段江曼，吳云來，朱亦杰

(浙江正泰新能源開發(fā)有限公司，杭州310052)

0 引言

據(jù)國家能源局發(fā)布的2018年全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2018年底，我國風力發(fā)電累計裝機容量超過了184.2 GW，光伏發(fā)電累計裝機容量達到了174.63 GW。其中，集中式光伏發(fā)電為12384萬kW，較上年新增2330萬kW，同比增長了23%；分布式光伏發(fā)電為5061萬kW，較上年新增2096萬kW，同比增長了71%。

近年來，隨著大眾環(huán)保意識的增強，以及國家對新能源發(fā)電及電動汽車應用的鼓勵，工商業(yè)園區(qū)開始大規(guī)模建設充電樁，以滿足員工的充電需求。但由于充電樁系統(tǒng)所需配電功率較大，其可能會對園區(qū)原配電系統(tǒng)產(chǎn)生額外壓力。與此同時，工商業(yè)企業(yè)面臨能耗總量及強度的“雙控”目標，分布式清潔能源的利用成為企業(yè)降低用能總量、實現(xiàn)綠色用能的有利手段。電動汽車中的電池作為移動儲能系統(tǒng)，其達到一定的規(guī)模效應后，可成為電網(wǎng)可調(diào)度資源參與到電力市場中[1-2]。此外，隨著精細加工、電子化生產(chǎn)線的不斷發(fā)展，工業(yè)企業(yè)對供電可靠性及電能質(zhì)量的需求也在不斷提升，這就要求智能電網(wǎng)在輸配端有較強的靈活性及穩(wěn)定性[3]。

因此，配置一定容量的分布式新能源發(fā)電、儲能、可中斷負荷等作為配電端靈活的資源，通過交直流微電網(wǎng)形式，組成一個清潔、自治、可靠的終端配電網(wǎng)，為網(wǎng)內(nèi)負荷提供綠色、穩(wěn)定、經(jīng)濟的能源。當前“光儲充”一體化概念及項目已有較多案例：國網(wǎng)遼寧省電力有限公司大連供電公司、國網(wǎng)嘉興供電公司等建設的光儲充一體化電站，采用交流母線方式，將光伏組件、儲能系統(tǒng)、充電樁設備等連接至交流母線上，此拓撲方案簡單、易擴容，但并未將不同的能源形式最大化利用；北京福威斯油氣技術有限公司建成了城市級直流光儲充一體化電站，具有標桿意義，但該方案對V2G(Vehicle to Grid，即實現(xiàn)電動車和電網(wǎng)之間的互動)模式及其應用并無更深一步的探索。

本文結(jié)合某工業(yè)園區(qū)的實際用能需求及員工綠色出行需求，設計了一套園區(qū)級風光儲充多能互補綜合能源系統(tǒng)，將分布式新能源發(fā)電、儲能、用電負載等通過先進的交直流耦合微電網(wǎng)技術、大數(shù)據(jù)技術、通信技術等結(jié)合起來，搭建出多能互補實證項目，探索清潔能源與需求側(cè)可控負荷的協(xié)調(diào)運行。

1 建設背景

本方案實證項目所在地為新能源生產(chǎn)工業(yè)園區(qū)，占地面積為26萬m2，年用電量約為3000萬kWh。園區(qū)共有員工3000余人，大部分員工的通勤方式采用電瓶車及公共交通工具，少數(shù)員工是駕駛電動汽車。因此，為了鼓勵員工綠色出行，設計了利用分布式光伏發(fā)電、風力發(fā)電、儲能、直流充電樁、V2G直流對充充電樁等新穎方式的方案，在為員工提供安全、便捷、經(jīng)濟的充電系統(tǒng)的同時，也可提高員工對本行業(yè)及科技發(fā)展趨勢的認識，提升企業(yè)榮譽感。

2 建設方案

2.1 系統(tǒng)方案

本方案采用交直流耦合系統(tǒng)，將風力發(fā)電系統(tǒng)、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、充電樁用能負荷、常規(guī)用能負荷等以最高效的方式組網(wǎng)連接。其中，5 kW風力發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)風機變流器后接入380 V交流母線；光伏小屋、光伏游步道、集裝箱頂部的光伏電力，以及光伏實驗區(qū)等區(qū)域的光伏能源，通過與其匹配的并網(wǎng)光伏逆變器接入380 V交流母線；光伏車棚、儲能系統(tǒng)、V2G直流對充充電樁通過各自的DC/DC模塊，接入800 V直流母線。交直流耦合系統(tǒng)通過1臺具備并、離網(wǎng)切換功能的DC/AC模塊相連，最終由并網(wǎng)點與大電網(wǎng)相連，與園區(qū)配電網(wǎng)互為補充。本設計方案的工程拓撲圖如圖1所示。

