微电网在零碳岛建设中的应用

上海电气输配电集团 上海 200042

1 研究背景

上海崇明提出世界级生态岛的建设目标,规划至2035 年,建成具有全球引领示范作用的世界级生态岛,可再生能源使用率达到30%,清洁能源使用率达到80%以上,逐步降低高碳能源使用比例,实现能源结构低碳化[1-2]。

崇明目前的主要发电机构为上海申能崇明燃气电厂、长兴电厂及青草沙风电场,岛内变电站数量偏少,供电半径过大,电力负荷分散。崇明零碳岛的建设目标为,有序发展风能、太阳能、生物质能等可再生能源,进一步提高可再生能源占一次能源供应的比例,建成以可再生能源为主的能源微电网系统,最大程度利用生态岛丰富的太阳能、风力、生物质能提供绿色电力,使区域资源得到循环高效利用[3]。

微电网指由分布式电源、用电负荷、配电设施、监控和保护装置等组成的小型发配用电系统。微电网通过源、荷、储的协调控制,实现与电网之间的交换功率可控可调,可以减小大规模分布式电源接入对电网造成的冲击。微电网内部可以实现电力供需平衡,因此也可以脱离大电网而孤立运行[4-5]。

2 现状与需求

零碳岛是崇明生态岛建设的重要一环,镇村级区域微电网项目是主要的实现手段。以崇明某村为试点,在建立田园综合体的基础上,以降低能耗为目标,实现风、光、储等可再生能源的应用。

通过多次深入走访调研,对现状与需求进行汇总,共有六个方面。

(1) 当地发展对环保要求高,屋顶太阳能资源较为丰富。

(2) 当地用电负荷相对较小,潜在发电能力满足需求后仍有盈余。

(3) 当地可再生能源发电不稳定、不连续,并网过程易对电网产生冲击。

(4) 当地处于电网末端,三相不平衡,电能质量差。

(5) 部分供电地区距并网点较远,途中有河道阻断,铺设电缆难度高。

(6) 当地电气化水平低,照明系统、充电桩等公共设施缺乏。

3 工程解决方案

根据现状与需求,提出了因地制宜、量身打造的工程解决方案,共分为六个方面。

(1) 采用100%可再生能源发电,实现零排放。

(2) 采用自发自用、余电上网的模式,增加当地收入。

(3) 增加储能电池系统,平滑光伏功率,实现削峰填谷。

(4) 配置一套静止无功补偿装置,提升电能质量。

(5) 并离网系统共存,由能量管理系统统一管控。

(6) 用电端配备照明系统、充电桩等公共设施。

根据当地资源情况,分别构建集成风、光、储、荷的离网型微电网系统,以及集成光、储、荷的并网型微电网系统。系统采用400 V低压供电,并网型微电网系统采用自发自用、余电上网模式,离网型微电网系统采用自发自用模式。

并网型微电网系统包括峰值功率270 kW的多晶硅光伏发电系统,峰值功率6 kW的薄膜光伏发电系统,功率100 kW、容量282 kWh的磷酸铁锂电池储能系统,以及两路功率60 kW的充电桩、发光二极管路灯等居民及市政负荷。离网型微电网系统采用功率5 kW的风力发电机,峰值功率17 kW的多晶硅光伏发电设备,峰值功率3 kW的薄膜光伏发电设备,功率24 kW、容量78 kWh的梯次利用动力电池储能系统,以及草坪灯、灯带、水泵等景观照明负荷及农业生产负荷。

并网型微电网系统和离网型微电网系统分别配置一套微电网控制系统。通过控制系统进行监视和控制,保证微电网系统安全可靠运行,并将微电网系统的运行信息实时上传至能量管理系统。并网型微电网系统通过网口ModbusTCP协议进行有线通信,离网型微电网系统通过4G数据传送单元模块进行无线数据通信。崇明镇村级区域微电网系统结构如图1所示。

4 微电网系统层次结构

崇明镇村级区域微电网系统采用分层控制模式与能量管理系统相结合的协调控制策略,分为三个层次结构,分别为调度管理层、集中控制层、就地控制层[6]。

就地控制层的主要设备有光伏发电系统、储能系统、风力发电系统、电能质量管理装置及负荷等。光伏发电系统工作于最大功率点跟踪模式。储能系统在并网型微电网系统中工作于恒功率输出模式,充放电接受调度;在离网型微电网系统中工作于恒压恒频模式,支持系统电压和频率。基于能量管理系统,对光伏发电系统的多余电能进行存储,保证光伏发电的最大利用[7]。

