離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)的設(shè)計與實踐

趙春江，彭慈華，于文英

(1. 上海電力大學(xué)太陽能研究所，上海 200090；2. 上海市太陽能學(xué)會，上海 200030)

0 引言

隨著可持續(xù)發(fā)展理念逐步深入人心，傳統(tǒng)的化石能源在環(huán)保和能源持續(xù)供給2個方面都已經(jīng)無法滿足人類的長遠(yuǎn)發(fā)展，先進(jìn)國家紛紛開始對其能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。中國在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的同時，提出了碳達(dá)峰和碳中和兩大目標(biāo)。而要完成此“雙碳”目標(biāo)，必須減少傳統(tǒng)化石能源的使用，逐漸采用綠色的可再生能源進(jìn)行替代，并且將隨著社會的經(jīng)濟發(fā)展和人們對能源需求的不斷增長而持續(xù)增加可再生能源的投入。

可再生能源的遍散性很適合采用分布式發(fā)電方式。隨著可再生能源分布式發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用，為了解決光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的波動及間歇性等問題，較好的方式是采用微電網(wǎng)形式，即在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的硬件部分加入儲能系統(tǒng)和輔助電源來構(gòu)成微電網(wǎng)形式；在軟件部分加入家庭能源管理系統(tǒng)(HEMS)、工廠能源管理系統(tǒng)(FEMS)、城鎮(zhèn)能源管理系統(tǒng)(CEMS)等，并結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加強微電網(wǎng)的運行管控。另外，隨著電動車的大規(guī)模普及，把電動車作為機動儲能組納入微電網(wǎng)，參與整體的電能調(diào)劑，既可以降低微電網(wǎng)的構(gòu)建成本，又可以進(jìn)一步促進(jìn)電動車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

以可再生能源為發(fā)電主體的微電網(wǎng)技術(shù)的研究和創(chuàng)新已歷經(jīng)了10多年，從已發(fā)表的文獻(xiàn)來看，既有仿真研究[1-2]，也有系統(tǒng)設(shè)計、實機運行和相關(guān)設(shè)備的研究，研究成果也陸續(xù)應(yīng)用于各種應(yīng)用場景中[3-7]。

從發(fā)電到供電全部采用直流線路的全直流微電網(wǎng)是一種獨立性很強的分布式電源網(wǎng)絡(luò)。該電源網(wǎng)絡(luò)可采用光伏發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、燃料電池發(fā)電等直流發(fā)電方式，然后與蓄電池組等儲能(電)裝置進(jìn)行合理組合，再加入計量和控制裝置，形成微電網(wǎng)。全直流微電網(wǎng)采用模塊化設(shè)計，既可以獨立于大電網(wǎng)，也可以采用并網(wǎng)而不上網(wǎng)的方式，且不需要長距離輸電線(纜)和架空鐵塔等大型設(shè)備，可以節(jié)約項目的投資成本，還可以避免大型發(fā)電設(shè)備運往島嶼和山區(qū)的困難，其設(shè)備運輸和施工都很方便快捷。全直流微電網(wǎng)非常適合用于安裝地點離用電地點很近而離電網(wǎng)較遠(yuǎn)的農(nóng)舍、農(nóng)村個體養(yǎng)殖場、山區(qū)養(yǎng)殖場、山間寺廟、遠(yuǎn)離生活區(qū)的環(huán)保型農(nóng)業(yè)項目和通信基站、勘探考察隊、高山哨所、野戰(zhàn)營區(qū)等，還可以作為應(yīng)急電源用于疫情隔離區(qū)、方艙醫(yī)院和野戰(zhàn)醫(yī)院等。即使在電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的地區(qū)，考慮到天災(zāi)人禍(戰(zhàn)爭)和限電、停電等特殊情況，這種微電網(wǎng)也是比較安全和經(jīng)濟的選擇。

本研究在合作單位的大力支持下，基于早期的并網(wǎng)型微電網(wǎng)研究基礎(chǔ)，在上海市某別墅區(qū)設(shè)計并建設(shè)了一套4 kW的離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)，目的在于通過實機運行進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和研究，找出一些有規(guī)律的影響因素和相關(guān)關(guān)系，為將來的推廣工作提供設(shè)計依據(jù)。本文對該離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，并對其實機運行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和討論。