圖1 本設計方案的工程拓撲圖Fig.1 Topology map of the project

2.2 風力發(fā)電系統(tǒng)

項目位于浙江省海寧市，風資源良好，15年來平均風速約為2.7 m/s，年平均風能密度約為300～400 W/m2，可利用小時數(shù)為6500～7000 h。廠區(qū)附近已建有大規(guī)模海上風電場，本方案根據(jù)廠區(qū)用能及技術創(chuàng)新需求，設計了一套5 kW垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)。垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機、控制器、卸荷器、風機變流器、塔桿等組成，風推動風葉使發(fā)電機轉(zhuǎn)動發(fā)電，發(fā)電機產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)控制器轉(zhuǎn)化為直流電，再由逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為380 V交流電并入低壓配電系統(tǒng)。

2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.3.1 光伏小屋

本方案設計了一座光伏小屋，作為企業(yè)對外宣傳、形象展示、員工培訓的中心。光伏小屋建筑面積約160 m2，集成了綠色建筑、產(chǎn)能房、低能耗建筑等先進理念，融合了光伏建筑一體化(BIPV)、保溫建筑材料、空氣源熱泵等應用。

光伏小屋由雙玻透光晶硅光伏組件、碲化鎘薄膜光伏組件、匯流箱、組串式逆變器等組成，裝機容量約10 kWp。雙玻透光晶硅光伏組件的外觀與常規(guī)幕墻玻璃外觀相同，從遠處看，室外側(cè)效果和有色玻璃相似；而從內(nèi)部向外看，室外的景色是清晰和通暢的。

光伏小屋共分為3大部分：

1)南立面幕墻長度為14 m，高度為4.3 m，將雙玻透光晶硅光伏組件與常規(guī)玻璃交叉排布，具有較強的韻律感。單塊組件的功率為185 Wp，尺寸為1974 mm×992 mm，本面幕墻共有18塊組件，總裝機容量為3.3 kWp。

2)光伏小屋外西面為展示區(qū)，透過西立面幕墻可以看到展示區(qū)，考慮到要在弱光條件下發(fā)電，因此采用碲化鎘薄膜光伏組件與常規(guī)中空玻璃搭配的設計。西立面幕墻的長度為3.6 m，高度為4.3 m；單塊組件的功率為78 Wp，透光率為40%；本面幕墻共有6塊組件，裝機容量約為0.5 kWp。

3)光伏小屋的屋頂面積為160 m2，在屋頂中心48 m2的空間設計安裝了24塊雙玻透光晶硅光伏組件，裝機容量約為5 kWp。該區(qū)域作為自然采光光源，并在內(nèi)部安裝遮光百葉，以達到節(jié)約白天照明用電的效果。

2.3.2 光伏游步道

光伏游步道采用碲化鎘薄膜光伏組件，連接光伏小屋與休閑區(qū)，裝機容量為2.5 kWp。為了匹配光伏逆變器CPS SCJ2KTL-S的直流電壓范圍，設計4塊光伏組件為1個組串，共8個組串，則光伏游步道的開路電壓為478.40 V；光伏逆變器交流側(cè)接入微電網(wǎng)的交流母線上。薄膜光伏組件的具體參數(shù)如表1所示，光伏游步道組件串接原理圖如圖2所示。

表1 薄膜光伏組件的具體參數(shù)Table 1 Specific parameters of thin film PV modules

圖2 光伏游步道的組件串接原理圖Fig.2 The wiring principle diagram of PV module of PV footpath

2.3.3 光伏實驗區(qū)

項目所在企業(yè)為光伏組件生產(chǎn)企業(yè)，具有新產(chǎn)品研發(fā)及性能測試需求，因此在車棚旁邊的空地選擇長55 m、寬11 m的空間作為光伏實驗區(qū)。實驗區(qū)共設計了4個不同區(qū)塊，分別為雙面光伏組件測試區(qū)、疊瓦光伏組件測試區(qū)、半片光伏組件測試區(qū)、常規(guī)光伏組件測試區(qū)。每個區(qū)塊均由高度為0.4 m的混凝土隔斷墻進行隔斷；每個測試區(qū)內(nèi)均采用水、沙子、草坪等物體進行填充，填充厚度不超過0.3 m，從而實現(xiàn)各種類型光伏組件在不同場景下發(fā)電量增益效果的驗證。光伏實驗區(qū)場景如圖3所示。

