高原高寒地区智能分布式光伏微电网现状及案例分析*

万溧

（西藏自治区能源研究示范中心，西藏 拉萨 850000）

随着经济社会的迅猛发展，城市集中化、扩大化程度不断提高，电网系统的建设速度越来越难以跟上城市化的建设速度。如2006年的西欧大停电；2007年的哥伦比亚大停电；2009年的巴西大停电；2012年的印度大停电，这些世界范围内的大规模停电事故更是将当今社会传统电网的脆弱性暴露无遗。传统的市政电网系统逐渐难以满足用户侧愈来愈多样化、复杂化的用电要求［1］。智能分布式微电网系统作为一种尽量利用就近可再生能源进行发电的分布式供电系统应际而生。相对传统的市政电网系统而言，智能分布式微电网系统不仅采用就近发电、供电的原则，且其运行模式相对灵活、设备容量相对更小，同时该系统将分布式可再生电源（太阳能、风能、地热能等）、储能单元、负载监测、控制保护等设备有机耦合［2］，使用户侧可实时监控每个部件及环节，以达到用户侧多样化、复杂化的用电目的。智能分布式微电网系统利用静态开关与市政电网系统相连接［2］，其不仅可实现并网和离网两种运行模式的平稳切换，还可增强对市政电网系统的抗干扰能力［3］。即使当市政电网系统发生停电、设备出错或电能质量低下等故障时，智能分布式微电网系统仍可进行离网运行模式工作，保障了区域性供电的安全性及稳定性［4］。

其中，智能分布式光伏微电网系统具有以下优势：

自主性：光伏微电网系统主要由分布式的太阳能电源、储能装置、负载监测及智能控制四大部分组成，其可实现自主性的运行操作，达到自我管理及控制的目的；

互动性：光伏微电网系统在每个组成单元上均设置了数据采集功能，其不仅实现了用户侧的监控管理，还实现了与远程厂家的信息互动；

清洁性：光伏微电网系统由于使用清洁、可再生的太阳能作为电源，符合国家节能减排的政策要求，减少了污染气体及烟尘等污染物的排放。

文章在简单介绍智能分布式微电网系统研究现状和发展趋势的基础上，以西藏自治区能源研究示范中心45.9kW智能分布式光伏微电网系统为例，对影响该系统发电效率的因素进行了分析。

1 智能分布式微电网现状及趋势

1.1 国外智能分布式微电网现状及趋势

随着世界各国对可再生能源的不断开发，分布式微电网应用的不断扩大，智能化程度的不断提升，国外发达国家纷纷提出了清洁能源利用计划，将智能微电网与可再生能源相结合，以求最大程度的发挥微电网系统的效益。

最早提出微电网系统概念的是美国电气可靠性技术协会（简称：CERTS）［1］，由于通过解决微电网系统发电量并入市政电网系统的安全性及可靠性而得到了美国政府的关注［3］。CERTS提出分布式微电网系统要想实现长远的开发利用，必须要解决：当市政电网系统发生故障时，分布式微电网系统能无缝切换到离网运行模式；当市政电网系统恢复后，又能无缝重新并网运行［5］。以此来保障用户侧的供电质量。美国在曼德瑞沃建设的第一个分布式微电网系统示范项目成功运行，并得到分布式微电网系统的基础理论［1］。

日本由于国土所处地理原因，常规能源一直处于匮乏状态，因此非常重视可再生能源的开发利用。日本新能源与工业技术发展组织（简称：NEDO）针对分布式微电网系统的智能化控制，通过采用灵敏、迅速的控制器，以求对分布式微电网系统中各部件运行进行最佳优化［6］。同时NEDO还积极鼓励利用多种清洁能源发电在分布式微电网系统中的耦合集成［7］。NEDO在青森县八户市建设了一套智能分布式微电网系统［6］，其完全利用了分布式新能源发电技术，实现了用户侧的电能供应及智能化管理。

