150 kW建筑直流微电网系统的设计

孙建峰

(艾默生网络能源有限公司，广东深圳 518057)

0 引言

随着绿色建筑概念的兴起，新能源在建筑领域的应用是一个热点。直流微电网技术是新能源利用的一项关键技术，吸引了越来越多的行业人士关注。作为微电网技术的一种，直流微电网技术具有容易控制、网络内容易并联等特点，已成为近年的研究热点。

本文介绍了150 kW直流微电网系统的设计，重点分析了系统的控制策略、保护和接地设计、系统监控管理。

1 系统概况

某园区有4栋建筑，电网通过大楼配电间引入，太阳能阵列安装在楼顶。微电网的负载分散在4栋建筑中，负载包括直流照明系统、直流空调、电动车充电站等。各大楼之间通过直流总线连接。整个系统配置峰值功率150 kW的太阳能阵列。由于受太阳能发电的容量限制，大楼内一部分负载由微电网供电，另一部分负载直接由市电供电。

直流微电网系统拓扑如图1所示。微电网系统包括AC/DC模块、太阳能阵列和控制器、储能系统、负载、监控管理模块等。

AC/DC模块采用高频整流技术，把电网的380 V交流输入变换成380 V直流输出。该模块是一个单向模块，不提供微电网到电网的逆流功能。AC/DC系统采用模块化N+1冗余配置，每个模块功率为15 kW。目前系统的容量为150 kW，随着负载的增加，系统可平滑扩容到400 kW。

太阳能阵列安装在屋顶，阵列的峰值输出功率为150 kW。根据屋顶的安装和光照条件，整个阵列分为5组，每组的开路输出电压为550 V。太阳能阵列通过太阳能控制器与直流母线相连，太阳能控制器工作模式可自动调整。当太阳能发电功率大于负载用电功率时，控制器工作在稳压模式;当太阳能发电功率小于负载用电功率时，控制器工作在最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)模式。太阳能控制器采用模块化结构，所有模块安装在一个机架里，并为未来预留了扩容空间。为了保证系统可靠工作，控制器具备输入短路、绝缘检测等完善的保护功能。

图1 直流微电网系统拓扑

储能模块对系统的能量管理和电网质量稳定有重要的作用。目前商用化的储能模块包括铅酸电池、铁锂电池、超级电容、旋转飞轮等。考虑到技术成熟性和经济性，该项目选用铅酸电池组成储能单元。储能单元直接与直流总线并联，没有经过DC/DC双向变换器，系统通过控制母线电压实现储能单元的充放电控制。该设计主要考虑储能单元直接挂在母线上，可以有效地滤除母线上噪声，提高供电的质量。对负载的瞬态波动，储能单元可迅速地响应，以保持母线的稳定。此外，当负载发生短路时，储能单元还提供足够的能量来保证保护单元可靠分断。

太阳能单元和储能模块并联工作，采用一个独立的控制器控制，使母线在任何工况下稳定。该控制器安装在AC/DC柜中，与其他单元模块通过RS-485总线实现通信。该控制单元也与上层监控单元通信，并执行上层监控下发的指令。

微电网系统主要负载如表1所示。这些负载输入电压的要求、用电功率及工作时间有所不同，部分负载需要专门的DC/DC单元与母线连接。

表1 微电网系统主要负载

监控模块监控和管理整个系统，主要功能包括微电网的工作环境和状态监测、系统整体控制、系统能耗测量及管理，也提供操作人员和微电网系统之间的接口。

2 系统控制

微电网系统有以下两个主要的控制目标:

