園區(qū)風(fēng)光儲(chǔ)充微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘" 要：該文結(jié)合園區(qū)用能結(jié)構(gòu)及實(shí)際用能需求，設(shè)計(jì)一套園區(qū)風(fēng)光儲(chǔ)充微電網(wǎng)系統(tǒng)。此系統(tǒng)包含風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能、充電樁及負(fù)荷系統(tǒng)等關(guān)鍵元素，將風(fēng)力和光伏發(fā)電等清潔能源發(fā)電系統(tǒng)作為園區(qū)新的電能補(bǔ)充，可一定程度上緩解用能高峰時(shí)用電緊張的情況，同時(shí)降低向電網(wǎng)購(gòu)電量和用能成本;通過配置一定容量的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)園區(qū)用能結(jié)構(gòu)的能量時(shí)移、波動(dòng)平滑及備用電源支撐等多重功能;設(shè)計(jì)的充電樁系統(tǒng)作為交流負(fù)荷對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)接入的負(fù)荷研究，結(jié)合園區(qū)負(fù)荷情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)園區(qū)微電網(wǎng)電能結(jié)構(gòu)的就地消納和資源的最大化利用。該系統(tǒng)可有效緩解園區(qū)能源供需矛盾，提高能源供需協(xié)調(diào)能力，推動(dòng)清潔能源就近消納，滿足園區(qū)多樣化用能需求，具有良好的推廣前景。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光儲(chǔ)充;微電網(wǎng);能量管理系統(tǒng);光伏發(fā)電系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM714" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）18-0049-04

Abstract： According to the energy structure and actual energy demand of the park， a set of park wind-solar storage and charging microgrid system is designed. The system includes key elements such as wind power， photovoltaic， energy storage， charging pile and load system. Clean energy generation systems such as wind power and photovoltaic power generation are used as new power supplements in the park， which can alleviate the shortage of power consumption at the peak of energy consumption to a certain extent and reduces the power purchase and energy consumption cost from the power grid. By configuring the electrochemical energy storage system with a certain capacity， the multiple functions of the energy structure of the park， such as energy time shift， fluctuation smoothing and backup power support， are realized. The designed charging pile system is used as the load research of AC load access to the microgrid system. According to the load situation of the park， the local absorption of the park microgrid power structure and the maximum utilization of resources are realized. The system can effectively alleviate the contradiction between energy supply and demand in the park， improve the coordination ability of energy supply and demand， promote the nearby consumption of clean energy， meet the diversified energy needs of the park， and thereby has a good promotion prospect.

Keywords： wind-solar storage and charging; microgrid; energy management system; photovoltaic generation system; system design

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的逐步全面推進(jìn)，在分布式電源、微電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)和電動(dòng)汽車等新興元素不斷發(fā)展的情況下，傳統(tǒng)配用電網(wǎng)正在發(fā)生巨大的變化，面臨新的形勢(shì)。相對(duì)于光伏發(fā)電，微電網(wǎng)是分布式電源、儲(chǔ)能裝置、智能配電系統(tǒng)的結(jié)合[1-2]。當(dāng)前微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，必將成為我國(guó)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的重要組成部分[3-4]。

為積極貫徹并加快推進(jìn)新型電力系統(tǒng)建設(shè)工作部署，本文以科技園區(qū)為示范地點(diǎn)，設(shè)計(jì)建設(shè)集分布式風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及儲(chǔ)能及充電樁智慧管理控制管理系統(tǒng)為一體的先進(jìn)綜合能源系統(tǒng)。以園區(qū)配電負(fù)荷和電價(jià)情況作為基本出發(fā)點(diǎn)，從系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、并離網(wǎng)運(yùn)行策略等方面對(duì)該工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的主要特點(diǎn)進(jìn)行了分析，重點(diǎn)給出了園區(qū)設(shè)計(jì)建設(shè)微電網(wǎng)的基本思路構(gòu)架、考量的關(guān)鍵元素和關(guān)鍵點(diǎn)，重點(diǎn)解決企業(yè)的用電成本高和重要負(fù)荷可靠供電的問題。

1" 建設(shè)背景

園區(qū)微電網(wǎng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，綜合考慮到園區(qū)廠房布局結(jié)構(gòu)、資源稟賦[5]和應(yīng)用場(chǎng)景等諸多因素，本微電網(wǎng)項(xiàng)目旨在降低企業(yè)能耗，減少企業(yè)用電成本，降低碳排放，微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)作為企業(yè)備用電源，提高園區(qū)供電可靠性。

1.1" 配電及負(fù)荷情況

本設(shè)計(jì)項(xiàng)目所在地主要由辦公樓、試驗(yàn)樓及酒店組成，占地面積為65萬(wàn)m2，園區(qū)配電電源由就近10 kV開閉所引入，以一回電壓等級(jí)為10 kV的線路接入園區(qū)配電房，接2臺(tái)容量為2 000 kVA和2 500 kVA變壓器（5#變和4#變）。