欧盟各国对分布式微电网系统的智能化研究一直处于积极状态，其主要通过先进的电子技术、可再生能源发电技术、智能化控制技术进行有效耦合，同时鼓励市场企业积极参与，共同推动分布式微电网系统智能化的前进［4］。德国、意大利、丹麦等国均建设了不同规模大小的分布式微电网系统，例如德国太阳能研究所（简称：ISET）建设了容量达200kVA的智能微电网实验室［8］，丹麦的OESTKRAFT、意大利的CESI、葡萄牙的EDP等公司均针对分布式微电网系统的智能化研究搭建了实验测试基地［8］。

1.2 中国智能分布式微电网现状及趋势

中国智能分布式微电网系统相较国外而言，还处于起跑阶段，尚需进一步加强监测技术、能量管理、信息传输、智能控制等方面的试验与研究。

在运营模式方面：目前中国分布式微电网系统的运营模式还不明确，针对重要负载和优先负载的供电安全性、可靠性及优先性还尚待提高［9］。同时，应根据中国实际情况，需开展增强电能质量与减少初投资等方面的研究工作；

在建设规划方面：中国智能分布式微电网系统的建设应参考国外微电网建设的成功经验，取其精华，并提炼出适用于中国实际需求的智能分布式微电网系统供能模式，为中国规模化、规范化建设分布式微电网系统提供指引［10］；

在关键技术方面：分布式微电网系统的核心部分是智能控制与协调运行技术［9］。即使中国已在发展分布式微电网系统的监控技术，但其灵活性、实用性及智能性还有待提高，进行智能化方面的技术攻关是当下分布式微电网系统的首要解决问题。

中国地理位置偏远的农村地区，尤其是西藏地区的农村，现在仍有很多缺电甚至无电村的存在。这些村庄由于交通不便利、经济发展落后，致使市政电网系统的输电成本高昂，不仅供电质量极差，而且供电的可靠性得不到保障。因此利用当地的太阳能、风能等资源建设智能分布式微电网系统，具有极佳的可行性和保障性。当地农牧民还可利用剩余电量入网从而领取补助的方式，在变相带动地方发展的基础上，进一步降低智能分布式微电网系统的投资及运维成本。最近几年来，中国政府对智能分布式微电网系统给予了不断支持，已经建成的项目如天津赛达工业园：通过300kW光伏电站、400kW风力机以及锂电池组，利用风/光互补智能联合供电系统，实现了分布式可再生能源的供电模式［11］。上海迪斯尼：通过在屋顶建设19.6kW的光伏电站及铁锂蓄电池组，验证了在变电站内建设分布式微电网系统的可行性［11］。珠海东澳岛：通过风/光互补耦合柴油发电的多能互补形式，建设了一套1MW级的智能供电系统，不仅在利用风能和太阳能两种可再生能源的基础上，还利用了柴油发电系统，实现了供电质量的稳定性和安全性［12］。

2 45.9kW智能分布式光伏微电网案例分析

2.1 45.9kW智能分布式光伏微电网基本情况

文章以西藏自治区能源研究示范中心45.9kW智能分布式光伏微电网系统为例，光伏电站装机总容量为45.9kWp，光伏储能发电单元配备容量为240kWh的储能蓄电池。太阳能组件选用255W多晶硅组件，组件尺寸1650×990×40（mm），开路电压为37.7V，MPPT电压为30V，短路电流为9.01A。组串采用每18块光伏组件串联为1串，其中新宿舍楼可安装5.56串，共计25.5kW，太阳能光伏组件安装如图1所示；旧宿舍楼可安装3串，共计13.77kW，太阳能光伏组件安装如图2所示；车库可安装1.44串，共计6.63kW，太阳能光伏组件安装如图3所示。总计安装太阳能光伏组件10串，共180块，直流功率为45.9kW，太阳能光伏组件的整体布置如图4所示。

图1 新宿舍楼顶光伏组件

图2 旧宿舍楼顶光伏组件

图3 车库顶光伏组件

图4 光伏组件的整体布置

在一般情况下，该智能分布式光伏微电网系统可为办公楼中各种负载如：电灯、取暖器、热水器、加湿器、电脑、打印机等提供保障性供电。当天气晴朗且日照条件较好时，该智能分布式光伏微电网系统在保证办公楼用电的同时，将多余的电量利用蓄电池组进行存储，以供办公楼在夜晚及市政电网系统停电时的用电需求；当阴、雨、雪等天气不利于太阳能光伏组件发电时，该智能分布式光伏微电网系统优先将蓄电池组中储存的电量用于办公楼用电需求，而当蓄电量不足时，再进行切换到市政电网系统用电。该智能分布式光伏微电网系统可自由、灵活的与市政电网系统进行切换，保障了办公楼永不断电，及用电质量的可靠性和稳定性。文章中智能分布式光伏微电网系统在冬季时的用电负荷如表1所示。

