一个实际小型光伏微网系统的设计与实现

■天津大学电力系统仿真控制教育部重点实验室 王成山 杨占刚 武震

0 前言

近年来，作为太阳能利用的有效形式之一，光伏发电与建筑一体化结合得到了越来越多的重视[1-2]。在“零能耗或低能耗建筑”中，光伏发电也经常作为建筑物的主要电能来源[3-4]。为推动可再生能源的普及应用和太阳能建筑的工业化，美国能源部从2003年开始举办太阳能建筑十项全能竞赛，迄今为止已经举办至第4届[5]。按照竞赛要求，每所参赛大学需建造一座完全以太阳能为能源、能满足日常生活要求、建筑面积74 m2的太阳能住宅，并配备电视、冰箱、灶具、洗衣机、计算机等全套日常家用电器及家具等生活设施。最终针对建筑设计、工程与结构、太阳能系统、电力能源平衡、工业化前景、创新性、可持续性等10项指标进行评价[6]。

作为太阳能建筑评价的核心指标之一，电力能量平衡的评分由以下3个部分组成。

（1）电能自给自足。由于竞赛在夏季举行，考虑光伏发电的季节差异(冬天发电量会降低)，在竞赛周期内(8天)。若房屋光伏发电系统向电网的送电量大于40 kW·h即可获得满分，小于20 kW·h为零分。二者之间按线性关系评分。

（2）电能正平衡。在竞赛周结束后，向电网送电超出40 kW·h最多的团队将得到最高分，其余团队将根据其超出40 kW·h的富裕电量所占获胜者的比例按线性关系评分。

（3）瞬时功率评价。每天采样5个点，对采样点处发电功率与负载功率的差值除以负载功率来评估其瞬时功率特性，并加权平均，其值越大说明光伏发电瞬时功率满足负荷需求充裕度越高，一旦出现负值则予以扣分。

为推动太阳能利用和可持续性建筑研究在欧洲的发展，在美国政府支持下，2010年比赛在西班牙马德里举行。

本文首先结合参赛地点的日平均日照度、具体参赛建筑的空间情况及参赛建筑的用电负荷，给出了光伏组件安装容量及光伏微网系统设计方案，进而对系统的运行模式及运行性能进行了分析，最后给出了实际运行结果。

1 系统设计

1.1 马德里地理位置及光辐射强度分析

竞赛地点马德里位于北纬40.5°，西经3.6°，海拔582 m，是地中海气候，冬季温和多雨，夏季炎热干燥，其平均气温与日平均日照如表1所示。可以看出，马德里日照时数长，降水日数少，且温度相对偏低，具备光伏系统安装的便利条件。

表2给出了倾角不同情况下夏至日的全天太阳能辐射量。从表中可知，在夏至日时，若不考虑遮挡情况，电池板倾角为5°时可获得最大太阳能辐射量。

1.2 光伏组件安装方式及容量分析

以74 m2住宅为依托，可安装光伏组件的位置包括屋顶以及房屋的东、南、西3个立面。其中，屋顶又包括平屋顶和坡屋顶。坡屋顶面积较小，其部分用于安装太阳能集热装置；坡屋顶下方用作设备间。

平屋顶电池板采用规格为1.58 m×0.808 m的200 Wp单晶硅组件。共铺设24块，4.8 kWp。受平屋顶建筑面积的限制，单块电池板的允许安装距离为0.850 m。电池板采用横向放置，两电池板底边之间距离D的计算公式为[7]

其中，H为电池板长度，γs为太阳方位角，as为太阳高度角，w为时角，φ为当地纬度，б为太阳赤纬角，β为电池板倾角。根据式(1) ，可得冬至日和夏至日不同倾角时的最小安装间距D，见表3。

可以看出，若D=0.850 m，在夏至日时，采用倾角5°、10°、15°铺设电池板均不存在遮挡；而在冬至日时，则均存在遮挡。

由前文可知，若不考虑遮挡影响，采用倾角5°铺设时，可以保证夏至日、即竞赛周时段的发电量最大；但在倾角为5°时，冬半年则存在遮挡。为避免遮挡，取倾角为0°，即采用平铺设计为宜。