(1)保持母线电压稳定。

(2)最大程度地利用新能源。

因此，必须保持母线输入/输出的功率在任何条件下处于平衡。微电网系统的功率关系为

在微电网系统中，储能模块对于保持系统的能量平衡起着非常关键的作用。微电网系统的控制逻辑如图2所示，描述了系统的工作状态和母线电压在一天之内的变化。

图2 微电网系统的控制逻辑

系统设定太阳能控制器输出电压高于AC/DC模块输出电压，保证了系统优先应用太阳能。在中午光照条件比较好时，负载完全由太阳能供电(第一阶段)。进入下午，太阳能开始减弱，减弱到不足以提供负载所需全部电量时，储能单元提供部分的能量，母线电压会随着储能单元的放电有所降低(第二阶段)。随着太阳光的持续减弱，这个过程一直持续到母线电压下降到AC/DC单元输出电压为止，系统转由电网通过AC/DC提供能量(第三阶段)。通过调节AC/DC单元的输出电压，可以调节储能单元的放电深度。市电供电一直持续到太阳光照条件达到发电要求，太阳能开始发电(第四阶段)，随着光照条件由弱逐渐增强，市电和太阳能共同为负载提供能量，直到当太阳能发电功率足够时，市电将停止输出。由太阳能单独提供电能，储能单元电压随着充电过程不断的上升，最终稳定到设定值(第五阶段)。

由以上分析可知，通过调节不同单元的输出电压，直流微电网内部可以自动地实现能量的分配，有助于微电网的经济运行。系统可以根据运行环境和条件，灵活地选择运行方式，比如在用电高峰时段，可以让储能单元多放电;用电低谷时段，可以减少储能单元的放电容量，多用市电。当然，这种靠输出电压控制的方法会造成母线电压的波动，但波动很小，不会影响负载的正常工作和整个系统的稳定。无论在稳态还是动态条件下，微电网系统必须是稳定的，必须对多类型负载变化有足够快的响应速度。目前的微电网拓扑中，储能单元直接与直流母线相连，所以储能单元针对母线的波动能快速响应。此外，AC/DC模块和太阳能模块具有毫秒级的动态响应速度，与储能模块一起满足负载动态响应要求。

3 系统保护

3.1 系统接地方式

对于直流系统，常用的接地方式有:直接接地系统、双端高阻接地、单端高阻接地、悬浮接地。

本文采用双端高阻接地方式，同时太阳能阵列的输出也采用该方式。

3.2 接地故障监测

对于高阻接地系统，为了避免电击风险，需要实时监测配单回路的接地电阻。目前接地电阻的监测有直流法和交流法两种技术。直流微电网覆盖区域大，配电回路与大地之间存在较大的杂散电容，采用交流法易形成误告警。所以，该系统采用直流法实现绝缘监测。

3.3 系统保护

由于直流配电系统保护没有相关的设计标准可以参照，商用的直流配电器件也没有交流的丰富，因此直流系统保护比交流系统的显得复杂。针对直流微电网系统的保护，需要考虑以下几个问题:

(1)合理选择保护器件。

(2)实现可靠的选择性保护。

(3)太阳能阵列故障保护。

直流微电网需采用直流型或可用于直流的保护器件。为了满足工作电压电流要求，可以把空开极间进行串并联使用。

为了合理地选择开关器件，对整个微电网系统建立了阻抗模型，如图3所示。根据该模型可计算各支路的短路电流，为开关选择提供依据。

图3 微电网系统阻抗模型

由于短路时需足够的能量来触发保护器件动作，而AC/DC单元和MPPT 的能量由于受到系统容量的限制而无法满足触发的要求，根据计算结果，储能单元对整个系统的保护非常关键。

太阳能阵列类似于一个电流源，因此当太阳能阵列出现短路时，没有明显的短路大电流特征。所以，必须同时结合电压与电流的特征判断短路故障，对整个系统的安全运行非常重要。

4 系统管理

微电网系统由一个统一的监控单元实现监控。该监控单元由传感器及采集设备、路由器、终端服务器及显示单元构成。

5 方案实施

结合实际的需求，设计了一个150 kW直流微电网系统并完成了安装和测试，目前已投入运行。实验室和现场测试结果证明，150 kW直流微电网系统完全满足设计要求。

6 结语

介绍了150 kW直流微电网系统的设计，分析了系统的接地方式、配电保护及直流微电网的控制方案，并根据设计完成了系统的开发和实际安装运行。实际运行结果表明，150 kW直流微电网系统满足设计要求，系统运行稳定，各项保护功能完善，体现了直流微电网系统的技术特点。

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