表1 冬季时用电负荷

2.2 影响光伏系统发电效率的遮挡因素

文章中该智能分布式光伏微电网系统在可行性测试阶段，分别在新宿舍楼顶太阳能光伏组串中一串采用了分离式逆变器，一串采用了集中式逆变器两种逆变形式，原理如图5所示。其中采用分离式逆变器的太阳能光伏组串由18个微型逆变器组成，每个微型逆变器功率为300W（考虑到高原性降容），该组串将太阳能光伏组件产生的直流电直接转化为交流电后再汇入总系统。分离式逆变器由于采用的是小型模块化设计，单个的太阳能光伏组串甚至太阳能光伏组件就能设置一个微型逆变器。每个微型逆变器的直流端拥有最大功率跟踪的功能，而交流端产生的交流电则直接入网［13］。分离式逆变器模块化的设计不仅使其可以不受组串或组件的差异性影响，而且即使某部分组串或组件出现遮挡情况的时候，其余组串或组件亦能不受影响。因此采用分离式逆变器可使整个光伏系统处于最佳的运行状态，变相的增大了光伏系统的发电量。就整个光伏系统运行周期而言，采用分离式逆变器的发电量相比集中式更大、经济效益更为显著。

图5 两种逆变形式原理

为了试验测试不同遮挡情况对分别采用分离式及集中式逆变器光伏组串输出功率的影响，因此文章中分别开展了无遮挡和遮挡太阳能光伏组件1-4块条件下，测试其系统的输出功率。表2显示了不同遮挡条件下太阳能光伏系统的输出功率。

表2 不同遮挡条件下光伏系统输出功率

由表2可知，随着太阳能光伏组件遮挡数目的增多，无论是采用分离式逆变器的光伏组串还是采用集中式逆变器的光伏组串，其光伏系统的输出功率均呈直线下降，如图6所示。且采用集中式逆变器相对分离式逆变器而言，其下降比例更为严重，当遮挡4块光伏组件时，采用分离式逆变器的光伏组串相对采用集中式逆变器的组串而言，太阳能光伏系统的输出功率相对增长了近一倍。

图6 功率变化趋势

虽然由试验测试可以得到，采用分离式微型逆变器可相对增大太阳能光伏系统的发电量，但是项目实施点位于拉萨市，其海拔高达3700m，高海拔和高辐射强度不仅使得分离式微型逆变器在户外出现严重的降容现象，还使得微型逆变器的电气元件老化速度剧增，因此从长远的可靠性、稳定性及安全性角度出发，该智能分布式光伏微电网系统最后还是选择采用放置于室内的集中式逆变器。

文章中该智能分布式光伏微电网系统不仅在实现智能化控制的基础上，而且利用了分布式的太阳能作为发电来源，还达到了绿色电网系统的目的。截止2018年3月23日，该智能分布式光伏微电网系统的总发电量为1280kW·h，相当于节约标准煤139t，并同时减排CO2为382.5Kg、SO2为24.8Kg、NOX为12.2Kg及烟尘为6.7t。因此在满足节能减排的同时，对西藏地区可再生能源的利用推广和利用清洁能源发电均具有实用性及参考性。

3 结论

智能分布式微电网系统主要有并网及离网两种运行方式，而智能化、模块化、清洁化是智能分布式微电网系统今后的发展方向。因此在开发微电网系统智能化的同时，将智能微电网系统与分布式可再生能源进行有机耦合，是实现今后市政电网逐渐向清洁智能电网转变的必要过程。文章中通过试验测试，得到采用分离式微型逆变器可以更大程度的弱化遮挡因素对太阳能光伏系统发电效率影响的同时，还可以得到无论是采用分离式微型逆变器还是采用集中式逆变器，遮挡现象的出现均会造成太阳能光伏系统的输出功率呈直线降低。