信息通信網絡中光伏儲能微電網的解決方案

韓 宇

（卡特彼勒（中國）投資有限公司，北京 100101）

1 微電網

隨著全球節能減排和能源可持續發展戰略的提出，分布式能源發電技術得到了快速發展。微電網作為分布式能源的主要接納者，在提高電網冗余能力、降低碳排放量方面具有重要實施意義。微電網是集分布式電源、儲能設備、能量轉換設備、負荷、保護和監控等為一體，具有自我控制、保護和管理功能的獨立小型電力系統。微電網是單一可控實體，具有明確負荷和邊界。其可獨立于主網運行，亦可協同主網并列運行[1]。任何具有以上條件的閉環電網都可以稱之為微電網，如圖1所示。

圖1 微電網示意圖

微電網能夠利用多種能源發電，其中一部分能夠利用可再生能源發電。可再生能源是可自然補充的能源，包含風能、太陽能、水力勢能、地熱能以及生物質能等。為了保證微電網供電可靠性、降低微電網碳排放量，可采用混合能源微電網。混合能源微電網是指包含至少兩種不同能源的電力系統，例如由柴油發電機組、燃氣發電機組、光伏板和儲能任意兩種組合[2]。

近年來，太陽能光伏板的價格一直在下降，且各國政府對太陽能的發展都有著不同程度的激勵政策，因此這些年來太陽能發電總量增長迅猛。與此同時，作為儲能設備主要組成部分的鋰離子電池價格也在持續下降。這“一增一降”不僅提高了通信行業對光伏儲能解決方案的興趣，也有助于微電網整體系統建設成本的進一步降低。于是，微電網供電方式也由傳統的柴油或燃氣發電機組供電，升級至由太陽能、儲能和備用發電機組組成的混合系統供電。而混合能源微電網的優勢在于當一種能源不可用時仍能由另一種能源提供電力供應，從而增強了電力系統彈性。微電網還可以為偏遠地區供電，解決部分地區主干電網投資大、建設施工困難等問題。因為該系統可以在運行時進行能源切換，所以可以根據運行工況自主選擇具有成本效益的運行模式。

2 光伏板

2.1 常見材料類型

作為微電網最常見的設施，光伏板主要分為多晶、單晶和薄膜3種材料類型。

多晶硅模塊是目前市場上最常見的光伏設施，與單晶硅模塊一樣，多晶硅模塊由單個硅片組成[3]。與單晶硅模塊不同的是，用于多晶硅模塊的鑄錠是鑄造而非生長，大塊熔融硅被冷卻和固化。該工藝成本較低，但材料純度和規格通常低于單晶硅，晶間邊界在某種程度上阻礙了電子的自由流動，因此發電效率較低。多晶硅模塊具有斑點外觀，通常被稱為“碎玻璃”。

單晶硅模塊則是由單個大硅晶體制成。單個大硅晶體純度非常高，因此成為了市場上最高效的太陽能光伏板[4]。單晶光伏板實物圖如圖2所示，單晶面板表面紋理異常光滑。單晶硅模塊的制造成本一直居高不下，但是近年來迅猛的技術進步和增長的制造效率大幅降低了單晶面板的整體造價，單晶硅模塊越來越有市場競爭力。

圖2 Cat?（卡特）單晶光伏板實物圖

薄膜模塊與由單個硅片構成的多晶硅模塊和單晶硅模塊不同，是通過將導電材料沉積在固體表面制成的，固體可以是玻璃、塑料、金屬或其他材料。該工藝為制造光伏模塊提供了一種非常經濟高效的方法。但是薄膜模塊的發電效率低于晶體模塊，即在同一面積的土地上，薄膜模塊的發電功率要低于晶體模塊。目前，通過工藝制造的技術改進，薄膜模塊的發電效率正在日益提高。

2.2 光伏板的選型

選擇光伏板要注意以下事項。

（1）發電量。在比較光伏板時，首先應該查看光伏板的實際年發電量，而非模塊額定功率。光伏板的制造工藝存在較大差異，不同工藝可能會影響光伏板的年發電量。不過市場上有許多建模軟件工具，可幫助用戶快速比較光伏板的發電量。

（2）安裝空間。通常，安裝1MW的峰值光伏板需要占用大量的土地。根據使用情況的不同，這些光伏板也可安裝在屋頂等區域。特別要注意的是，安裝類型可能會影響光伏板的選擇。例如，同等輸出功率的薄膜面板會比晶體面板重。對于材料變化帶來的重量差異，需要對建筑屋頂已確定的荷載進行復核，而待建建筑則需要重新進行荷載計算，以滿足光伏板使用。

（3）使用工況。光伏板發電可以用于主電網、發電機組或大型儲能系統，但是光伏發電所依賴的太陽能受環境影響較大，并非穩定電力輸出，因此不適合作為設施的應急能源。

（4）成本。光伏發電受國家政策影響較大，投資回報存在一定的不確定性。隨著國家日益推進建設節約型社會、實現可持續發展，市場對綠色能源和環境保護的需要將越來越多，因此光伏發電與微電網相結合具有較好的投資前景[5]。

3 儲 能

3.1 儲能分類

混合能源微電網的另一個主要組成部分是儲能設備。在研究儲能解決方案時，投資可行的儲能類型分為機械儲能和化學儲能。機械儲能包含抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等[6]。通常，這些儲能方式的初始投資成本較高，但長期運營成本相對較低，且需要大量的土地面積才能獲得足夠大的能量存儲。化學儲能主要為電池儲能系統[7]。其中鋰離子化學儲能更為常見，其可較好地平衡成本、功率密度和使用壽命之間的關系。