5 光伏发电系统

5.1 光伏发电组件选型

太阳能光伏发电组件的材料可以分为晶体材料和薄膜材料两类。单晶硅电池相比多晶硅电池具有较高的转换效率,但受制造工艺的限制,单位发电成本和发电效率则较为接近,相对差值小于1%。多晶硅光伏发电组件的产能大于单晶硅光伏发电组件,因此相对而言,多晶硅光伏发电组件性价比高,更具有优势。

图1 崇明镇村级区域微电网系统结构

薄膜光伏发电组件因衰减率低、弱光性能佳、外表美观等优点,特别适用于建筑幕墙、汽车顶棚等对外观要求较高的场景[8-9]。

综合项目现场安装、屋顶及其它载体类型、财务效益、产品供应等因素,主要建筑屋顶选择多晶硅光伏发电组件,部分特殊载体,如长椅等,则选择薄膜光伏发电组件。

并网型微电网系统包括峰值功率270 kW的多晶硅光伏发电组件和峰值功率6 kW的薄膜光伏发电组件,离网型微电网系统包括峰值功率17 kW的多晶硅光伏发电组件、峰值功率3 kW的薄膜光伏发电组件。

屋顶晶硅光伏发电设备如图2所示,长椅薄膜光伏发电设备如图3所示。

5.2 光伏发电组件布置

系统接收到的太阳能辐射量与光伏发电组件方阵的安装形式有很大关系。目前常见的支架安装形式主要有固定式、平单轴、斜单轴、双轴等。除发电量外,还要考虑运行方式的可靠性、设备价格水平、建成后维护费用及故障率等因素。项目现场光伏发电组件基本安装于屋顶,因此采用固定式支架安装[10]。

图2 屋顶晶硅光伏发电设备

图3 长椅薄膜光伏发电设备

6 储能系统

6.1 储能电池选择

项目中,并网型微电网系统选择磷酸铁锂储能电池作为储能载体,如图4所示;离网型微电网系统选择梯次利用动力电池作为储能载体,如图5所示。

图4 磷酸铁锂储能电池

图5 梯次利用动力电池

磷酸铁锂储能电池具有安全性高、能量密度大、充放电倍率高、使用寿命长等特点,是未来最具市场前景的储能电池。磷酸铁锂储能电池价格优势明显,且近年来受到电动汽车动力电池需求的带动,价格逐年降低。

梯次利用动力电池平均使用年限为5～8 a,容量随充电次数的增加而衰减。当电池容量衰减至80%额定容量以下后,梯次利用动力电池不再适用于电动汽车。但退役的梯次利用动力电池经过检测、维护、重组等环节,仍可进一步在储能领域进行梯次利用。

6.2 储能电池与储能逆变器配置原则

储能电池与储能逆变器主要有两方面配置原则。

(1) 经济效益原则。电池容量增大,售电收益会随之增加,但是由于储能电池和逆变器成本相对昂贵,随着电池容量的增大,储能系统每年的贴现成本也大幅增加,由此造成储能电池的纯收益亏损越来越大。

(2) 储能电池健康原则。对于储能电池而言,经常性浅充浅放有利于维持储能电池的使用寿命。配置一定容量的储能,在白天用于存储多余的光伏和风力发电量,在夜间供负荷使用。这样每日浅充浅放,可以维持储能电池的使用寿命。

综合以上原则及现场负荷情况,并网型微电网系统选用功率100 kW、容量282 kWh的磷酸铁锂电池储能系统,离网型微电网系统选用功率24 kW、容量78 kWh的梯次利用动力电池储能系统。