1 離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)成

離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)由發(fā)電單元、儲能單元、能源管理控制器和用電負(fù)載構(gòu)成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中：K1、K2均為斷路器；M1～M5均為計量表；S1～S6均為繼電器；SV為電磁閥；D為防反二極管；F1為熔斷器；LIB為鋰電池組；LVS為低壓中轉(zhuǎn)站；FC為燃料電池。

圖1 離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 1 Topological structure of off-grid type PV full DC microgrid experimental system

下文針對發(fā)電單元、儲能單元、能源管理控制器及其控制策略、用電負(fù)載這4部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 發(fā)電單元

離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)的發(fā)電單元主體是裝機容量為4 kW的光伏方陣，以500W48V的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池作為輔助電源。光伏方陣的外觀實景如圖2所示，PEM燃料電池單元電堆實物圖如圖3所示。

圖2 光伏方陣外觀實景Fig. 2 Actual appearance of PV array

圖3 PEM燃料電池單元電堆實物圖Fig. 3 Image of stack of PEM fuel cell unit

該光伏方陣采用5塊光伏組件串聯(lián)、2串光伏組串并聯(lián)的連接方式，標(biāo)準(zhǔn)工作電壓和標(biāo)準(zhǔn)工作電流分別為164.2 V和18.88 A；配備2臺耐壓240 V、輸出電壓和電流可調(diào)的最大功率點跟蹤(MPPT)控制器，輸出電壓分別設(shè)定為DC56 V和DC98 V，可分別給48 V負(fù)載和90 V電動車供電。

PEM燃料電池單元配備有500 W電堆和容量為40 L、壓力為150 kg的儲氣瓶，加一次氫氣可有效發(fā)電7 kWh，其主要作用是給24 V負(fù)載和低壓轉(zhuǎn)換站的重要負(fù)載(如電腦等)補電。

1.2 儲能單元

離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)的儲能單元包括固定儲能組和機動儲能組2個部分。固定儲能組由2組48V10kWh磷酸鐵鋰離子梯次動力電池組(下文簡稱為“48 V蓄電池組”，其為主電源)和1組24V5kWh的磷酸鐵鋰離子梯次動力電池組(下文簡稱為“24 V蓄電池組”，其為副電源)和電池管理系統(tǒng)(BMS)構(gòu)成，在接受發(fā)電單元充電的同時可分別給48 V負(fù)載和24 V負(fù)載供電，充放電倍率設(shè)計為0.3 C以下。另外，采用小型電動車14 kWh的動力電池組作為機動儲能組，在微電網(wǎng)嚴(yán)重缺電的情況下，固定儲能組接受來自機動儲能組的反哺補電。

1.3 能源管理控制器及其控制策略

離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)的能源管理控制器配備有全球遠(yuǎn)程控制模塊，可在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方通過遠(yuǎn)程通信對微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)運行情況進(jìn)行實時監(jiān)控，還可在緊急情況下修改運行參數(shù)進(jìn)行人工干預(yù)，切斷或閉合電路，可執(zhí)行合理用電、控制燃料電池單元的啟動時機、缺電報警、電池保護等任務(wù)，其各項功能都由繼電器執(zhí)行完成。由于蓄電池組電壓與荷電狀態(tài)(SOC)有密切關(guān)系[8]，因此以固定儲能組電壓作為能源管理控制器的主要控制參數(shù)。研究組開發(fā)的能源管理控制器和遠(yuǎn)程控制模塊如圖4所示。

圖4 研究組開發(fā)的能源管理控制器和遠(yuǎn)程控制模塊Fig. 4 Energy management controller and remote control module developed by research group

48 V蓄電池組的電能儲量E與充電電壓V之間的關(guān)系及繼電器的各控制點如圖5所示(因梯次動力電池性能具有離散性，圖中曲線關(guān)系式僅供參考)，圖中：C1～C4均為繼電器控制點。

圖5 48 V蓄電池組的E-V關(guān)系及繼電器各控制點Fig. 5 E-V relationship of 48 V storage battery pack and each control point of relay

繼電器可分為削峰繼電器、主電源(48 V)繼電器、報警繼電器、機動負(fù)載繼電器、燃料電池工作繼電器和副電源(24 V)繼電器。

各繼電器動作的設(shè)計思路具體為：

1)削峰繼電器(動作點C4附近)。當(dāng)蓄電池組電能儲量在峰值附近徘徊時，伴隨的是儲能效率大幅下降、蓄電池組溫度上升，將嚴(yán)重影響蓄電池組的使用壽命。此時，需要讓削峰繼電器閉合，把一部分電能用于日常進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理的電腦機房的通風(fēng)降溫，如此既改善了機房的工作環(huán)境，又避免了蓄電池組充電電壓假象上升的“啤酒沫”現(xiàn)象。

