微電網示范案例的架構與淺析

趙亮亮，焦見杰，代志偉，王春藝

(中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100011)

0 引言

隨著全球席卷碳中和-碳達峰的浪潮，綠色發電成為一項減少碳排放的有效措施。綠色發電中風力發電和光伏發電具有選址靈活、布置便利、度電成本低等特點，更具普遍性和競爭力。故本文以筆者參與的多能源微電網示范項目為例，為綠色發電提供一個樣本。

該項目于2011年初啟動，經意向、籌備、安裝、施工至次年調試并運行，取得了良好的運行數據和示范效果。系統利用某地會議中心的屋面布置了4臺風力發電機和150m2光伏板，將鍋爐房二層約35m2的換熱間改造成儲能裝置和多能源監控設施的中央控制室，并在酒店禮堂內設置微電網的數據顯示屏和模擬沙盤。當地太陽資源水平面年總輻射量為1 371kWh，年等效滿發小時數1 302h，屬太陽能資源較豐富地區；當地風資源平均風速4.84m/s，風向為東北東(北風偏東)，最大風速31.7m/s；當地氣溫平均年最高溫度40℃，最低溫度-21.5℃。經過實地選址、氣象資源、產品整合和示范效果等綜合考慮，該微電網示范項目最終規模由4臺5kW水平軸風力發電機，20kW光伏發電系統，40kW(3h)儲能單元和40kW用電負載組成。

1 微電網的架構

1.1 總配電柜、負載及市政并網點

該微電網的總配電柜是聯結發電側、負荷側和并網側的樞紐。如圖1所示，在總配電柜處匯集了微電網系統中的風力發電機進線、光伏發電進線、40kW(3h)鋰電儲能系統進線、10kW基本負載饋線、30kW可調負載饋線以及與市電總開關。

圖1 微電網系統總配電柜系統圖

為了讓微電網調控更加便利，設計之初將基本負荷的10kW分為2臺3kW熱水循環泵、室內照明和空調。同時，設計了30kW鍋爐補水加熱系統為可調負載，允許PLC通過可控硅調節器的輸出電流來實現對加熱電阻功率的調整。

微電網并網線的一端選擇在鍋爐房內現有動力柜的一臺塑殼斷路器，另一端在微電網總配電柜內。微電網由中央控制室的PLC系統控制總配電柜內的250A塑殼斷路器，完成微電網側無電并入市政電網。

1.2 風力發電系統

圖2中單臺風力發電機的型號為WG-5KT2，額定功率為5kW，風輪直徑2.5m，聚風罩直徑3.4m，啟動風速2.5m/s，額定風速12m/s，切出風速20m/s，安全風速60m/s。發電機采用永磁同步電機，三相輸出電壓AC 200V±5%，輸出頻率50±0.5Hz，電流諧波≤5%。控制單元采用并網型控制器，具有電機過壓、過流、超轉、輸出過流、電網故障和溫度高保護等保護功能。

圖2 風力發電系統圖

風力發電機的輸出電壓為三相200V交流電，通過風力發電機匯入電柜之后，設置一臺200/380V額定容量為30kVA的D,yn-11的干式變壓器，升壓后接入總配電柜。

1.3 光伏發電系統

光伏發電系統由光伏板和逆變器組成。圖3所示光伏發電系統中，單塊光伏板型號YL235P-29b，最大功率235W，最大功率點的工作電壓29.5V，最大功率點的工作電流7.97A，開路電壓37.0V，短路電流8.54A。

圖3 光伏發電系統圖

光伏逆變器控制柜自帶液晶觸摸顯示屏，能夠顯示運行信息，并對光伏系統進行啟動和停止控制。并網型光伏逆變器控制柜具有孤島檢測、電壓幅值、電網質量監控、電網頻率、交流電流中的直流成分、光伏陣列絕緣阻抗監控、間接接觸保護、短路保護等功能。光伏逆變器可與PLC進行通訊，可遠程控制和監測。光伏逆變器直流側最大太陽電池陣列功率為22kW，額定電壓350V，MPP效率>0.99，最大直流電壓450V。逆變器的輸出數據(電網側)額定輸出功率20kW，額定交流電壓400V(334～450V)，功率因數(50%和100%額定功率時)>0.99，夜間功耗<20W，最大交流電流32A。逆變器過流保護裝置額定電流35A，總電流波形畸變率(額定功率時)<3%，額定頻率50Hz，最小電網頻率47.5Hz，最大電網頻率51.5Hz，最大效率94.8%。

1.4 儲能電池系統

圖4的儲能電池系統由儲能電池堆、電池管理系統(BMS)和雙向變流器(PCS)組成。

圖4 儲能系統圖

(1)儲能電池堆用SE180AHA磷酸亞鐵鋰電池，單臺電池額定電壓3.2V，浮充電壓3.4V，充電截止電壓3.4～3.8V，放電截止電壓3.0～2.5V，最大充電電流3C(1C表示1 200mA)，最大放電持續電流4C(30s)，標準充放電電流0.3C，額定能量576Wh。儲能電池柜內的電池采用模塊化設計，216支電池，分成18組電池模塊，每組模塊由12支180Ah單體電池串接而成。

電池組額定電壓691V=216×3.2V，能量124kWh=180Ah×691V，充電截止電壓735～820V，放電截止電壓648～540V，額定工作電流58A(0.32C)。

(2)電池管理系統(BMS)功能包括電池系統狀態監測功能、計算電池組已循環次數、故障診斷功能、故障報警功能、保護控制與告警功能、電池均衡功能、熱管理功能、數據記錄功能、通信功能和人機交互功能。

