微电网示范案例的架构与浅析

赵亮亮，焦见杰，代志伟，王春艺

(中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100011)

0 引言

随着全球席卷碳中和-碳达峰的浪潮，绿色发电成为一项减少碳排放的有效措施。绿色发电中风力发电和光伏发电具有选址灵活、布置便利、度电成本低等特点，更具普遍性和竞争力。故本文以笔者参与的多能源微电网示范项目为例，为绿色发电提供一个样本。

该项目于2011年初启动，经意向、筹备、安装、施工至次年调试并运行，取得了良好的运行数据和示范效果。系统利用某地会议中心的屋面布置了4台风力发电机和150m2光伏板，将锅炉房二层约35m2的换热间改造成储能装置和多能源监控设施的中央控制室，并在酒店礼堂内设置微电网的数据显示屏和模拟沙盘。当地太阳资源水平面年总辐射量为1 371kWh，年等效满发小时数1 302h，属太阳能资源较丰富地区；当地风资源平均风速4.84m/s，风向为东北东(北风偏东)，最大风速31.7m/s；当地气温平均年最高温度40℃，最低温度-21.5℃。经过实地选址、气象资源、产品整合和示范效果等综合考虑，该微电网示范项目最终规模由4台5kW水平轴风力发电机，20kW光伏发电系统，40kW(3h)储能单元和40kW用电负载组成。

1 微电网的架构

1.1 总配电柜、负载及市政并网点

该微电网的总配电柜是联结发电侧、负荷侧和并网侧的枢纽。如图1所示，在总配电柜处汇集了微电网系统中的风力发电机进线、光伏发电进线、40kW(3h)锂电储能系统进线、10kW基本负载馈线、30kW可调负载馈线以及与市电总开关。

图1 微电网系统总配电柜系统图

为了让微电网调控更加便利，设计之初将基本负荷的10kW分为2台3kW热水循环泵、室内照明和空调。同时，设计了30kW锅炉补水加热系统为可调负载，允许PLC通过可控硅调节器的输出电流来实现对加热电阻功率的调整。

微电网并网线的一端选择在锅炉房内现有动力柜的一台塑壳断路器，另一端在微电网总配电柜内。微电网由中央控制室的PLC系统控制总配电柜内的250A塑壳断路器，完成微电网侧无电并入市政电网。

1.2 风力发电系统

图2中单台风力发电机的型号为WG-5KT2，额定功率为5kW，风轮直径2.5m，聚风罩直径3.4m，启动风速2.5m/s，额定风速12m/s，切出风速20m/s，安全风速60m/s。发电机采用永磁同步电机，三相输出电压AC 200V±5%，输出频率50±0.5Hz，电流谐波≤5%。控制单元采用并网型控制器，具有电机过压、过流、超转、输出过流、电网故障和温度高保护等保护功能。

图2 风力发电系统图

风力发电机的输出电压为三相200V交流电，通过风力发电机汇入电柜之后，设置一台200/380V额定容量为30kVA的D,yn-11的干式变压器，升压后接入总配电柜。

1.3 光伏发电系统

光伏发电系统由光伏板和逆变器组成。图3所示光伏发电系统中，单块光伏板型号YL235P-29b，最大功率235W，最大功率点的工作电压29.5V，最大功率点的工作电流7.97A，开路电压37.0V，短路电流8.54A。

图3 光伏发电系统图

光伏逆变器控制柜自带液晶触摸显示屏，能够显示运行信息，并对光伏系统进行启动和停止控制。并网型光伏逆变器控制柜具有孤岛检测、电压幅值、电网质量监控、电网频率、交流电流中的直流成分、光伏阵列绝缘阻抗监控、间接接触保护、短路保护等功能。光伏逆变器可与PLC进行通讯，可远程控制和监测。光伏逆变器直流侧最大太阳电池阵列功率为22kW，额定电压350V，MPP效率>0.99，最大直流电压450V。逆变器的输出数据(电网侧)额定输出功率20kW，额定交流电压400V(334～450V)，功率因数(50%和100%额定功率时)>0.99，夜间功耗<20W，最大交流电流32A。逆变器过流保护装置额定电流35A，总电流波形畸变率(额定功率时)<3%，额定频率50Hz，最小电网频率47.5Hz，最大电网频率51.5Hz，最大效率94.8%。

1.4 储能电池系统

图4的储能电池系统由储能电池堆、电池管理系统(BMS)和双向变流器(PCS)组成。

图4 储能系统图

(1)储能电池堆用SE180AHA磷酸亚铁锂电池，单台电池额定电压3.2V，浮充电压3.4V，充电截止电压3.4～3.8V，放电截止电压3.0～2.5V，最大充电电流3C(1C表示1 200mA)，最大放电持续电流4C(30s)，标准充放电电流0.3C，额定能量576Wh。储能电池柜内的电池采用模块化设计，216支电池，分成18组电池模块，每组模块由12支180Ah单体电池串接而成。

电池组额定电压691V=216×3.2V，能量124kWh=180Ah×691V，充电截止电压735～820V，放电截止电压648～540V，额定工作电流58A(0.32C)。

(2)电池管理系统(BMS)功能包括电池系统状态监测功能、计算电池组已循环次数、故障诊断功能、故障报警功能、保护控制与告警功能、电池均衡功能、热管理功能、数据记录功能、通信功能和人机交互功能。