表4为不考虑遮挡情况下，平屋顶光伏在5°和0°倾角下的月度及全年发电量预测结果对比。

可以看出，不考虑遮挡时。倾角5°和0°的全年发电量差异为：6267.8-6023.7=244.1(kW·h)。

考虑到遮挡影响，由式(2)计算可得，在4月4日至9月6日之间，按5°铺设时不存在遮挡，在此段期间若采用5°倾角，与0°倾角时的发电量差异仅为49.1 kW·h。

由上述分析可见，虽然采用最佳倾角有助于提高光伏系统的发电量，但从全年考虑，由于有遮挡的影响。导致的发电量差异很小。考虑到倾角调节相应也会带来安装结构等成本的增加，综合考虑各方面因素。平屋顶电池板采用固定2°倾角铺设。

坡屋顶电池板采用规格为1.58 m×0.808 m的195 Wp单晶硅组件，与坡屋顶一体化安装，因部分坡屋顶用于安装太阳能集热器，要求坡屋顶倾角为37°，因此光伏组件也按照该倾角安装。在房屋的东、南、西3个立面，采用规格为37 Wp的多晶硅电池。做成砖墙效果。此外，在房屋上方的女儿墙上也安装了部分单晶硅组件，有关细节见表5。

1.3 能量平衡分析

为评估系统的发电能力，采用专业软件对系统发电量进行了模拟，模拟出的月度及年度发电量如表6所示。比赛对室内各种用电设施的容量及开启时间有严格的要求，光伏系统全年发电量和室内设施用电量关系如图1所示，系统全年发电量为10122.22 kW·h，用电量为7267.15 kW·h。可以看出，系统可以维持全年发电量的正平衡，并向电网送电2750.9 kW·h。其中，1月、2月、11月、12月由于光照原因光伏发电量不能满足负荷需求，需从电网购电。

表7为模拟的竞赛周光伏发电结果，可以看出竞赛期间光伏发电总计为345.32 kW·h，按竞赛规则限制的各电器负荷的启停时间，竞赛住宅预计每天消耗电能1991 kW·h，则8天竞赛期的耗电量为15928 kW·h共向电网进电186.04 kW·h远大于40 kW·h的评分标准。

2 光伏微网系统

2.1 光伏微网系统设计

光伏微网系统的电气结构如图2所示，系统为单相，电压230 V，频率50 Hz，由光伏系统、蓄电池储能系统、并网逆变器度相关控制系统构成。考虑到房屋平屋顶、坡屋顶、东立面、南立面、西立面、女儿墙各部分安装的光伏组件即使在同一时间所受的日照也不同、这6个部分光伏组件不宜直接并联或串联。为此，将每一部分都作为独立输入接入并网逆变器。其中，平屋顶和西立面的2路光伏组件的输出电压较高直接接入DC/AC并网逆变器另4路通过DC/Dc环节升压后再接入DC/AC并同逆变器。蓄电池储能系统通过双向逆变器井凡交流母线，且以无太阳辐射、微网孤岛运行模式下，蓄电池可以支撑负荷运行一天计算[8]，选择48 V、420 A·h的蓄电池。

系统设有上层控制器通过RS-485总线与光伏发电系统、储能系统、测量电表、控制开关等进行通信。采集系统的功率、电压、频率、工作状态等系统信息，并设置光伏并网逆变器的工作模式，保证在孤岛运行模式下的电压和频率符合要求[9]。

2.2 系统运行横式

以获得最少的外电网功率输入为原则，设计微网系统有以下4种运行模式。

(1)光伏发电量>负荷耗电量，且蓄电池已充满或接近充满(浮充)，则开关KM1、KM2均闭合，系统联网运行，光伏部分的富余电力在满足蓄电池充电需求基础上。可以向电网倒送电能。

(2)光伏发电量>负荷耗电量，蓄电池荷电状态轻低，此时蓄电池所需充电电流较大，为此断开KM1，闭合KM2，系统以孤岛模式运行，由光伏对蓄电池进行充电，并避免电网对蓄电池进行充电。

（3）若光伏发电量<负荷耗电量，若蓄电触电量充足，为避免外电网给负荷供电，断开KM1，闭合KM2，系统处于孤岛运行模式，由蓄电池负责平抑光伏或负荷扰动。

（4）若光伏发电置<负荷耗电量，且蓄电池容量低于一定的下限，为避免蓄电池的过放电，断开KM1和KM2，蓄电池双向逆变器处于待机状态，同时闭合开关KM3，由电网直接给负荷供电，由此避免了电网对蓄电池充电。

