某廠區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

于 博 濤

(大同市重點(diǎn)工程建設(shè)服務(wù)中心，山西 大同 037003)

1 項(xiàng)目背景

廠區(qū)由分布式光伏、微風(fēng)發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電網(wǎng)電力等多能源供給組成，共有15個(gè)單體建筑，存在能源供給不平衡，使用效率低下等問題。

2 設(shè)計(jì)原則

采用太陽能光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)供電聯(lián)合，太陽能光伏發(fā)電進(jìn)行適當(dāng)能源補(bǔ)充，體現(xiàn)綠色能源價(jià)值。儲(chǔ)能作為后備電源，在電網(wǎng)停電或檢修時(shí)給負(fù)荷供電，提高供電可靠性。儲(chǔ)能系統(tǒng)用于平抑光伏發(fā)電、光伏發(fā)電盈余時(shí)充電、負(fù)荷高峰期時(shí)放電、削峰填谷套利、變壓器容改需。

3 系統(tǒng)組成及拓?fù)鋱D

整套系統(tǒng)由分布式光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、儲(chǔ)能PCS、用電負(fù)荷、能量管理系統(tǒng)等幾部分組成，見圖1。

1)儲(chǔ)能系統(tǒng)通過500 kW儲(chǔ)能變流器、隔離變與電網(wǎng)連接；

2)能量管理系統(tǒng)可采集全系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電、儲(chǔ)能、負(fù)荷數(shù)據(jù)，通過智能調(diào)度算法控制整個(gè)微電網(wǎng)內(nèi)的功率平衡、電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)平抑光伏發(fā)電、光伏發(fā)電盈余時(shí)充電、負(fù)荷高峰期時(shí)放電、削峰填谷套利、變壓器容改需，保證配電網(wǎng)側(cè)電壓穩(wěn)定輸出等功能并充分考慮其經(jīng)濟(jì)特性。

4 系統(tǒng)簡介

本項(xiàng)目中儲(chǔ)能的作用主要有以下兩點(diǎn)。

4.1 分時(shí)電價(jià)電費(fèi)管理

在電價(jià)較低時(shí)通過電網(wǎng)向電池組充電，在電價(jià)較高時(shí)，電池組向負(fù)載放電，通過低買高賣(用)套利或者減少本地電費(fèi)的支出。影響收益的主要因素是峰谷電價(jià)，另外儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率、放電時(shí)間及相關(guān)補(bǔ)貼也會(huì)直接影響收益的多少。

4.2 備用電源

適量的儲(chǔ)能可以在分布式發(fā)電單元不能正常運(yùn)行及電網(wǎng)掉電的情況下起備用作用。在電網(wǎng)停電時(shí)，滿電量的儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠滿足應(yīng)急需求。

5 系統(tǒng)運(yùn)行模式

5.1 并網(wǎng)控制

當(dāng)光伏能量充足時(shí)：光伏優(yōu)先為負(fù)載供電，剩余能量對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。

當(dāng)光伏能量不足時(shí)：當(dāng)電池組SOC不小于設(shè)定值A(chǔ)時(shí)，光伏和電池組同時(shí)為負(fù)載供電；當(dāng)電池組SOC小于設(shè)定值A(chǔ)且當(dāng)前處于電價(jià)谷值時(shí)，光伏和電網(wǎng)同時(shí)為負(fù)載供電，同時(shí)電網(wǎng)為電池組充電。

當(dāng)光伏能量無時(shí)：當(dāng)電池組電量充足且當(dāng)前處于電價(jià)谷值時(shí)，則電網(wǎng)僅需向負(fù)載供電；當(dāng)電池組SOC小于設(shè)定值A(chǔ)且當(dāng)前處于電價(jià)谷值時(shí)，電網(wǎng)為負(fù)載供電，同時(shí)電網(wǎng)為電池組充電。

5.2 離網(wǎng)控制

當(dāng)光伏能量充足時(shí)：光伏優(yōu)先供給負(fù)載供電，剩余能量對(duì)電池組充電，如果仍有剩余，則EMS能量管理系統(tǒng)限制光伏功率輸出。

當(dāng)光伏能量不足時(shí)：當(dāng)電池組SOC不小于設(shè)定值A(chǔ)時(shí)，光伏和電池組同時(shí)為負(fù)載供電；當(dāng)電池組SOC小于設(shè)定值A(chǔ)時(shí)，系統(tǒng)限制可控負(fù)載用電。

當(dāng)光伏能量無時(shí)：當(dāng)電池組SOC不小于設(shè)定值A(chǔ)時(shí)，電池組為負(fù)載供電；當(dāng)電池組SOC小于設(shè)定值A(chǔ)時(shí)，系統(tǒng)限制可控負(fù)載用電。

6 主要設(shè)備介紹

6.1 儲(chǔ)能變流器

儲(chǔ)能變流器(PCS)及其選配件是電網(wǎng)與電能存儲(chǔ)設(shè)備之間的紐帶，它實(shí)現(xiàn)了交流電能和直流電能相互變換，并監(jiān)測儲(chǔ)能變流器交流端、直流端的電壓電流功率以及功率溫度等數(shù)據(jù)，肩負(fù)著充電和電能回饋?zhàn)饔茫莾?chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，為分布式發(fā)電系統(tǒng)和微電網(wǎng)系統(tǒng)的大力發(fā)展提供了先決條件。同時(shí)，PCS作為微網(wǎng)中一個(gè)可控的儲(chǔ)能電源，解決了大電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，使微電網(wǎng)既可與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，也可在電網(wǎng)故障或需要時(shí)與主網(wǎng)斷開單獨(dú)運(yùn)行，大大提高了電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。

