張振東 王天群 鄭妍 李文 賀承璽

摘要：光伏發(fā)電的高成本以及不穩(wěn)定性制約著光伏儲能微電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，再加上用戶對高品質(zhì)電能的需求日益增長，使光伏儲能微電網(wǎng)的發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)。因此，當(dāng)前光伏儲能微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成為相關(guān)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。本文主要就光伏儲能微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：光伏儲能微電網(wǎng);優(yōu)化設(shè)計;經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

1光伏儲能微電網(wǎng)確定型運(yùn)行優(yōu)化模型

光伏儲能微電網(wǎng)的發(fā)展一直受到成本高的制約。但通過制定合理的運(yùn)行計劃，不僅可以使其運(yùn)行成本降低，同時還可以降低其更換頻率。本文以經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)為目標(biāo)，進(jìn)行光伏儲能微電網(wǎng)優(yōu)化模型設(shè)計。

1.1光伏儲能微電網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成

光伏儲能微電網(wǎng)系統(tǒng)由光伏發(fā)電模塊、配電網(wǎng)、蓄電池組、雙向逆變器、并網(wǎng)逆變器以及負(fù)載構(gòu)成。其中光伏發(fā)電模塊和蓄電池組將會分別經(jīng)過并網(wǎng)逆變器，然后通過變壓器與交流母線連接，并入配電網(wǎng)絡(luò)。這種結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)電能從光伏發(fā)電模塊到公共電網(wǎng)、光伏發(fā)電模塊到負(fù)載、光伏發(fā)電模塊到蓄電池組、蓄電池組到負(fù)載、公共電網(wǎng)到負(fù)載的單向流動，同時也能實現(xiàn)蓄電池組與公共電網(wǎng)之間的雙向能量流動。系統(tǒng)處于離網(wǎng)模式時，若公共電網(wǎng)停電，可以在光照充足的情況下，使用光伏提供的能量，為負(fù)載供電，同時將剩余的能量存儲在蓄電池

組中;如果在光照不充足的情況下，可以同時利用光伏以及蓄電池組，為負(fù)載供電，進(jìn)而維持負(fù)載正常運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行處在并網(wǎng)模式時，公共電網(wǎng)可以在谷期為蓄電池組以及負(fù)載同時提供電能，或者將蓄電池組中剩余的電能向電網(wǎng)出售，獲取收益。而在峰期則可以利用光伏發(fā)模塊以及蓄電池組，配合公共電網(wǎng)來為負(fù)載供電。

1.2系統(tǒng)組成單元的特性。

1.2.1光伏電池板

光伏電池板是基于光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)，直接或間接將太陽輻射轉(zhuǎn)換成電能的一種發(fā)電裝置。其輸出功率的大小與電池板的制造材料、受光面積以及陽光輻射強(qiáng)度等存在密切的關(guān)系。當(dāng)太陽光照強(qiáng)度相同時，光伏電池板的短路電流基本上保持不變，但是開路電壓將會隨著溫度的升高，發(fā)生明顯的下降。因此可以得出結(jié)論，光伏電池板的輸出功率與光照強(qiáng)度呈正相關(guān)，和表面溫度呈負(fù)相關(guān)。

1.2.2蓄電池

當(dāng)前，蓄電池是微網(wǎng)中常見的儲能元件，在微網(wǎng)中使用較廣，可以抑制光伏出力不穩(wěn)定的缺陷，使整個系統(tǒng)的供電質(zhì)量以及可調(diào)度性大大提高。

1.2.3逆變器

由于光伏以及蓄電池組輸出的電能均為直流電，因此無法直接接入交流側(cè)，需要通過逆變器的作用把直流轉(zhuǎn)換成交流。逆變器的配置主要需要考慮額定輸出功率、整機(jī)效率、輸出電壓調(diào)整能力等參數(shù)。

2光伏儲能微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化設(shè)計案例

本文結(jié)合某示范工程，對其發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及微網(wǎng)控制管理系統(tǒng)的方案設(shè)計進(jìn)行介紹和分析。

2.1總體設(shè)計方案。

該系統(tǒng)在進(jìn)行方案設(shè)計時，采用的是分布式并網(wǎng)的設(shè)計理念。已知某棟節(jié)能建筑樓的負(fù)荷約為65Kw?？紤]設(shè)計余量，則該光伏儲能微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計容量為80kWp。根據(jù)實際情況，對所需要的80kWp系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的劃分，將其分解為4個相同的并網(wǎng)發(fā)電單元，每個單元為20kWp，并用4個20Kw的并網(wǎng)逆變器將其接入到0.4kv的交流電網(wǎng)中。

2.2發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計。

2.2.1光伏電池陣列設(shè)計

光伏電池采用多晶硅太陽電池組，電池組的功率為250Wp。這種電池組在日常工作中的共組電壓和開路電壓分別為29.6V和37.1V。20kw的并網(wǎng)逆變器的MPPT工作電壓范圍是300V～1000V，因此在對電池進(jìn)行串列設(shè)計時，需要將20塊相同的電池串列在一起，作為一個電池串聯(lián)組，每一個并網(wǎng)逆變器需要配備4個并列的電池串聯(lián)組，即每一個并網(wǎng)逆變器需要80塊電池組，其發(fā)電功率大致為20kWp。對于整個系統(tǒng)來說，總共分為4個并網(wǎng)逆變器，因此也就是說總共需要320塊電池，16個并列的電池串聯(lián)組。

