信息通信网络中光伏储能微电网的解决方案

韩 宇

（卡特彼勒（中国）投资有限公司，北京 100101）

1 微电网

随着全球节能减排和能源可持续发展战略的提出，分布式能源发电技术得到了快速发展。微电网作为分布式能源的主要接纳者，在提高电网冗余能力、降低碳排放量方面具有重要实施意义。微电网是集分布式电源、储能设备、能量转换设备、负荷、保护和监控等为一体，具有自我控制、保护和管理功能的独立小型电力系统。微电网是单一可控实体，具有明确负荷和边界。其可独立于主网运行，亦可协同主网并列运行[1]。任何具有以上条件的闭环电网都可以称之为微电网，如图1所示。

图1 微电网示意图

微电网能够利用多种能源发电，其中一部分能够利用可再生能源发电。可再生能源是可自然补充的能源，包含风能、太阳能、水力势能、地热能以及生物质能等。为了保证微电网供电可靠性、降低微电网碳排放量，可采用混合能源微电网。混合能源微电网是指包含至少两种不同能源的电力系统，例如由柴油发电机组、燃气发电机组、光伏板和储能任意两种组合[2]。

近年来，太阳能光伏板的价格一直在下降，且各国政府对太阳能的发展都有着不同程度的激励政策，因此这些年来太阳能发电总量增长迅猛。与此同时，作为储能设备主要组成部分的锂离子电池价格也在持续下降。这“一增一降”不仅提高了通信行业对光伏储能解决方案的兴趣，也有助于微电网整体系统建设成本的进一步降低。于是，微电网供电方式也由传统的柴油或燃气发电机组供电，升级至由太阳能、储能和备用发电机组组成的混合系统供电。而混合能源微电网的优势在于当一种能源不可用时仍能由另一种能源提供电力供应，从而增强了电力系统弹性。微电网还可以为偏远地区供电，解决部分地区主干电网投资大、建设施工困难等问题。因为该系统可以在运行时进行能源切换，所以可以根据运行工况自主选择具有成本效益的运行模式。

2 光伏板

2.1 常见材料类型

作为微电网最常见的设施，光伏板主要分为多晶、单晶和薄膜3种材料类型。

多晶硅模块是目前市场上最常见的光伏设施，与单晶硅模块一样，多晶硅模块由单个硅片组成[3]。与单晶硅模块不同的是，用于多晶硅模块的铸锭是铸造而非生长，大块熔融硅被冷却和固化。该工艺成本较低，但材料纯度和规格通常低于单晶硅，晶间边界在某种程度上阻碍了电子的自由流动，因此发电效率较低。多晶硅模块具有斑点外观，通常被称为“碎玻璃”。

单晶硅模块则是由单个大硅晶体制成。单个大硅晶体纯度非常高，因此成为了市场上最高效的太阳能光伏板[4]。单晶光伏板实物图如图2所示，单晶面板表面纹理异常光滑。单晶硅模块的制造成本一直居高不下，但是近年来迅猛的技术进步和增长的制造效率大幅降低了单晶面板的整体造价，单晶硅模块越来越有市场竞争力。

图2 Cat®（卡特）单晶光伏板实物图

薄膜模块与由单个硅片构成的多晶硅模块和单晶硅模块不同，是通过将导电材料沉积在固体表面制成的，固体可以是玻璃、塑料、金属或其他材料。该工艺为制造光伏模块提供了一种非常经济高效的方法。但是薄膜模块的发电效率低于晶体模块，即在同一面积的土地上，薄膜模块的发电功率要低于晶体模块。目前，通过工艺制造的技术改进，薄膜模块的发电效率正在日益提高。

2.2 光伏板的选型

选择光伏板要注意以下事项。

（1）发电量。在比较光伏板时，首先应该查看光伏板的实际年发电量，而非模块额定功率。光伏板的制造工艺存在较大差异，不同工艺可能会影响光伏板的年发电量。不过市场上有许多建模软件工具，可帮助用户快速比较光伏板的发电量。

（2）安装空间。通常，安装1MW的峰值光伏板需要占用大量的土地。根据使用情况的不同，这些光伏板也可安装在屋顶等区域。特别要注意的是，安装类型可能会影响光伏板的选择。例如，同等输出功率的薄膜面板会比晶体面板重。对于材料变化带来的重量差异，需要对建筑屋顶已确定的荷载进行复核，而待建建筑则需要重新进行荷载计算，以满足光伏板使用。

（3）使用工况。光伏板发电可以用于主电网、发电机组或大型储能系统，但是光伏发电所依赖的太阳能受环境影响较大，并非稳定电力输出，因此不适合作为设施的应急能源。

（4）成本。光伏发电受国家政策影响较大，投资回报存在一定的不确定性。随着国家日益推进建设节约型社会、实现可持续发展，市场对绿色能源和环境保护的需要将越来越多，因此光伏发电与微电网相结合具有较好的投资前景[5]。

3 储 能

3.1 储能分类

混合能源微电网的另一个主要组成部分是储能设备。在研究储能解决方案时，投资可行的储能类型分为机械储能和化学储能。机械储能包含抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等[6]。通常，这些储能方式的初始投资成本较高，但长期运营成本相对较低，且需要大量的土地面积才能获得足够大的能量存储。化学储能主要为电池储能系统[7]。其中锂离子化学储能更为常见，其可较好地平衡成本、功率密度和使用寿命之间的关系。