特别值得指出的是，上述运行模式是针对比赛规则确立的，原则就是尽可能少地应用来自电网的电能。在实际系统应用中，光伏系统可以长期并网运行，只有在外网故障时再进入孤岛运行模式；也可以长期孤岛运行，但用电可靠性会有所降低。总之，上述运行模式的切换原则可以因实际系统的需要而调整，这一点可以很容易通过调整上层控制器的控制策略来实现。

3 实际运行结果

3.1 发电量与用电量

在竞赛期间，将光伏发电量与负荷用电量的监测数据通过RS-485总线连至后台计算机进行实时数据采集和分析。实际能耗与预测能耗的对比见表8，可以看出实际发电结果与预测结果十分接近，达到了预期的设计效果。

3.2 瞬时功率平衡

竞赛周的光伏发电功率与用电功率的关系如图3所示。可以看出，在6月18日到6月25日的测试时间段内(8：00～20：00)，光伏系统的发电功率基本大于负荷用电功率，满足竞赛所要求的瞬时功率正平衡需求。

3.3 运行模式变化时的稳定性测试

针对本文设计的光伏微网系统。在孤岛、联网以及二者之间模式切换状态下，监测微网交流母线处电压、频率以及光伏、蓄电池、外电网的输出功率曲线如图4所示。

在孤岛运行时(t=0～415 s)，光伏发电系统输出功率波动(见图4(a))或是负荷功率发生波动(见图4(b))引起的功率不平衡。总会由蓄电池双向逆变器快速跟踪，因而对微网电压和频率造成的冲击不会引起光伏并网逆变器的切除。

当t=415 s时，微网由孤岛切换到联网模式，双向逆变器进行控制策略切换，由定电压、定频率控制切换到定功率控制。由于外电网可以看作无穷大电源，因此切换后负荷功率可由外电网迅速得到补充(见图4(d))，保证孤岛到联网模式的平稳过渡。

在t=415～660 s之间，微网联网运行，以外电网电压和频率为参考，微网的电压和频率跟随外电网波动而波动。由于光伏并网逆变器和蓄电池双向逆变器均采用定功率控制，光伏发电功率的波动及负荷功率波动均由外电网来平衡，均不会对微网电压和频率造成冲击。蓄电池双向逆变器的输出功率与外界的功率变化无关，仅由蓄电池本身状态决定。

当t=660 s时，微网由联网切换到孤岛运行模式。由于失去外电网的电压和频率参考，双向逆变器切换到定电压、定频率控制。除了蓄电池本身功率输出变化外，外电网所供应的负荷功率也将改由蓄电池提供。受蓄电池瞬问放电能力的限制，微网的频率发生瞬间跌落至48.7 Hz(见图4(f))，所有光伏并网逆变器达到极限切除频率而被切除(见图4(a))n[10]，经过一段时间后依次重新并入。

可以看出，光伏微网系统可以稳定地工作于联网模式和孤岛模式。并能实现二者之间的平稳切换。但从联网向孤岛模式的切换过程中，由于微网频率的波动，有可能导致光伏并网逆变器短暂切除，这主要是因为蓄电池的快速动态功率补偿能力相对较弱。若实现切换瞬间快速的动态功率补偿以保证光伏并网逆变器不被切除，复合储能技术不失为一种合理化的选择[11]。

从上面的分析可知，与蓄电池相连的双向逆变器是光伏微网系统孤岛运行时的核心，用于维持微网的频率和电压，跟踪光伏输出功率和负荷的波动。由于蓄电池的能量存储量有限，如果系统中光伏或负荷波动较大，将会影响蓄电池的充放电状态，进而影响到微网孤岛运行时的动态行为。关于蓄电池双向逆变器的控制策略，请见文献[12]。

4 结语

本文所设计的光伏微网系统经过在参赛地的实际运行测试.表现出了很好的控制灵活性和运行可靠性。实际运行经验表明，这一微网系统结构及相关控制策略具有一定的通用性，特别适宜与建筑结合的光伏发电系统的组网设计，具有很好的推广价值。

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[12]杨占刚,王成山,车延博.可实现运行模式灵活切换的小型微网实验系统[J].电力系统自动化,2009,33(14):89-92.