2.2.2并網(wǎng)逆變器設(shè)計

如前所述，本系統(tǒng)采用4臺20kW的并網(wǎng)逆變器，連在一起組成最大輸出功率為80kwp的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

2.3儲能系統(tǒng)設(shè)計

考慮供電可靠性和穩(wěn)定性，在對整棟樓進(jìn)行供電的過程中，采用的供電方式是儲能和光伏相混合的方式。具體來說，就是在市電正常的情況下，通過市電以及光伏為整棟樓的負(fù)荷供電，而在市電斷電之后，則自動切換為由儲能系統(tǒng)以及光伏供電。

2.4系統(tǒng)運(yùn)行說明。

2.4.1市電正常

在市電正常供電時，本系統(tǒng)的運(yùn)行模式為并網(wǎng)運(yùn)行模式，此時的運(yùn)行過程主要是：第一，并離網(wǎng)控制柜中的控制器發(fā)揮自身的檢測作用，對與市電相連的開關(guān)上端的電壓和頻率進(jìn)行檢測，如果測量值處于正常范圍，則會自動閉合并離網(wǎng)的開關(guān)。第二，光伏逆變器檢測到市電電壓處于正常范圍，將會根據(jù)相關(guān)的參數(shù)設(shè)定，自動將光伏儲能微電網(wǎng)系統(tǒng)開機(jī)，使其正常運(yùn)行，為負(fù)載供電，若有剩余電能，則返送至電網(wǎng)。第三，當(dāng)系統(tǒng)處在并網(wǎng)運(yùn)行模式時，PCS的狀態(tài)將會設(shè)定為充電狀態(tài)。

2.4.2市電故障。

在市電故障無法正常供電時，本系統(tǒng)的運(yùn)行模式是離網(wǎng)運(yùn)行模式，此時系統(tǒng)的運(yùn)行過程如下：第一，并離網(wǎng)控制柜中的控制器將會對市電進(jìn)行檢測，如果在檢測中發(fā)現(xiàn)市電斷電，則將并離網(wǎng)開關(guān)斷開，同時給儲能變流器發(fā)出并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)的控制信號。第二，光伏逆變器在對市電的檢測過程中，如果發(fā)現(xiàn)市電故障，將會自動進(jìn)入孤島運(yùn)行保護(hù)程序，然后根據(jù)相關(guān)要求在2s內(nèi)停機(jī)。第三，PCS在接收到并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)的相關(guān)指令后，將會對并網(wǎng)側(cè)的端口電壓進(jìn)行檢測，確定市電確實故障后，將會先關(guān)機(jī)然后再次啟動，同時切換至離網(wǎng)模式運(yùn)行。特別說明，若PCS在接收到相關(guān)指令后，不對端口的電壓狀態(tài)進(jìn)行檢測，而是直接進(jìn)行相關(guān)的狀態(tài)切換，其需要花費(fèi)的時間大致為80ms;但是一般情況下，為了確保PCS的可靠運(yùn)行，需要在接收到指令后對端口電壓進(jìn)行檢測，避免誤判，這種情況下狀態(tài)切換需要多花費(fèi)380ms的時間，也就是光伏逆變器孤島保護(hù)時間。第四，光伏逆變器檢測到PCS提供的支撐電壓滿足供電要求時，將會自動開機(jī)運(yùn)行。當(dāng)光伏發(fā)出的電能大于負(fù)載消耗時，多余的電能可以通過PCS給儲能電池充電;若光伏系統(tǒng)輸出功率小于負(fù)荷時，則光伏將會和PCS共同為負(fù)荷供電。

2.4.3市電恢復(fù)

當(dāng)市電恢復(fù)正常后，本系統(tǒng)的運(yùn)行模式將會重新變?yōu)椴⒕W(wǎng)運(yùn)行模式，這一轉(zhuǎn)換過程如下：第一，當(dāng)并離網(wǎng)控制柜中的控制器檢測到市電已經(jīng)恢復(fù)至正常狀態(tài)后，會將這個信息傳遞給儲能變流器，當(dāng)并離網(wǎng)開關(guān)上端以及下端的頻率、電壓幅值、相位保持一致時，會自動閉合并離網(wǎng)開關(guān)。第二，光伏逆變器將會繼續(xù)保持運(yùn)行。第三，PCS在得到市電恢復(fù)正常運(yùn)行的信息后，將會對電壓進(jìn)行一定的調(diào)整，同時將自身的運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)模式。在整個過程中，可能會受到通訊延遲的影響，因此PCS會遭受一段時間的沖擊。當(dāng)PCS轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)運(yùn)行模式后，恢復(fù)為充電狀態(tài)，負(fù)載供電并不會因此間斷。

3結(jié)束語

綜上所述，該光伏儲能微電網(wǎng)可以真正實現(xiàn)分布式光伏發(fā)電，實現(xiàn)與配電網(wǎng)并網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，突顯出智能微網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度控制的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭皓.微電網(wǎng)技術(shù)在主動配電網(wǎng)中的應(yīng)用探究[J].通信電源技術(shù)，2018，35（6）：191～192，194

[2]畢立松.基于預(yù)測控制的微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)研究[D].北方工業(yè)大學(xué)，2017