2)主電源(48 V)繼電器(動作點C1附近)。對電源進(jìn)行供電管理，并保護蓄電池組，防止過放電。當(dāng)蓄電池組放電到臨近下限值(42～43 V)時，繼電器斷開，停止向用電負(fù)載供電；當(dāng)蓄電池組電壓恢復(fù)到44 V時，繼電器閉合，重新開始供電。

3)報警繼電器(動作點C1附近)。當(dāng)主電源因電壓低而斷開并停止向常用負(fù)載供電時，由于能源管理控制器還在持續(xù)工作，監(jiān)視著各監(jiān)測點的電壓變化，需要消耗電能，因此蓄電池組的電壓因向能源管理控制器供電而繼續(xù)下降；當(dāng)電壓下降到下限值(設(shè)定為41 V)時，繼電器動作，蜂鳴器鳴響，提醒用戶電壓再繼續(xù)下降將會影響蓄電池組的使用壽命，甚至造成控制器失電，此時需要人為地強行關(guān)斷控制器電源或補充電能。

4)機動負(fù)載繼電器(動作點C2和C3附近)。當(dāng)48 V蓄電池組電壓上升到設(shè)定值C3時，繼電器閉合，向機動負(fù)載供電。由于機動負(fù)載都是大功率負(fù)載，因此要控制機動負(fù)載用電量，防止其用電過度。設(shè)計上通過調(diào)整繼電器動作設(shè)定值，使機動負(fù)載始終運行在48 V蓄電池組的高容量區(qū)域，當(dāng)48 V蓄電池組電壓降低到設(shè)定值C2時，該繼電器自動斷開，停止向機動負(fù)載供電，以保證常用負(fù)載的用電。

5)燃料電池工作繼電器。當(dāng)作為副電源的24 V蓄電池組的電壓降到設(shè)定值時，該繼電器閉合，啟動氫氣供氣電磁閥，向PEM燃料電池單元電堆供氣，繼而由電堆通過MPPT給24 V蓄電池組補電。

6)副電源(24 V)繼電器。主要防止24 V蓄電池組過放，當(dāng)該蓄電池組電壓下降到下限設(shè)定值時，繼電器斷開。由于有燃料電池自動補電和電動車反哺補電設(shè)計，該繼電器幾乎不會動作。

由于反哺補電頻度不高，且操作簡單，為了降低離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)的成本并提高安全性，反哺補電設(shè)計為手動操作。

1.4 用電負(fù)載

離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)的用電負(fù)載分為常用負(fù)載和機動負(fù)載兩大類，常用負(fù)載為24 V負(fù)載和48 V負(fù)載(不含3000 W便攜式逆變器)，機動負(fù)載為96 V負(fù)載和3000 W便攜式逆變器。不同負(fù)載的規(guī)格如表1所示，3000 W便攜式逆變器的負(fù)載如表2所示。

表1 不同負(fù)載的規(guī)格表Table 1 Specification table of different loads

表2 3000 W便攜式逆變器的負(fù)載Table 2 Load of 3000 W portable inverter

常用負(fù)載分為可斷電負(fù)載和不可斷電負(fù)載，可斷電負(fù)載主要指對日常生活無大影響，若使用可以改善生活，偶爾不用對生活也無大礙的負(fù)載，比如：除濕機、空氣凈化器、裝飾性照明等。可斷電負(fù)載通常按日常用電需求和生活習(xí)慣由用戶自主管理。

機動負(fù)載的供電由能源管理控制器根據(jù)48 V蓄電池組的電壓判斷其儲電量進(jìn)行管控。機動負(fù)載的定義實際接近于可斷電負(fù)載，其特點是允許間斷性用電，且斷電時間可以長一些，比如：電熱水器的用電和電動車的充電。由于機動負(fù)載的功率和用電量都比較大，通常被控制在48 V蓄電池組儲電量比較富集的電壓區(qū)域內(nèi)工作。從圖5可以看出，48 V蓄電池組的儲電量基本集中在48～54 V之間，占額定儲電容量的80%左右，因此設(shè)計上讓機動負(fù)載工作在該電壓區(qū)間。