圖3 光伏實驗區(qū)場景Fig.3 Scene of PV experimental area

1)光伏組件。光伏組件選擇企業(yè)自主研發(fā)的常規(guī)光伏組件(單晶硅、多晶硅)、半片光伏組件、疊瓦光伏組件、雙玻雙面光伏組件等，采用不同版型、尺寸及安裝方式，進行不同類型光伏組件在不同應用場景下發(fā)電情況的對比分析。

2)支架。采用多角度可調(diào)式支架，以滿足光伏組件多角度安裝的需求；而且可同時滿足光伏組件橫向安裝和豎向安裝，橫向安裝時背面無橫梁遮擋。

3)逆變器。為了驗證不同光伏組件在不同環(huán)境中的運行特性，選擇組串式及微型逆變器接入：2臺組串式逆變器用于對比組串級的運行數(shù)據(jù)，16臺微型逆變器用于實現(xiàn)組件級的監(jiān)控，可有效提升MPPT發(fā)電量。

4)跟蹤系統(tǒng)。設計了一組可以跟蹤任何太陽高度角和方位角的跟蹤系統(tǒng)，可使光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量最大化。

5)智能運維清洗系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的運營收益與建成后的運維息息相關，采用智能運維清洗系統(tǒng)，可以降低運維人力成本，實現(xiàn)運維過程的智能化和高效化。

2.3.4 光伏停車棚

項目建設了擁有22個標準停車位的光伏停車棚，占地面積約為330 m2，棚頂采用BIPV設計，由162塊雙玻透光晶硅光伏組件沿車棚固有角度平鋪安裝，以代替常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)車棚棚頂。車棚造型結(jié)合了晶硅光伏組件的剛性特性，并滿足美觀、易排水、實用性等需求，選擇“Y”字造型，含南北2種坡向，坡度為10°。

所選組件型號為CHSM6612P/HV335Wp，尺寸為1960 mm×992 mm；南北2個方向各排布81塊組件，每20塊組件為1串，南、北坡各5串，經(jīng)直流匯流箱分別接入能量路由器的直流端口1和2，通過DC/DC變換器連接至800 V直流母線。光伏停車棚的組件串接原理圖如圖4所示，光伏停車棚如圖5所示。

圖4 光伏停車棚的組件串接原理圖Fig.4 The wiring principle diagram of PV module of PV parking shed

圖5 光伏停車棚Fig.5 Scene of PV parking shed

2.4 儲能系統(tǒng)

本項目設計采用100 kWh鋰離子儲能系統(tǒng)，采用長壽命、高功率、高能量密度、高可靠性、高安全性的磷酸鐵鋰電池，選擇大容量電芯，以最少的并聯(lián)數(shù)量獲取最大程度的一致性保障。儲能系統(tǒng)電池箱是由電池模組串聯(lián)組成。

1)儲能系統(tǒng)最小單元為3.2V、37Ah的磷酸鐵鋰電芯，其參數(shù)如表2所示。4節(jié)電芯并聯(lián)形成1個電池模組，模組的參數(shù)為3.2V、148Ah、473.6Wh。電池模組的構(gòu)成如圖6所示。

表2 電芯的參數(shù)Table 2 Parameters of battery

圖6 電池模組的構(gòu)成Fig.6 Composition of battery module

2) 10個電池模組串聯(lián)組成1個電池箱，電池箱的參數(shù)為32V、148Ah、4.736 kWh。電池箱的構(gòu)成如圖7所示。

圖7 電池箱的構(gòu)成Fig.7 Composition of battery box

3)儲能系統(tǒng)是由21個電池箱串聯(lián)而成，放置于電池柜中，總電壓為672 V，系統(tǒng)總能量為99.5 kWh。儲能系統(tǒng)的構(gòu)成如圖8所示。

圖8 儲能系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.8 Composition of energy storage system

電池柜內(nèi)配置有1套電池管理系統(tǒng)用于電池柜的管理，電池管理系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、電池級保護及電池級均衡控制等功能。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控功能包括單體電芯實時數(shù)據(jù)的監(jiān)測和采集，具體包括電池電壓、電池溫度、組串電流、電池荷電狀態(tài)(SOC)、電池健康狀態(tài)(SOH)等相關數(shù)據(jù)。電池級保護功能包括過溫、低溫、過壓、欠壓報警及保護等。電池級均衡控制功能主要是保障其使用過程的一致性。電池柜、空調(diào)、變流設備、配電柜等放置于集裝箱內(nèi)，集裝箱如圖9所示。