園區(qū)年用電量約為330萬(wàn)kWh，用電負(fù)荷分為園區(qū)照明辦公用電、動(dòng)力用電和試驗(yàn)用電等。其中，照明辦公包括照明燈具、辦公插座、中心機(jī)房、災(zāi)備機(jī)房及弱電系統(tǒng)（視頻監(jiān)控、門禁系統(tǒng)等），動(dòng)力用電包括空調(diào)主機(jī)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)等，試驗(yàn)用電包括高低溫箱等試驗(yàn)用電。

工作日24 h平均負(fù)荷為359.53 kW，工作日工作時(shí)間（8：00—18：00）平均負(fù)荷為446.42 kW;節(jié)假日24 h平均負(fù)荷為270.17 kW。冬季空調(diào)制暖采用天然氣鍋爐形式，夏季采用電空調(diào)（電空調(diào)外機(jī)容量為600 kW），夏季負(fù)荷較冬季將有相應(yīng)增長(zhǎng)。

1.2" 電價(jià)情況

按照河南省電網(wǎng)銷售電價(jià)表（豫發(fā)改價(jià)管〔2018〕306號(hào)）中“變壓器容量315千伏安及以上用電”“1—10千伏”檔計(jì)入電價(jià)，為0.616 03元/千瓦時(shí)，無(wú)峰谷電價(jià)。

根據(jù)《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于2018年光伏發(fā)電項(xiàng)目?jī)r(jià)格政策的通知》要求，2018年1月1日以后投運(yùn)的、采用“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”模式的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，全電量度電補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)降低0.05元，即補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為每千瓦時(shí)0.37元（含稅）。

綜上所述，本項(xiàng)目光伏系統(tǒng)投資收益價(jià)值較低，根據(jù)園區(qū)負(fù)荷情況，自發(fā)自用占比越高，其投資收益越大。由于沒有峰谷電價(jià)，儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)法峰谷套利，可利用園區(qū)用電價(jià)格和上網(wǎng)補(bǔ)貼價(jià)格的差額，進(jìn)行儲(chǔ)能充放電控制策略來增加收益。

2" 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)園區(qū)負(fù)荷情況及微電網(wǎng)就地消納的基本原則，結(jié)合園區(qū)場(chǎng)地空間條件，安裝分布式風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車充電樁，與現(xiàn)有的配電設(shè)施、用電負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成一套微電網(wǎng)，優(yōu)先使用風(fēng)力、光伏提供的電能，當(dāng)光伏系統(tǒng)出力不足時(shí)由儲(chǔ)能系統(tǒng)供電，集約用能，有效降低變壓器總裝機(jī)容量和園區(qū)用電成本。

微電網(wǎng)系統(tǒng)包含2個(gè)子系統(tǒng)，1#子系統(tǒng)為712 kWp光伏發(fā)電系統(tǒng)，2#子系統(tǒng)為由285 kWp光伏、250 kW/600 kWh儲(chǔ)能、1臺(tái)5 kW風(fēng)機(jī)及2臺(tái)160 kW直流充電樁組成的智能微電網(wǎng)，其中光伏系統(tǒng)使用屋頂面積約14 200 m2。

微電網(wǎng)系統(tǒng)用電拓?fù)湫问娇煞譃榻涣髂妇€、直流母線及交直流母線混合形式，基于交流母線形式的架構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且技術(shù)較為成熟，工程造價(jià)相對(duì)較低等綜合因素，適用于工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。因此，采用低壓380 V用戶側(cè)并網(wǎng)，運(yùn)行模式以自發(fā)自用為主，余電上網(wǎng)。園區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

綜上所述，本項(xiàng)目微網(wǎng)是以光伏為主要發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能系統(tǒng)作為儲(chǔ)能設(shè)備、充電樁及園區(qū)負(fù)荷為負(fù)載的交流微電網(wǎng)。能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)[5]，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行。

3" 自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)涵蓋云平臺(tái)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)與能量管理系統(tǒng)[6-7]，微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1" 云平臺(tái)系統(tǒng)

考慮微電網(wǎng)遠(yuǎn)程運(yùn)行維護(hù)及數(shù)據(jù)調(diào)閱需求，云平臺(tái)系統(tǒng)具備高吞吐量的數(shù)據(jù)處理能力，能實(shí)現(xiàn)與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)和微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的互聯(lián)互通，同時(shí)，可提供數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、故障診斷、能效評(píng)估、負(fù)荷預(yù)測(cè)、安全預(yù)警等服務(wù)。云平臺(tái)系統(tǒng)如圖3所示。