隨著光伏發(fā)電技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用，光伏電力在整個電網(wǎng)中的占比將會越來越大，最終會成為人類生活和工作的主要電力來源。光伏電力為直流電，在這種情況下，把光伏直流電逆變成交流電提供給用戶，再在用戶端整流成直流電提供給電動車及眾多的家用直流用電器似乎不盡合理。考慮到交流用電器向直流用電器過渡需要一個歷史期間，在此期間，對于沒有相應(yīng)直流產(chǎn)品的家用交流用電器和還在留用的家用交流用電器，可以局部設(shè)置1臺便攜式逆變器(離網(wǎng)逆變器)提供交流電。

2 離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)的運行結(jié)果與分析

2.1 電動車的充電和反哺補電

電動車的充電方式為即插即充，在光伏方陣的輸出功率較大的時間段內(nèi)，電動車可以隨時、直接接受來自MPPT控制器的直流電進(jìn)行充電。根據(jù)實驗結(jié)果，電動車的充電效率ηc可表示為：

式中：P為電動車的充電功率或MPPT控制器的輸出功率；a為充電回路損耗和充電控制器消耗。

由于a值的變化不大，因此當(dāng)把a視為常數(shù)時，電動車的充電功率越大，電動車的充電效率越高。但是充電功率受到2個方面的限制，一是光伏方陣輸出功率是有限值的，二是設(shè)計的電動車充電倍率最大值為0.2 C，因此電動車的充電效率只能維持在一個較高的范圍內(nèi)而無法繼續(xù)提高。當(dāng)天氣轉(zhuǎn)陰或太陽西下時，MPPT控制器的輸出功率下降，電動車的充電效率隨之下降。另外一個因素也會造成電動車充電效率的下降，即由于48 V蓄電池組配備的MPPT控制器和96 V機動儲能組配備的MPPT控制器設(shè)計成并聯(lián)組合，常態(tài)下二者平衡分流，在電動車動力電池組的充電進(jìn)程中，隨著其SOC值逐漸升高，充電阻力逐漸增大，來自光伏方陣的電流傾向于朝48 V蓄電池組灌輸，導(dǎo)致電動車充電電流減弱，充電倍率自動下滑，充電效率同步下降。電動車充電倍率隨SOC變化的變化情況如圖6所示。

圖6 電動車充電倍率隨SOC變化的變化情況Fig. 6 Change of electric vehicle charging rate with SOC

從圖6可以看出，電動車的充電效率在SOC接近95%左右時下降尤其明顯，因此，把電動車充電截止的SOC值設(shè)定在95%，這樣既可以避免動力電池組過充造成火災(zāi)等事故，又可以有效利用MPPT控制器的輸出，提高整個離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)的電能使用效率。電動助動車與電動車同時充電的狀況如圖7所示。

圖7 電動助動車和電動車同時充電的狀況Fig. 7 Simultaneous charging of electric moped and electric vehicle

在連續(xù)陰雨天的情況下，盡管光伏方陣仍然有電能輸出，但不足以維持日常用電，只能依靠儲能單元持續(xù)輸出進(jìn)行補充供電。隨著電能的持續(xù)釋放，儲能單元所儲電量逐漸下降，此時為了確保穩(wěn)定供電，可以讓電動車反哺為儲能單元補充電能。反哺補電操作與充電大體相同，只是路徑不同，需切換路徑，電流流向也正好相反。反哺電借助燃料電池單元用的MPPT3降壓后供給24 V蓄電池組和24 V蓄電池組下游的負(fù)載，這樣可以省去1臺DC/DC；電動車的反哺補電倍率控制在0.2 C左右。

2.2 實機運行和測試結(jié)果

通過近半年的實機運行測試，確認(rèn)了離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定，主要性能指標(biāo)變化不大。由于11月屬于上海地區(qū)典型的秋冬季節(jié)氣候，晴天數(shù)和陰雨天數(shù)適中，因此在2021年11月，對離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)進(jìn)行了為期1個月的完整運行記錄，并對記錄結(jié)果進(jìn)行了匯總及分析。2021年11月上海地區(qū)的晴雨天記錄如表3所示。實機運行測試自11月1日06:00開始，至11月30日17:00結(jié)束，分析結(jié)果如表4所示。

表3 2021年11月上海地區(qū)的晴雨天記錄Table 3 Records of sunny and rainy days in Shanghai in November 2021