7 风力发电与负荷系统

离网型微电网系统采用5 kW风力发电机,如图6所示。

图6 风力发电机

离网型微电网系统负荷需求较小,当连续阴雨天造成光伏发电量不足时,风力发电机发电作为补充和备用能源,保证可靠供电。

并网型微电网系统增加两路功率60 kW的充电桩,以及发光二极管路灯、灯带等居民及市政负荷。充电桩如图7所示。

离网型微电网系统增加草坪灯、灯带、水泵等景观照明负荷及农业生产负荷。为应对现场电气化水平不高的现状,增加电能质量综合治理设备,利用先进的无功补偿、谐波治理及电网电流三相不平衡补偿技术,优化电网末端电能质量,满足高可靠性的供电需求。

图7 充电桩

8 微电网运行控制与能量管理系统

在微电网系统中,多种分布式电源组网、并联运行,需要有效的协调控制策略。

能量管理系统基于功率预测结果,以安全性、可靠性为约束条件,以运行成本和环境效益为目标,进行能量调度,实现微电网系统的最优运行。

设备层中央控制系统采用通用可编程序控制器平台,具有可靠性高、兼容性强、扩展方便、维护简单等特点,主要功能包括稳定性控制、潮流控制、黑启动、阈值保护等。

能量管理系统页面如图8所示。

图8 能量管理系统页面

8.1 并网点功率交换控制

当微电网并网运行时,监控与数据采集系统接收调度系统指令,或者根据设置的控制约束条件,使微电网与大电网进行功率交换控制,控制联络线功率在设定值内。控制器接收到监控与数据采集系统下发的公共连接点功率设定值,协调各分布式电源的功率输出,对储能系统进行充放电控制,对光伏发电系统进行限功率控制或者最大功率点跟踪控制,使微电网与大电网的交换功率保持在设定值内。

具体实施时简化为两种情况。第一,当微电网输出的有功功率高于上限或者吸收的有功功率低于下限时,微电网中央控制系统采取提高储能系统充电功率、增加负荷用电、减小分布式发电出力等方式,降低微电网的输出功率或者提高微电网的吸收功率。第二,当微电网输出的有功功率低于下限或吸收的有功功率高于上限时,微电网中央控制系统采取增大分布式发电出力、提高储能系统放电功率、减少负荷用电等方式,提高微电网的输出功率或者降低微电网的吸收功率。设计控制程序时,要考虑安全性、储能充放电特性,设置合适的阈值和逻辑。

8.2 并网运行与离网运行控制

常规微电网的运行模式主要有并网运行、孤岛运行、并网转孤岛运行和孤岛转并网运行。在项目中分为并网型微电网系统和离网型微电网系统,需要分别进行并网稳定控制和离网稳定控制。

并网型微电网系统稳定运行时,微电网通过公共连接点与大电网相连,与大电网进行功率交换。为提高可再生能源的利用效率,微电源以最大出力运行,储能系统起平抑微电源出力波动、削峰填谷的作用。与此同时,各分布式电源按照中央控制系统下达的调控指令调节,确保联络线路输送功率在规定的范围内。

离网型微电网系统中,中央控制系统执行孤岛运行控制策略。将储能系统作为微电网的主电源,以恒压恒频模式运行,其它分布式电源则根据微电网中央控制系统下达的指令调节各自的运行出力,实现微电网内部电力供需平衡。当分布式电源和储能系统的调节能力不足时,微电网中央控制系统下达分布式电源或负荷投切指令。

8.3 紧急控制

微电网系统具备紧急情况下的稳定控制功能。

当微电网并网运行时,频率和电压由配电网支撑,具有较高的可靠性。当微电网离网运行时,由于系统可调容量有限,如果出现频率或电压异常,那么控制系统可以按照既定的紧急控制策略采取切机或者减载等操作,尽可能使微电网恢复到正常运行状态。

8.4 黑启动控制

离网型微电网系统中,微电网的黑启动控制根据不同的阈值范围,执行不同的启动策略和次序。启动策略主要根据微电网中央控制系统当前运行状态、储能系统状态、光伏发电状态与负荷需求进行综合判断设计,在稳定系统电压、频率的同时,兼顾系统运行的经济性,最大程度利用分布式电源完成系统的黑启动。

9 结束语

将微电网应用于崇明岛零碳岛建设中,基于崇明镇村级区域项目,构建并网型微电网系统和离网型微电网系统。随着国家政策法规的鼓励与引导,分布式电源技术不断成熟,相关设备成本进一步下降,微电网在城市、海岛和边远地区将有广阔的应用空间。