光伏储能微电网经济运行的优化设计

□陈星宇 义 琦 陈 莹 覃传妹 胡宁峪

近年来，光伏、风电等可再生能源发电技术获得飞速发展，分布式发电作为一种新型的供电方式，因其可以提高资源综合利用效率，并且最大程度的满足当前不断增长的用电需求，因而获得广泛的利用。但是这种发电模式也存在一定的弊端，如控制起来十分复杂，成本相对比较高，技术基础相对不够成熟，并网时会对大系统的电压以及频率产生冲击。它所带来的这些负面影响使其运行方式被限制，并进一步影响其在未来的广泛应用。微网技术的发展，为解决这个问题提供了有效的途径。

一、光伏储能微电网确定型运行优化模型

光伏储能微电网的发展一直受到成本高的制约。但通过制定合理的运行计划，不仅可以使其运行成本降低，同时还可以降低其更换频率。本文以经济效益最优为目标，进行光伏储能微电网优化模型设计。

(一)光伏储能微电网系统的构成。光伏储能微电网系统由光伏发电模块、配电网、蓄电池组、双向逆变器、并网逆变器以及负载构成。其中光伏发电模块和蓄电池组将会分别经过并网逆变器，然后通过变压器与交流母线连接，并入配电网络[1]。这种结构可实现电能从光伏发电模块到公共电网、光伏发电模块到负载、光伏发电模块到蓄电池组、蓄电池组到负载、公共电网到负载的单向流动，同时也能实现蓄电池组与公共电网之间的双向能量流动。系统处于离网模式时，若公共电网停电，可以在光照充足的情况下，使用光伏提供的能量，为负载供电，同时将剩余的能量存储在蓄电池组中；如果在光照不充足的情况下，可以同时利用光伏以及蓄电池组，为负载供电，进而维持负载正常运行[2]。当系统运行处在并网模式时，公共电网可以在谷期为蓄电池组以及负载同时提供电能，或者将蓄电池组中剩余的电能向电网出售，获取收益。而在峰期则可以利用光伏发模块以及蓄电池组，配合公共电网来为负载供电。

(二)系统组成单元的特性。

1.光伏电池板。光伏电池板是基于光电效应或者光化学效应，直接或间接将太阳辐射转换成电能的一种发电装置。其输出功率的大小与电池板的制造材料、受光面积以及阳光辐射强度等存在密切的关系。当太阳光照强度相同时，光伏电池板的短路电流基本上保持不变，但是开路电压将会随着温度的升高，发生明显的下降。因此可以得出结论，光伏电池板的输出功率与光照强度呈正相关，和表面温度呈负相关[3]。

2.蓄电池。当前，蓄电池是微网中常见的储能元件，在微网中使用较广，可以抑制光伏出力不稳定的缺陷，使整个系统的供电质量以及可调度性大大提高。

3.逆变器。由于光伏以及蓄电池组输出的电能均为直流电，因此无法直接接入交流侧，需要通过逆变器的作用把直流转换成交流。逆变器的配置主要需要考虑额定输出功率、整机效率、输出电压调整能力等参数。

二、光伏储能微电网经济运行的优化设计案例

本文结合某示范工程，对其发电系统、储能系统以及微网控制管理系统的方案设计进行介绍和分析。

(一)总体设计方案。该系统在进行方案设计时，采用的是分布式并网的设计理念。已知某栋节能建筑楼的负荷约为65Kw。考虑设计余量，则该光伏储能微电网规划设计容量为80kWp。根据实际情况，对所需要的80kWp系统进行进一步的划分，将其分解为4个相同的并网发电单元，每个单元为20kWp，并用4个20Kw的并网逆变器将其接入到0.4kv的交流电网中。

(二)发电系统设计。

1.光伏电池阵列设计。光伏电池采用多晶硅太阳电池组，电池组的功率为250Wp。这种电池组在日常工作中的共组电压和开路电压分别为29.6V和37.1V。20kw的并网逆变器的MPPT工作电压范围是300V～1,000V，因此在对电池进行串列设计时，需要将20块相同的电池串列在一起，作为一个电池串联组，每一个并网逆变器需要配备4个并列的电池串联组，即每一个并网逆变器需要80块电池组，其发电功率大致为20kWp。对于整个系统来说，总共分为4个并网逆变器，因此也就是说总共需要320块电池，16个并列的电池串联组。