表4 2021年11月離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)實機運行測試的分析結(jié)果Table 4 Analysis results of real machine operation test of off-grid type PV full DC microgrid experimental system in November 2021

離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)在經(jīng)歷了11月4—7日持續(xù)4天的陰雨天后，于11月7日傍晚進(jìn)行了一次電動車反哺補電，補電量為3.5 kWh，電動車SOC從75%下降到了50%，還能安全行 駛60 km以上。整月運行期間，副電源沒有出現(xiàn)過欠電現(xiàn)象，因此燃料電池繼電器沒有動作。為了維持燃料電池的長期性能，根據(jù)燃料電池的使用要求做了5 min左右的維護性運行。

從表4可以看出，繼電器等控制器件的耗電量約占離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)總發(fā)電量的5%，對微電網(wǎng)能效比的影響不小。因此，需要采用一種只在動作時耗電、達(dá)到穩(wěn)態(tài)后不再耗電的繼電器或開關(guān)。

另外，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，減少電纜接點并提高接線質(zhì)量，降低連接電阻，可減少回路損失，提高光伏發(fā)電效率和微電網(wǎng)能效比。

2.3 加強微電網(wǎng)的運行管控

在能源管理方面，現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給邊遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制運行和售后運維服務(wù)帶來了極大的便利，利用互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)引入遠(yuǎn)程控制和人機對話機制，在管理側(cè)和用戶側(cè)之間通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交流，指導(dǎo)用戶合理用電，并通過遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)微電網(wǎng)無線管理。對應(yīng)于各個應(yīng)用場景，能源管理系統(tǒng)中的控制參數(shù)可由用戶根據(jù)需要實時設(shè)定，使系統(tǒng)運維更為便捷。在日本東京的遠(yuǎn)程控制實驗結(jié)果表明，通過位于上海的微電網(wǎng)控制管理中心就可以實現(xiàn)對西藏或新疆有網(wǎng)地區(qū)的微電網(wǎng)實機運行監(jiān)控和運行參數(shù)的實時在線修改。

3 結(jié)論

從早期的并網(wǎng)型光伏微電網(wǎng)到如今的離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)的研究已經(jīng)持續(xù)了10年，其間經(jīng)歷了由光伏單元、超級電容、PEM燃料電池和鋰離子電池組成的四電池系統(tǒng)的實驗研究，以及由光伏單元、PEM燃料電池和鋰離子電池組成的三電池系統(tǒng)的實驗研究，積累了比較豐富的實驗數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗。對該微電網(wǎng)的設(shè)計、組建和實機運行測試只是一個階段性工作，現(xiàn)總結(jié)如下：

1)光伏方陣至MPPT輸出端的發(fā)電效率為92%左右，微電網(wǎng)實際能效比為84%左右，且通過技術(shù)優(yōu)化和設(shè)備質(zhì)量的改進(jìn)，有望進(jìn)一步提高。

2)連續(xù)數(shù)月的運行表明，該微電網(wǎng)基本能滿足日常用電需求，利用電動車反哺補電，陰雨天也能保證年均日用電量的60%的用電要求。如提高燃料電池運行率，則可進(jìn)一步提高供電滿意度。

3)離網(wǎng)型光伏全直流微電網(wǎng)雖然增加了儲能系統(tǒng)和MPPT控制器，但可以免去逆變器和終端直流用電器的整流器，社會效益和資源效益明顯。

4)在能源管理方面，利用互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)引入遠(yuǎn)程控制和人機對話機制，在管理側(cè)和用戶側(cè)之間通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交流，指導(dǎo)用戶合理用電，并通過遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)微電網(wǎng)無線管理。對應(yīng)于各個應(yīng)用場景，能源管理系統(tǒng)中的控制參數(shù)可由用戶根據(jù)需要實時設(shè)定，使系統(tǒng)運維更為便捷。

5)在采用電壓等級這個問題上，母線電壓高有多種優(yōu)點，但是從安全角度和使用便利性考慮，進(jìn)入用戶側(cè)之前可以采用較高的輸電電壓，進(jìn)入用戶側(cè)以后，采用48 V規(guī)格比較適中。

6)電力的瞬間波動和短期不平衡都可以由儲能單元通過吸納和釋放來調(diào)節(jié)，但長周期陰雨天和晴天的電力使用因受到用戶用電量和儲能單元容量的限制，其平衡調(diào)整比較困難，這一點將是下一步研究工作的重點。