6.2 儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制器

儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制器實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站全站PCS的統(tǒng)一快速協(xié)調(diào)控制。

儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制器通過光纖以太網(wǎng)及IEC 61850/Goose協(xié)議與其下轄管理的各PCS之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，根據(jù)各PCS的功率、SOC等狀態(tài)，采用既定的分配策略，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)總的有功、無功出力目標(biāo)在各PCS之間的分配及快速閉環(huán)跟蹤控制。裝置支持多種高級(jí)自動(dòng)控制模式，包括：跟蹤發(fā)電計(jì)劃曲線，平滑可再生能源出力波動(dòng)、一次調(diào)頻調(diào)壓等，同時(shí)支持對(duì)上級(jí)EMS或穩(wěn)控系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)指令快速響應(yīng)。

儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制器基于深瑞智能變電站保護(hù)控制平臺(tái)開發(fā)，平臺(tái)可靠性經(jīng)數(shù)千座變電站運(yùn)行檢驗(yàn)；支持雙機(jī)雙網(wǎng)熱備用運(yùn)行機(jī)制，儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制器A，B機(jī)之間通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專用通信鏈路實(shí)時(shí)交換運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)主機(jī)A或通信網(wǎng)A故障時(shí)，無縫切換到主機(jī)B和通信網(wǎng)B，進(jìn)一步保障系統(tǒng)可靠性；與PCS的協(xié)調(diào)控制采用高速光纖以太網(wǎng)及Goose協(xié)議，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)實(shí)時(shí)響應(yīng)，從儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制器收到指令到整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出完全響應(yīng)指令的時(shí)間小于50 ms；支持接入?yún)^(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)，可支持與穩(wěn)控子站(執(zhí)行站)通過光纖以太網(wǎng)Goose通信，實(shí)現(xiàn)新能源電站功率毫秒級(jí)雙向快速控制響應(yīng)，支持新能源電站“以調(diào)代切”；支持多種高級(jí)自動(dòng)控制模式，包括：跟蹤發(fā)電計(jì)劃曲線、平滑可再生能源出力波動(dòng)、一次調(diào)頻調(diào)壓等；采用標(biāo)準(zhǔn)開放的通信協(xié)議確保裝置之間的互操作性，簡化了系統(tǒng)配置和集成難度，并提高通信系統(tǒng)的可靠性；具有良好的兼容性和擴(kuò)展性，對(duì)上通信支持所有主流的通信規(guī)約且可定制，滿足實(shí)際工程現(xiàn)場通信接入需求。

7 能量管理系統(tǒng)

7.1 系統(tǒng)概述

能量管理系統(tǒng)采用面向服務(wù)的軟件體系架構(gòu)，遵循IEC 61970/IEC 61968規(guī)范，具有良好的開放性，能很好地滿足系統(tǒng)集成和應(yīng)用不斷發(fā)展的需要；系統(tǒng)采用中間件技術(shù)，有效屏蔽了異構(gòu)系統(tǒng)的差別，滿足跨平臺(tái)的需要，支持Unix/Linux/Windows/麒麟/凝思等操作系統(tǒng)；選用先進(jìn)、成熟的硬件設(shè)備，關(guān)鍵設(shè)備采用冗余配置，構(gòu)建了一個(gè)安全可靠、標(biāo)準(zhǔn)開放、資源共享、易于集成的主站系統(tǒng)。系統(tǒng)完全兼容國產(chǎn)硬件設(shè)備、操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫。

分層、分組與集群控制功能，當(dāng)組內(nèi)故障時(shí)，組內(nèi)冗余備用進(jìn)行替換；當(dāng)任何組群出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過后備組群進(jìn)行替換；采用內(nèi)部雙網(wǎng)、獨(dú)立采集的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，在容錯(cuò)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡功能；采用軟總線和中間件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的互操作以及信息資源的共享；支持STREAM/SQL等多種訪問模式，大大減少網(wǎng)絡(luò)流量，減少內(nèi)存開銷；采用按口值班的前置采集模式，支持串口、有線、無線等多種數(shù)據(jù)采集模式，多源采集，計(jì)算和積分處理。

7.2 軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件基于SOA架構(gòu)、遵循分層構(gòu)件化及應(yīng)用模塊化的設(shè)計(jì)原則，由以下幾個(gè)組件(中間件)組成：分布式管理中間件、數(shù)據(jù)庫訪問中間件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中間件、圖形接口中間件、第三方接口中間件等，在平臺(tái)提供的中間件的基礎(chǔ)上，開發(fā)各種應(yīng)用功能，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用在異構(gòu)硬件平臺(tái)及不同操作系統(tǒng)上的分布式部署。

8 結(jié)語

本文通過對(duì)廠區(qū)分布式光伏、儲(chǔ)能系統(tǒng)等能源進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)了微電網(wǎng)系統(tǒng)，有效解決了形式多樣的分布式電源并網(wǎng)問題，提高了能源利用效率，為打造國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先的能源系統(tǒng)示范項(xiàng)目提供了可復(fù)制、推廣的技術(shù)、模式和體制經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了目前存在的問題，例如：微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行要求配置一定容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)投資成本較高。儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置越大，效果越好，但成本越高，需要找到一個(gè)較好的平衡點(diǎn)，這和微電網(wǎng)的運(yùn)行要求，峰谷電價(jià)政策等都有密切的關(guān)系。微電網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)及能量管理系統(tǒng)，投資成本高。在運(yùn)維成本上，也比一般電網(wǎng)要高。