2.并网逆变器设计。如前所述，本系统采用4台20kW的并网逆变器，连在一起组成最大输出功率为80kwp的并网发电系统。

(三)储能系统设计。考虑供电可靠性和稳定性，在对整栋楼进行供电的过程中，采用的供电方式是储能和光伏相混合的方式。具体来说，就是在市电正常的情况下，通过市电以及光伏为整栋楼的负荷供电，而在市电断电之后，则自动切换为由储能系统以及光伏供电。

1.蓄电池选型以及串联、并联设计。该系统所承载的最大负荷为65kw。按蓄电池备用时间为10h计算，其最大需要电量大致为650kWh，考虑0.7的电池电能转换系数，大致计算出需要消耗的电量约为930kWh。选择使用阀控密封免维护的蓄电池，其中每一节电池的电压都是2V，电量为1,500Ah。共计使用的310节电池，将所有的电池串联起来，其电池端口的电压则总共为620v(2×310v)，据此可以计算出电池组的总容量为930kWh。

2.储能变流器选型。在设计储能系统时，需要选择合适的储能变流器，本系统所选择的储能变流器为双向逆变器，该双向逆变器所采用的是充电/逆变一体机的形式，可将交流母线、光伏发电系统、蓄电池储能系统三者连接在一起。根据光伏发电系统容量，储能变流器的容量、交流输出电压分别为80kw、400Vac，直流输入电压为500～800V。若考虑在离网状态下，设备空载时，80KW光伏系统通过PCS为电池进行充电的情况，还需要预留20%的系统容量，这时PCS容量应为96kW(80kW×120%)。

(四)系统运行说明。

1.市电正常。在市电正常供电时，本系统的运行模式为并网运行模式，此时的运行过程主要是：第一，并离网控制柜中的控制器发挥自身的检测作用，对与市电相连的开关上端的电压和频率进行检测，如果测量值处于正常范围，则会自动闭合并离网的开关。第二，光伏逆变器检测到市电电压处于正常范围，将会根据相关的参数设定，自动将光伏储能微电网系统开机，使其正常运行，为负载供电，若有剩余电能，则返送至电网。第三，当系统处在并网运行模式时，PCS的状态将会设定为充电状态。

2.市电故障。在市电故障无法正常供电时，本系统的运行模式是离网运行模式，此时系统的运行过程如下：第一，并离网控制柜中的控制器将会对市电进行检测，如果在检测中发现市电断电，则将并离网开关断开，同时给储能变流器发出并网转离网的控制信号。第二，光伏逆变器在对市电的检测过程中，如果发现市电故障，将会自动进入孤岛运行保护程序，然后根据相关要求在2s内停机。第三，PCS在接收到并网转离网的相关指令后，将会对并网侧的端口电压进行检测，确定市电确实故障后，将会先关机然后再次启动，同时切换至离网模式运行。特别说明，若PCS在接收到相关指令后，不对端口的电压状态进行检测，而是直接进行相关的状态切换，其需要花费的时间大致为80ms；但是一般情况下，为了确保PCS的可靠运行，需要在接收到指令后对端口电压进行检测，避免误判，这种情况下状态切换需要多花费380ms的时间，也就是光伏逆变器孤岛保护时间。第四，光伏逆变器检测到PCS提供的支撑电压满足供电要求时，将会自动开机运行。当光伏发出的电能大于负载消耗时，多余的电能可以通过PCS给储能电池充电；若光伏系统输出功率小于负荷时，则光伏将会和PCS共同为负荷供电。

3.市电恢复。当市电恢复正常后，本系统的运行模式将会重新变为并网运行模式，这一转换过程如下：第一，当并离网控制柜中的控制器检测到市电已经恢复至正常状态后，会将这个信息传递给储能变流器，当并离网开关上端以及下端的频率、电压幅值、相位保持一致时，会自动闭合并离网开关。第二，光伏逆变器将会继续保持运行。第三，PCS在得到市电恢复正常运行的信息后，将会对电压进行一定的调整，同时将自身的运行模式转变为并网模式。在整个过程中，可能会受到通讯延迟的影响，因此PCS会遭受一段时间的冲击。当PCS转变为并网运行模式后，恢复为充电状态，负载供电并不会因此间断。

三、结语

综上所述，该光伏储能微电网可以真正实现分布式光伏发电，实现与配电网并网协调运行，突显出智能微网能量优化调度控制的效果。