(3)雙向變流器(PCS)是實現交直流電能雙向變換連接的裝置。在微電網能量管控下能實現對電網負荷的“削峰填谷”和快速的二次調頻；當電網需要補充無功時，能作為配網靜止無功發生器使用，提供無功功率支撐；當與就地負荷和間歇式分布式能源(風電、光伏)組成微電網時，能夠為微電網內的負荷提供穩定的電壓和頻率。雙向變流器(PCS)具備保護變流器及電池安全的功能、具備自檢功能、具備通信接口便于接入監控系統或者外部的控制系統；提供調試軟件能完成故障錄波、定值整定、開入開出測試。

本系統的雙向變流器采用GES-84儲能雙向變流器，其額定容量為84kVA，實現儲能電池以充電和放電的形式與電網交換能量，狀態切換時間≤200ms，用以對儲能組件進行充、放電的控制與管理。

1.5 控制和計量方案

微電網控制系統由本地PLC、遠端IO、操作員站以及大屏顯示終端構成，通過Modbus和工業以太網與風機控制器、光伏逆變器、儲能PCS和BMS模塊通訊，通過硬接線控制風機匯電柜、總配電柜的斷路器的分合閘操作，通過Modbus對配電柜多功能儀表的電流、電壓、功率、電量進行采集。控制系統將多能源系統的監測數據處理后展示在大屏幕上。

2 微電網的運行及淺析

2.1 運行階段

微電網從2012年3月份至8月份，先后完成了600h設備自檢、240h試運行、720h無人值守和正常運行四個階段，四個階段的起始時間和累計發電量如表1所示。

運行各階段一覽表 表1

2.2 試運行曲線及淺析

現以“階段2”為例，即5月25日中午12點至6月4日中午12點，共計240h,監控系統按每3min進行采樣，現將數據按1.45h為間隔，提取165個采樣點繪制出圖5的240h試運行期間運行曲線。圖5中橫軸為采樣點，主縱軸為采樣數據(注：鋸齒型時間曲線，鋸齒底為0點，鋸齒頂為23點，24點中取了15個點)。

圖5 240h試運行期間運行曲線

240h試運行給出以下初步結論。

(1)試運行中，風速在第77個采樣點(5月29日)超過20m/s，時長不超過1h，累計發電量不到3kWh，其余為零。這說明4臺5kW風機的選址位置不夠合理，除展示作用外，對微電網系統幾乎沒有發電貢獻。

(2)試運行中，光伏每天早5點至晚18點均有發電，最佳的發電階段在上午6點至下午15點，功率為3～14kW。第77個采樣點(5月29日)陰天，最大發電功率為8kW。這說明光伏系統的發電只要有日照就應優先考慮設置。

(3)試運行中，鋰電池儲能系統總共兩次并入市政電網，分別是在第113個采樣點(5月31日)和第164個采樣點(6月4日)。這兩次均是由于鋰電池的電池電量≤35%且發電設備輸出功率≤3kW，系統自動切換至并網模式，由市電充電并供電。當鋰電池的電池電量≥80%且鋰電池單體最低電壓≥3.1V時，微電網系統再次切換至孤網運行。

(4)試運行中，鋰電池儲能在第1次充電之前，盡管風光發電單元能正常運行，但鋰電池儲能系統的電量仍呈下降趨勢。即使不遇到5月29日的陰天，鋰電池最終也需要市電為其充電。這說明風光系統為儲能系統提供的最低3kW的充電保證偏小或者充電的策略需要改變。

(5)試運行中，儲能系統的單電池溫度控制在24～27℃，單電池的最高和最低電壓也在3.4～3.8V的充放電狀態之中，屬于正常工作狀態。

3 微電網的設計要點和步驟

3.1 微電網的設計要點

通過240h試運行的數據和初步結論，微電網設計時需要考慮三個要點。

(1)分析用戶的負荷特性，主要指標為最大用電負荷和平均日發電量。用戶的最大用電負荷是選擇光伏逆變器額定功率的依據，而平均日發電量則是選擇風機及光電板額定功率和蓄電池組額定功率的依據。

(2)獲取太陽能和風能的資源數據。項目地的太陽能和風能的資源數據是確定光電板功率、風機功率以及設備布置的重要依據。

(3)計算蓄電池的額定容量。通過可開發風光資源的發電量、用戶負載和儲能三者的匹配關系確定蓄電池的額定功率和持續放電時長。

3.2 微電網的設計步驟

通過實際運行數據和初步分析，總結出以下設計步驟：(1)了解用電負荷特性，包括額定功率、負荷時段、最大用電負荷和平均日用電量等；(2)掌握當地風能、太陽能、天氣資料及地理環境數據，選擇風機機型、光伏板型號及其逆變器、確定布置和安裝方式等；(3)根據用電的容量需求，確定風力發電和光伏發電分擔的供電份額及發電規模；(4)選擇儲能系統的額定容量，以滿足發電缺額、平抑峰谷以及負荷用電時長等技術要求；(5)編制微電網的投資造價，計算發電成本和收益狀況。

4 結束語

本文以筆者所在單位新能源產品組建的微電網示范項目的經驗出發，從整體上介紹了該微電網的架構，分析了微電網的運行數據，給出了風光儲載構成的微電網方案的設計要點和設計步驟。該微電網設計側重于產品的整合和示范目的，架構類型屬于交流母線型微電網系統，在系統優化方面還存在較大的優化空間，如可向系統轉換效率較高的直流母線型轉變，風機輸出電壓可選擇380V輸出，光伏板選擇單晶硅或組串式逆變器等。