組電壓和開路電壓分別為29.6V和37.1V。20kw的并網逆變器的MPPT工作電壓范圍是300V～1000V，因此在對電池進行串列設計時，需要將20塊相同的電池串列在一起，作為一個電池串聯組，每一個并網逆變器需要配備4個并列的電池串聯組，即每一個并網逆變器需要80塊電池組，其發電功率大致為20kWp。對于整個系統來說，總共分為4個并網逆變器，因此也就是說總共需要320塊電池，16個并列的電池串聯組。

2.2.2并網逆變器設計

如前所述，本系統采用4臺20kW的并網逆變器，連在一起組成最大輸出功率為80kwp的并網發電系統。

2.3儲能系統設計

考慮供電可靠性和穩定性，在對整棟樓進行供電的過程中，采用的供電方式是儲能和光伏相混合的方式。具體來說，就是在市電正常的情況下，通過市電以及光伏為整棟樓的負荷供電，而在市電斷電之后，則自動切換為由儲能系統以及光伏供電。

2.4系統運行說明。

2.4.1市電正常

在市電正常供電時，本系統的運行模式為并網運行模式，此時的運行過程主要是：第一，并離網控制柜中的控制器發揮自身的檢測作用，對與市電相連的開關上端的電壓和頻率進行檢測，如果測量值處于正常范圍，則會自動閉合并離網的開關。第二，光伏逆變器檢測到市電電壓處于正常范圍，將會根據相關的參數設定，自動將光伏儲能微電網系統開機，使其正常運行，為負載供電，若有剩余電能，則返送至電網。第三，當系統處在并網運行模式時，PCS的狀態將會設定為充電狀態。

2.4.2市電故障。

在市電故障無法正常供電時，本系統的運行模式是離網運行模式，此時系統的運行過程如下：第一，并離網控制柜中的控制器將會對市電進行檢測，如果在檢測中發現市電斷電，則將并離網開關斷開，同時給儲能變流器發出并網轉離網的控制信號。第二，光伏逆變器在對市電的檢測過程中，如果發現市電故障，將會自動進入孤島運行保護程序，然后根據相關要求在2s內停機。第三，PCS在接收到并網轉離網的相關指令后，將會對并網側的端口電壓進行檢測，確定市電確實故障后，將會先關機然后再次啟動，同時切換至離網模式運行。特別說明，若PCS在接收到相關指令后，不對端口的電壓狀態進行檢測，而是直接進行相關的狀態切換，其需要花費的時間大致為80ms;但是一般情況下，為了確保PCS的可靠運行，需要在接收到指令后對端口電壓進行檢測，避免誤判，這種情況下狀態切換需要多花費380ms的時間，也就是光伏逆變器孤島保護時間。第四，光伏逆變器檢測到PCS提供的支撐電壓滿足供電要求時，將會自動開機運行。當光伏發出的電能大于負載消耗時，多余的電能可以通過PCS給儲能電池充電;若光伏系統輸出功率小于負荷時，則光伏將會和PCS共同為負荷供電。

2.4.3市電恢復

當市電恢復正常后，本系統的運行模式將會重新變為并網運行模式，這一轉換過程如下：第一，當并離網控制柜中的控制器檢測到市電已經恢復至正常狀態后，會將這個信息傳遞給儲能變流器，當并離網開關上端以及下端的頻率、電壓幅值、相位保持一致時，會自動閉合并離網開關。第二，光伏逆變器將會繼續保持運行。第三，PCS在得到市電恢復正常運行的信息后，將會對電壓進行一定的調整，同時將自身的運行模式轉變為并網模式。在整個過程中，可能會受到通訊延遲的影響，因此PCS會遭受一段時間的沖擊。當PCS轉變為并網運行模式后，恢復為充電狀態，負載供電并不會因此間斷。

3結束語

綜上所述，該光伏儲能微電網可以真正實現分布式光伏發電，實現與配電網并網協調運行，突顯出智能微網能量優化調度控制的效果。

參考文獻：

[1]彭皓.微電網技術在主動配電網中的應用探究[J].通信電源技術，2018，35（6）：191～192，194

[2]畢立松.基于預測控制的微電網能量管理系統研究[D].北方工業大學，2017