3.2" 微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與云平臺(tái)及微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將微電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳給云平臺(tái)及微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、人機(jī)界面和報(bào)表處理等。監(jiān)控主要信息包括系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)檢測(cè)和系統(tǒng)告警，能夠?qū)崟r(shí)獲取各逆變器工作狀態(tài)、有功功率、發(fā)電量等，儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC值、充放電功率等信息。

3.3" 能量管理系統(tǒng)

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)應(yīng)在保證微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上以經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行為目標(biāo)，對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電、配電以及用電進(jìn)行管理和運(yùn)行結(jié)果分析。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)具備分布式電源管理、發(fā)用電計(jì)劃、電壓無(wú)功管理、統(tǒng)計(jì)分析與評(píng)估，以及風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與管理等高級(jí)應(yīng)用功能等功能。

考慮園區(qū)能量的優(yōu)化調(diào)度，對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)部能量進(jìn)行調(diào)度控制，維持微電網(wǎng)功率平衡，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的并網(wǎng)/離網(wǎng)模式切換，保證供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。能量管理系統(tǒng)如圖4所示。

4" 微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度優(yōu)先級(jí)

當(dāng)光伏出力大于園區(qū)負(fù)荷時(shí)，微電網(wǎng)優(yōu)先使用光伏系統(tǒng)電力，光伏出力不足以給園區(qū)負(fù)荷供電時(shí)，在儲(chǔ)能電量滿足放電需求情況下進(jìn)行儲(chǔ)能放電，當(dāng)光伏和儲(chǔ)能電量都不足以維持園區(qū)負(fù)荷時(shí)從電網(wǎng)取電。

基于用電綜合性成本及能源利用角度考慮，儲(chǔ)能系統(tǒng)采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的用電方式，同時(shí)儲(chǔ)能利用光伏發(fā)電對(duì)其進(jìn)行充電，不從電網(wǎng)取電來充電。微電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度優(yōu)先級(jí)如圖5所示。

5nbsp; 微電網(wǎng)離網(wǎng)控制

微電網(wǎng)EMS系統(tǒng)應(yīng)能夠協(xié)調(diào)光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能及保障性負(fù)荷在離網(wǎng)狀態(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)行。在外網(wǎng)斷電的極限情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)需為園區(qū)內(nèi)保障性負(fù)荷提供電源。

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，園區(qū)為單一電價(jià)，無(wú)需量費(fèi)，儲(chǔ)能無(wú)峰谷套利空間。減少費(fèi)用的措施，僅為最大可能利用光伏和風(fēng)機(jī)發(fā)電。考慮儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)化效率，正常情況下，儲(chǔ)能僅利用光伏多余電量進(jìn)行充電，不從電網(wǎng)取電充電，儲(chǔ)能充滿電后，光伏余電上網(wǎng);儲(chǔ)能在固定時(shí)段按需放電。

微電網(wǎng)離網(wǎng)控制，考慮園區(qū)保障性負(fù)荷不嚴(yán)格要求不間斷電源供電，且部分并網(wǎng)開關(guān)不具備遙控分合閘功能，開關(guān)位置信號(hào)不能全部接入等實(shí)際情況，同時(shí)基于安全考量，手動(dòng)進(jìn)行離網(wǎng)操作。

園區(qū)產(chǎn)生主動(dòng)離網(wǎng)需求或被動(dòng)離網(wǎng)時(shí)，受到儲(chǔ)能變流器額定功率的限制，需考慮保電負(fù)荷的最大瞬時(shí)功率是否在儲(chǔ)能離網(wǎng)電量的可承受范圍內(nèi)，待儲(chǔ)能離網(wǎng)控制由并網(wǎng)下的PQ模式切換為VF模式，為保電對(duì)象提供電壓頻率支撐后，設(shè)置光伏系統(tǒng)設(shè)定為限功率模式，通過疊加光伏系統(tǒng)的電量可帶載更大功率負(fù)荷。

6" 結(jié)論

本文結(jié)合園區(qū)用能結(jié)構(gòu)和實(shí)際用能需求，從提高園區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行能力和經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套園區(qū)級(jí)風(fēng)光儲(chǔ)充微電網(wǎng)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的建設(shè)背景、設(shè)計(jì)方案、微電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)和并離網(wǎng)控制進(jìn)行了詳細(xì)地說明和分析。

該微電網(wǎng)已在園區(qū)成功應(yīng)用，系統(tǒng)的運(yùn)行效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，預(yù)計(jì)光伏系統(tǒng)年發(fā)電量為120萬(wàn)kWh，儲(chǔ)能系統(tǒng)按照一天充放電一次和放電深度80%考慮，預(yù)計(jì)年發(fā)電量為12萬(wàn)kWh，共計(jì)132萬(wàn)kWh電，可滿足園區(qū)40%的用電需求，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電量最大化就地消納，降低了園區(qū)的用電成本，提高了園區(qū)重要負(fù)荷的供電可靠性，所提系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和控制方法合理有效。

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