圖9 集裝箱Fig.9 Scene of container of battery energy storage system

2.5 能量路由器系統(tǒng)

能量路由器系統(tǒng)是交直流微電網(wǎng)的核心環(huán)節(jié)，其利用大功率IGBT可逆充放電技術、共直流母線技術等，研發(fā)適用于園區(qū)應用的能量路由器系統(tǒng)，將直流源、儲能、負荷通過電力電子模塊接入系統(tǒng)，形成具備良好擴展性、高集成度的高效微網(wǎng)系統(tǒng)[4]。

與傳統(tǒng)交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)將分布式能源系統(tǒng)直接接入，電力電子變換環(huán)節(jié)少、損耗低、效率高，系統(tǒng)可靠性也大幅提高。交、直流混合的微電網(wǎng)有緊迫的現(xiàn)實需求：

1)當前出現(xiàn)了越來越多的有高可靠性和高電能質(zhì)量需求的大功率交流負荷、直流負荷等，如電子產(chǎn)品生產(chǎn)線、精密儀器生產(chǎn)線等，對供電網(wǎng)絡提出了高可靠性、高電能質(zhì)量的要求。

2)微網(wǎng)可為電動汽車充電系統(tǒng)、電池儲能系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)等提供可直接接入的直流并網(wǎng)接口，從而減少能源變換環(huán)節(jié)、運行損耗及設備投資。

3)未來每個配電網(wǎng)絡均會具備接納分布式能源和多元化負荷的能力，以實現(xiàn)直流配電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)多點互聯(lián)，能源供需集成和雙向流動。

根據(jù)項目的實際需求，開發(fā)出1套5端口能量路由器系統(tǒng)，具有光伏輸入端口、儲能輸入端口、V2G直流對充充電樁端口、電網(wǎng)并網(wǎng)端口和不間斷供電負荷端口，并通過功能不同的DC/DC模塊接入到800 V直流母線。能量路由器系統(tǒng)拓撲圖如圖10所示，能量路由器系統(tǒng)的各模塊技術參數(shù)如表3～表5所示。

圖10 能量路由器系統(tǒng)拓撲圖Fig.10 Topology of energy router system

表3 光伏DC/DC模塊的技術參數(shù)Table 3 Technical parameters of PV DC/DC module

表4 儲能DC/DC模塊的技術參數(shù)Table 4 Technical parameters of energy storage DC/DC module

表5 PCS模塊的技術參數(shù)Table 5 Technical parameters of PCS module

各模塊的運行模式及策略受能源管理平臺EMS調(diào)度和控制，具體邏輯在2.7節(jié)進行分析。

2.6 充電樁系統(tǒng)

當前電動汽車是能源智能化、移動化的典型應用，也因此出現(xiàn)了不同的“V2X”應用場景。

1) V2V：全稱為Vehicle to Vehicle，即車車互充技術，可以將1臺電動汽車里面的電能通過充電槍給另外1臺電動汽車的動力電池充電。

2) V2L：全稱為Vehicle to Load，即將電動車作為移動電源為第三方放電，例如電動車野外放電音箱、燒烤等。

3) V2H/B：全稱為Vehicle to Home/Buildings，即電動車與住宅/商業(yè)樓電能互動，在停電時，電動車可作為家庭/公共建筑應急電源為重要設備供電。

4) V2G：全稱為Vehicle to Grid，即可以實現(xiàn)電動車和電網(wǎng)之間的互動，從而電動車在電網(wǎng)負荷低時吸納電能，在電網(wǎng)負荷高時釋放電能，賺取差價收益。

為了滿足園區(qū)員工綠色出行的需求，配置數(shù)臺電瓶車及電動汽車充電樁。根據(jù)充電應用時間及速率需求不同，各設置交、直流充電樁2臺，滿足當前園區(qū)的充電需求。其中，1臺V2G研發(fā)充電樁，掛在800 V直流母線上，在電網(wǎng)故障時，接入系統(tǒng)中的電動汽車可以與儲能系統(tǒng)一起為微電網(wǎng)提供電壓和功率支撐；而接入在交流母線上的常規(guī)直流充電樁及交流充電樁，根據(jù)供電緊迫性，將其設置為三級負荷，即當大電網(wǎng)故障且微電網(wǎng)無力承擔更多負載時，切除三級負荷，以保障重要負荷的不間斷供電[5]。