3.2 锂离子化学储能

目前，在大型储能市场，锂离子化学储能的技术处于领先地位，其基本原理是将多个锂离子电池连接封装成一个模块，然后安装在机架中。该机架配有基本的管理系统，可接收所有模块的实时数据。而管理系统可以监控各个电池组机架，并根据机架数据建立系统级限制。机架还内置了模块的冷却和保护设备[8]。

选择锂离子电池储能系统时，需要考虑以下几点。

（1）自放电。由于锂电池会自放电，每个月存在2% ～ 5% 的电能损耗，锂电池供电性能会随着时间的推移而日益降低。因此，锂电池不应长时间停用。

（2）充电控制系统。电池充电控制系统应设计为智能充电模式，防止过电压充电导致电池损坏。

（3）运输。许多地区认为锂离子电池是危险的，并对其实施运输限制。地方政府可能会要求电池和电池架分别运输，不但增高了运输成本，还增加了现场安装工作量。

（4）电池温度。锂离子电池具有运行环境的温度要求，需要配备专用的空调系统。空调系统应当维持环境温度在推荐的范围内，以保障电池正常运行工作。

（5）安装。大多数储能系统为室外安装，可以是许多小机柜，也可以是更大的预安装单元。同时还需符合安装地有关储能的相关规定。Cat 储能产品实物图如图3所示。

图3 Cat 储能产品实物图

3.3 储能应用的作用

从整个电力系统的角度看，储能的应用需要根据各种场景中的需求对储能技术进行分析，以找到最适合的储能技术应用。储能应用的作用如下。

（1）稳定电网。提供短时且高功率输出，以改善短时负荷变化事件期间的电能质量。在确定储能设备参数指标时，要具体根据电网的负载变化，选择相匹配的峰值功率和过载能力。

（2）整合可再生能源。储能模块的设计通常是为了实现功率和能量的平衡。与可再生能源整合时，需要在可再生能源转换期间保持电力和电能质量不变。以采用柴油发电机组和光伏储能模块结合的微电网为例，其运作机制如下文所述。

随着光照强度的增强，光伏设备的功率输出会逐渐增加，而发电机组的输出功率则会相应降低。直到光伏设备输出功率满足系统容量时，发电机组才会停机。此时，储能设备仅依靠光伏系统充电，同时依靠电网系统实现放电。当微电网负载超过光伏设备输出时，储能设备将弥补系统容量差额。当阳光光照强度逐渐降低时，光伏系统输出功率相应下降，直至储能系统不能支持负载，发电机组则会相应启机联动。此时，微电网的容量达到了供需平衡。在没有太阳光照时，微电网系统仅依靠柴油发电机组实现供电。

（3）能量时移。能量时移是通过储能的方式实现用电负荷的削峰填谷，即通过光伏系统在白天为储能系统充电，储能系统在夜间放电使用，这样就降低了对主电网电力或发电机组的额外需求。

4 实际应用案例

美国亚利桑大州的图森试验场是卡特彼勒公司大型采矿设备的测试和开发站点。由于公用电力馈线的成本过高，该站点未设有公用电网，而是设立了独立于公用电网的微电网系统，属于孤岛电网运行模式。该系统由3台卡特彼勒C15发电机组供电，每台机组的额定功率为410 kW。3台发电机组每年共运行约11 000 h，燃烧250 000加仑柴油。此外，该站点为无人值守站点，放置了用于研发和测试的设施及相关通信设备。这些设施均为自主运行，且实时上传测试数据，对供电可靠性要求极高。与此同时，美国政府要求减少使用化石能源，降低碳排放量。因此，图森试验场的电力系统需要进行改造。改造方案既要保证供电高可靠性，又要降低碳排放量，整体改造难度极大。

该站点位于亚利桑大州，土地广袤、光照充足、气候炎热，是应用薄膜太阳能组件式光伏发电的绝佳位置。通过技术可行性研究和投资成本分析，使用太阳能光伏发电系统与储能系统相结合的改造方案，则既能满足通信系统供电的高可靠性要求，又能使发电机组的柴油消耗量降幅17%～33%。根据此结论，为确定光伏与储能系统的具体选型，又进行了不同场景的模拟测试，最终确定了该项目的最佳投资回报方案，即输出功率500 kW的光伏发电系统和12 min储能系统相结合的方案。该项目在2016年初完成了光伏阵列安装和储能设备安装，完成了光伏系统、储能系统与既有电力系统的连接改造，并配以主控制器以实时监控新电力系统的运行状态。图4、图5为该项目的卫星视图和系统图。

图4 项目卫星视图

图5 项目系统图·

设计改造通过各种运行条件的模拟和测试，确定了最佳解决方案，方案着重考虑了站点重要负载即通信系统的供电高可靠性。该系统至今已经安全运行多年，其微电网系统保证了孤岛型实验站点和通信系统的安全可靠和稳定运行。该方案为未来大型通信中心及场所的孤岛电网设计和改造提供了新的设计思路和解决方案。

5 结 论

如今，可再生能源越来越被广泛的开发和利用。在适合的工况下，微电网技术不仅可以作为主网的有效补充，还能够充分提高能源整体利用率，同时储能系统为设施供电又提供了多一重保障。目前，国内通信基站已经落地实施了一些储能项目，同时随着国家各项光伏政策的先后出台，西部地区的部分光伏储能项目已经上网运行，未来光伏储能项目将会拥有无限的发展潜力。