3.2 鋰離子化學儲能

目前，在大型儲能市場，鋰離子化學儲能的技術處于領先地位，其基本原理是將多個鋰離子電池連接封裝成一個模塊，然后安裝在機架中。該機架配有基本的管理系統，可接收所有模塊的實時數據。而管理系統可以監控各個電池組機架，并根據機架數據建立系統級限制。機架還內置了模塊的冷卻和保護設備[8]。

選擇鋰離子電池儲能系統時，需要考慮以下幾點。

（1）自放電。由于鋰電池會自放電，每個月存在2% ～ 5% 的電能損耗，鋰電池供電性能會隨著時間的推移而日益降低。因此，鋰電池不應長時間停用。

（2）充電控制系統。電池充電控制系統應設計為智能充電模式，防止過電壓充電導致電池損壞。

（3）運輸。許多地區認為鋰離子電池是危險的，并對其實施運輸限制。地方政府可能會要求電池和電池架分別運輸，不但增高了運輸成本，還增加了現場安裝工作量。

（4）電池溫度。鋰離子電池具有運行環境的溫度要求，需要配備專用的空調系統。空調系統應當維持環境溫度在推薦的范圍內，以保障電池正常運行工作。

（5）安裝。大多數儲能系統為室外安裝，可以是許多小機柜，也可以是更大的預安裝單元。同時還需符合安裝地有關儲能的相關規定。Cat 儲能產品實物圖如圖3所示。

圖3 Cat 儲能產品實物圖

3.3 儲能應用的作用

從整個電力系統的角度看，儲能的應用需要根據各種場景中的需求對儲能技術進行分析，以找到最適合的儲能技術應用。儲能應用的作用如下。

（1）穩定電網。提供短時且高功率輸出，以改善短時負荷變化事件期間的電能質量。在確定儲能設備參數指標時，要具體根據電網的負載變化，選擇相匹配的峰值功率和過載能力。

（2）整合可再生能源。儲能模塊的設計通常是為了實現功率和能量的平衡。與可再生能源整合時，需要在可再生能源轉換期間保持電力和電能質量不變。以采用柴油發電機組和光伏儲能模塊結合的微電網為例，其運作機制如下文所述。

隨著光照強度的增強，光伏設備的功率輸出會逐漸增加，而發電機組的輸出功率則會相應降低。直到光伏設備輸出功率滿足系統容量時，發電機組才會停機。此時，儲能設備僅依靠光伏系統充電，同時依靠電網系統實現放電。當微電網負載超過光伏設備輸出時，儲能設備將彌補系統容量差額。當陽光光照強度逐漸降低時，光伏系統輸出功率相應下降，直至儲能系統不能支持負載，發電機組則會相應啟機聯動。此時，微電網的容量達到了供需平衡。在沒有太陽光照時，微電網系統僅依靠柴油發電機組實現供電。

（3）能量時移。能量時移是通過儲能的方式實現用電負荷的削峰填谷，即通過光伏系統在白天為儲能系統充電，儲能系統在夜間放電使用，這樣就降低了對主電網電力或發電機組的額外需求。

4 實際應用案例

美國亞利桑大州的圖森試驗場是卡特彼勒公司大型采礦設備的測試和開發站點。由于公用電力饋線的成本過高，該站點未設有公用電網，而是設立了獨立于公用電網的微電網系統，屬于孤島電網運行模式。該系統由3臺卡特彼勒C15發電機組供電，每臺機組的額定功率為410 kW。3臺發電機組每年共運行約11 000 h，燃燒250 000加侖柴油。此外，該站點為無人值守站點，放置了用于研發和測試的設施及相關通信設備。這些設施均為自主運行，且實時上傳測試數據，對供電可靠性要求極高。與此同時，美國政府要求減少使用化石能源，降低碳排放量。因此，圖森試驗場的電力系統需要進行改造。改造方案既要保證供電高可靠性，又要降低碳排放量，整體改造難度極大。

該站點位于亞利桑大州，土地廣袤、光照充足、氣候炎熱，是應用薄膜太陽能組件式光伏發電的絕佳位置。通過技術可行性研究和投資成本分析，使用太陽能光伏發電系統與儲能系統相結合的改造方案，則既能滿足通信系統供電的高可靠性要求，又能使發電機組的柴油消耗量降幅17%～33%。根據此結論，為確定光伏與儲能系統的具體選型，又進行了不同場景的模擬測試，最終確定了該項目的最佳投資回報方案，即輸出功率500 kW的光伏發電系統和12 min儲能系統相結合的方案。該項目在2016年初完成了光伏陣列安裝和儲能設備安裝，完成了光伏系統、儲能系統與既有電力系統的連接改造，并配以主控制器以實時監控新電力系統的運行狀態。圖4、圖5為該項目的衛星視圖和系統圖。

圖4 項目衛星視圖

圖5 項目系統圖·

設計改造通過各種運行條件的模擬和測試，確定了最佳解決方案，方案著重考慮了站點重要負載即通信系統的供電高可靠性。該系統至今已經安全運行多年，其微電網系統保證了孤島型實驗站點和通信系統的安全可靠和穩定運行。該方案為未來大型通信中心及場所的孤島電網設計和改造提供了新的設計思路和解決方案。

5 結 論

如今，可再生能源越來越被廣泛的開發和利用。在適合的工況下，微電網技術不僅可以作為主網的有效補充，還能夠充分提高能源整體利用率，同時儲能系統為設施供電又提供了多一重保障。目前，國內通信基站已經落地實施了一些儲能項目，同時隨著國家各項光伏政策的先后出臺，西部地區的部分光伏儲能項目已經上網運行，未來光伏儲能項目將會擁有無限的發展潛力。