(3)双向变流器(PCS)是实现交直流电能双向变换连接的装置。在微电网能量管控下能实现对电网负荷的“削峰填谷”和快速的二次调频；当电网需要补充无功时，能作为配网静止无功发生器使用，提供无功功率支撑；当与就地负荷和间歇式分布式能源(风电、光伏)组成微电网时，能够为微电网内的负荷提供稳定的电压和频率。双向变流器(PCS)具备保护变流器及电池安全的功能、具备自检功能、具备通信接口便于接入监控系统或者外部的控制系统；提供调试软件能完成故障录波、定值整定、开入开出测试。

本系统的双向变流器采用GES-84储能双向变流器，其额定容量为84kVA，实现储能电池以充电和放电的形式与电网交换能量，状态切换时间≤200ms，用以对储能组件进行充、放电的控制与管理。

1.5 控制和计量方案

微电网控制系统由本地PLC、远端IO、操作员站以及大屏显示终端构成，通过Modbus和工业以太网与风机控制器、光伏逆变器、储能PCS和BMS模块通讯，通过硬接线控制风机汇电柜、总配电柜的断路器的分合闸操作，通过Modbus对配电柜多功能仪表的电流、电压、功率、电量进行采集。控制系统将多能源系统的监测数据处理后展示在大屏幕上。

2 微电网的运行及浅析

2.1 运行阶段

微电网从2012年3月份至8月份，先后完成了600h设备自检、240h试运行、720h无人值守和正常运行四个阶段，四个阶段的起始时间和累计发电量如表1所示。

运行各阶段一览表 表1

2.2 试运行曲线及浅析

现以“阶段2”为例，即5月25日中午12点至6月4日中午12点，共计240h,监控系统按每3min进行采样，现将数据按1.45h为间隔，提取165个采样点绘制出图5的240h试运行期间运行曲线。图5中横轴为采样点，主纵轴为采样数据(注：锯齿型时间曲线，锯齿底为0点，锯齿顶为23点，24点中取了15个点)。

图5 240h试运行期间运行曲线

240h试运行给出以下初步结论。

(1)试运行中，风速在第77个采样点(5月29日)超过20m/s，时长不超过1h，累计发电量不到3kWh，其余为零。这说明4台5kW风机的选址位置不够合理，除展示作用外，对微电网系统几乎没有发电贡献。

(2)试运行中，光伏每天早5点至晚18点均有发电，最佳的发电阶段在上午6点至下午15点，功率为3～14kW。第77个采样点(5月29日)阴天，最大发电功率为8kW。这说明光伏系统的发电只要有日照就应优先考虑设置。

(3)试运行中，锂电池储能系统总共两次并入市政电网，分别是在第113个采样点(5月31日)和第164个采样点(6月4日)。这两次均是由于锂电池的电池电量≤35%且发电设备输出功率≤3kW，系统自动切换至并网模式，由市电充电并供电。当锂电池的电池电量≥80%且锂电池单体最低电压≥3.1V时，微电网系统再次切换至孤网运行。

(4)试运行中，锂电池储能在第1次充电之前，尽管风光发电单元能正常运行，但锂电池储能系统的电量仍呈下降趋势。即使不遇到5月29日的阴天，锂电池最终也需要市电为其充电。这说明风光系统为储能系统提供的最低3kW的充电保证偏小或者充电的策略需要改变。

(5)试运行中，储能系统的单电池温度控制在24～27℃，单电池的最高和最低电压也在3.4～3.8V的充放电状态之中，属于正常工作状态。

3 微电网的设计要点和步骤

3.1 微电网的设计要点

通过240h试运行的数据和初步结论，微电网设计时需要考虑三个要点。

(1)分析用户的负荷特性，主要指标为最大用电负荷和平均日发电量。用户的最大用电负荷是选择光伏逆变器额定功率的依据，而平均日发电量则是选择风机及光电板额定功率和蓄电池组额定功率的依据。

(2)获取太阳能和风能的资源数据。项目地的太阳能和风能的资源数据是确定光电板功率、风机功率以及设备布置的重要依据。

(3)计算蓄电池的额定容量。通过可开发风光资源的发电量、用户负载和储能三者的匹配关系确定蓄电池的额定功率和持续放电时长。

3.2 微电网的设计步骤

通过实际运行数据和初步分析，总结出以下设计步骤：(1)了解用电负荷特性，包括额定功率、负荷时段、最大用电负荷和平均日用电量等；(2)掌握当地风能、太阳能、天气资料及地理环境数据，选择风机机型、光伏板型号及其逆变器、确定布置和安装方式等；(3)根据用电的容量需求，确定风力发电和光伏发电分担的供电份额及发电规模；(4)选择储能系统的额定容量，以满足发电缺额、平抑峰谷以及负荷用电时长等技术要求；(5)编制微电网的投资造价，计算发电成本和收益状况。

4 结束语

本文以笔者所在单位新能源产品组建的微电网示范项目的经验出发，从整体上介绍了该微电网的架构，分析了微电网的运行数据，给出了风光储载构成的微电网方案的设计要点和设计步骤。该微电网设计侧重于产品的整合和示范目的，架构类型属于交流母线型微电网系统，在系统优化方面还存在较大的优化空间，如可向系统转换效率较高的直流母线型转变，风机输出电压可选择380V输出，光伏板选择单晶硅或组串式逆变器等。