V2G直流對充充電樁采用有源功率因數(shù)補償技術及全面軟開關技術，可實現(xiàn)設備運行的高效率及高功率因數(shù)；通過完善的電池低壓保護功能，可實現(xiàn)溫度補償、自動調(diào)壓、無級限流等功能。V2G直流對充充電樁的技術參數(shù)如表6所示。

表6 V2G直流對充充電樁的技術參數(shù)Table 6 Technical parameters of V2G DC charging pile

2.7 能源管理平臺

微電網(wǎng)智能監(jiān)控與能量管理系統(tǒng)是微電網(wǎng)控制的核心，對微電網(wǎng)內(nèi)所有設備進行數(shù)據(jù)采集和協(xié)調(diào)控制，是微電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、高效運行的保障。本項目微電網(wǎng)二次系統(tǒng)配置了1套微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、微電網(wǎng)控制策略、微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)、微電網(wǎng)中央控制器、微電網(wǎng)專用保護裝置，以實現(xiàn)對微電網(wǎng)的智能化管理，從而實現(xiàn)微電網(wǎng)在并網(wǎng)、孤網(wǎng)條件下都可穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。能源管理平臺架構(gòu)如圖11所示。

圖11 能源管理平臺架構(gòu)Fig.11 The framework of EMS

系統(tǒng)可根據(jù)負荷、天氣、電網(wǎng)狀況，及時調(diào)整不同的運行策略，以達到最優(yōu)運行的目的。

1)光伏停車棚發(fā)電系統(tǒng)以最大功率發(fā)電，發(fā)出的電能首先供車輛充電。

2)當光伏停車棚的發(fā)電功率＞充電功率且儲能系統(tǒng)處于滿充狀態(tài)時，光伏輸出功率流入微網(wǎng)配電系統(tǒng)，供微網(wǎng)內(nèi)負荷使用；當光伏輸出功率還有盈余時，流入廠區(qū)其他配電支路，供廠區(qū)其他負荷使用。

3)當光伏停車棚的發(fā)電功率＞充電功率且儲能系統(tǒng)處于未滿狀態(tài)時，光伏發(fā)電供給儲能系統(tǒng)充電；或根據(jù)實時電價、谷時電價及廠區(qū)用電負荷情況，決定多余部分光伏輸出功率為儲能系統(tǒng)充電或流入廠區(qū)其他配電支路。

4)當光伏停車棚的發(fā)電功率＜充電功率時，由儲能系統(tǒng)放電，提供給車輛充電；谷時段時為儲能系統(tǒng)充電。

5)當光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)放電都不足以滿足車輛充電需求時，由大電網(wǎng)供電。

6)當大電網(wǎng)故障時，儲能組建獨立的微網(wǎng)系統(tǒng)，保障光儲充系統(tǒng)依舊穩(wěn)定運行。

7)通過V2G直流對充充電樁設備，可將電動車中存儲的電能饋入大電網(wǎng)中，以支撐電網(wǎng)運行。

3 預期效果

本方案將光伏發(fā)電的元素以BIPV的方式與廠區(qū)建筑緊密結(jié)合，總裝機容量約為103 kWp，發(fā)出來的電將首先供給光伏小屋及充電樁系統(tǒng)充電。按海寧市年均發(fā)電小時數(shù)預測，本項目日均發(fā)電量可達236 kWh，可供至少5輛電動汽車充電；但由于現(xiàn)階段園區(qū)電動汽車保有量較少，消納不掉的清潔能源將輸送至園區(qū)其他負荷使用。本項目建成后，將成為國內(nèi)首個真正意義上交直流耦合光儲充一體化系統(tǒng)。

4 總結(jié)

本文結(jié)合某工業(yè)園區(qū)實際用能需求及員工綠色出行需求，設計了一套園區(qū)級風光儲充多能互補綜合能源系統(tǒng)，建成后將成為國內(nèi)首個真正意義上交直流耦合光儲充一體化系統(tǒng)。對于工商業(yè)園區(qū)，變壓器增容難度大，因此交直流耦合微電網(wǎng)系統(tǒng)不用增容就可以解決電動汽車的充電需求，作為靈活的資源，微電網(wǎng)相當于一個可控的虛擬電廠，既可以參與綠色電力的消納和電力需求側(cè)調(diào)節(jié)，又可以快速復制推廣，作為公共場所大功率充電基礎設施建設的有效解決方案。本方案可為企業(yè)在綜合能源多能互補領域積累經(jīng)驗，對推廣多能互補應用和推進儲能行業(yè)的發(fā)展都具有積極的示范意義。