光伏-储能联合微网系统工程方案设计-张洋

第 38 卷 第 23 期 电力系统保护与控制 Vol.38 No.23 2010 年 12 月 1 日 Power System Protection and Control Dec. 1, 2010 光伏-储能联合微网系统工程方案设计 张 洋 1 ，李 强 2 ，李朝晖 2 ，杨海晶 2 ，马宏伟 3 ，李明慧 4 （1.华北水利水电学院，河南 郑州 450011；2.河南电力试验研究院，河南 郑州 450052； 3.北京许继公司，北京 100085；4.东北电力大学，吉林 吉林 132012） 摘要 提出分布式发电光伏-储能联合微网系统总体设计方案，进行了并网光伏发电系统、储能系统和微网控制管理系统设 计。重点介绍了光伏电池阵列、并网逆变器、储能装置充放电系统、储能系统容量规划、微网电网结构、光储联合微网系统 整合运行等设计内容。本工程将建设一个分布式光伏电源、储能系统友好接入电网，实现微电网双向潮流环境下控制保护协 调工作的系统。 关键词 并网光伏发电；储能；微网；配电网；集成 Conceptual design for the project of microgrid system interconnected with photovoltaic generation energy storage ZHANG Yang 1 ， LI Qiang 2 ， LI Zhao-hui 2 ， YANG Hai-jing 2 ， MA Hong-wei 3 ， LI Ming-hui 4 （ 1. North China University of Conservancy and Electric Power， Zhengzhou 450011， China； 2. Electric Power Research Institute， Zhengzhou 450052， China； 3. Beijing Xuji Electric Company， Beijing 100085， China； 4. Northeast Dianli University， Jilin 132012， China） AbstractThis paper proposes a design scheme of the distributed photovoltaic generation energy storage， and microgrid sytem, and designs grid connected PV system energy storage， system and microgrid control system It highlights the design of phot．ovoltaic module matrix grid，-conneded inverter energy storage charging and discharging system capacity of the energy ，， storage，architecture of the microgrid，the integrated microgrid system operation and control，etc．The demonstration project will realize PV and energy storage system synchronization in power grid as well as the coordination of control and protection of the two-way power flow microgrid． Key words grid-connected PV； energy storage； microgrid； distribution grid； integration 中图分类号 TM76 文献标识码 A 文章编号 1674-3415201023-0212-03 0 引言 随着光伏、 风电等可再生能源发电技术的发展， 分布式发电日渐成为满足负荷增长需求、提高能源 综合利用效率、提高供电可靠性的一种有效途径， 并在配电网中得到广泛的应用。但分布式发电的大 规模渗透也产生了一些负面影响，如单机接入成本 较高、控制复杂、对大系统的电压和频率存在冲击 等。这限制了分布式发电的运行方式，削弱了其优 势和潜能。微网技术为分布式发电技术及可再生能 源发电技术的整合和利用提供了灵活、 高效的平台。 光储联合微网工程结合河南金太阳示范工程， 选择某高校七栋学生宿舍楼共 500 kWp 建设规模， 进行光伏发电系统、储能系统和微网控制管理系统 研究和设计，完成分布式光伏储能发电接入工程总 体技术方案，为实现绿色光伏电源无障碍并网提供 技术指导。 以下对工程的发电系统、储能系统和微网控制 管理系统方案设计进行重点描述。 1 总体设计方案 系统将采用分布式并网的设计方案 储能微网 系统，将 500 kWp 系统分成 2 个 250 kW 并网发电 单元，通过 2 台 250 kW 并网逆变器接入 0.4 kV 交 流电网，实现并网发电 [1-2] 。并网发电示意图如图 1 所示。 张洋，等 光伏 -储能联合微网系统试点工程方案设计 - 213 - 图1 分布式并网发电示意图 Fig.1 Distributed PV generation layout 2 发电系统设计 2.1 光伏电池阵列设计 系统的电池组件选用功率为 230 Wp 的多晶硅 太阳电池组件，工作电压约为 29.5 V，开路电压约 为 37 V。根据 250 kW 并网逆变器的 MPPT 工作电 压范围（ 450V～ 820 V） ，每个电池串列按照 20 块 电池组件串联进行设计，每个 250 kW 的并网单元 需配置 56 个电池串联组并列， 1 120 块电池组件， 其功率为 257.6 kWp；整个 500 kWp 系统需要 112 个电池串联组并列，共 2 240 块电池组件。 2.2 并网逆变器设计 发电系统设计为 2 个 250 kWp 的逆变器光伏并 网发电，整个系统配置 2 台该型号的光伏并网逆变 器，组成 500 kWp 并网发电系统。 逆变器主电路的拓扑结构如图 2 所示，并网逆 变电源通过三相全桥变换器，将光伏阵列的直流电 压变换为高频的三相斩波电压，并通过滤波器滤波 变成正弦波电压，接着通过三相变压器隔离升压后 并入电网发电。为了使光伏阵列以最大功率发电， 在直流侧加入了 MPPT 算法 [3] 。 三相全桥 光伏阵列 DSP控制板 电网检测 A B C N PE Y△ MPPT 图2 逆变器主电路图 Fig.2 Main circuit of the inverter 3 储能系统设计 3.1 储能装置选择 综合比较各种储能技术在新能源分布式发电领 域的应用特点，全钒液硫电池在功率配比、循环使 用寿命、使用费用等各个方面，均比较适合本项目 的设计要求，因此，设计方案采用液流电池。 3.2 储能装置充放电系统 对于储能系统，设计采用双向逆变器实现钒电 池储能系统与交流母线的能量交互。双向逆变器采 用逆变 /充电一体机可以实现纯正弦波输出交流电 压，以及在交流逆变器中集合了蓄电池充电功能、 交流自动切换开关等。由于它具有与电网并网运行 或脱离电网单独运行的双重功能，双向逆变器能够 与光伏发电系统一起，提供全天候或备用电能。 该储能系统配置的监控系统监控范围覆盖温 度、电流、电池容量等各方面。对于储能系统的各 主要运行部位的温度，采用高精度温度传感器实时 测量系统温度，针对钒电池储能系统，电解液循环 速度亦有精确的传感器进行实时测量和反馈，以保 证系统运行平稳高效。充、放电电流实时测量，系 统同时实时监控电压值，以保证系统运行在最佳状 态下，延长系统使用时间。所有的监控数据均由子 系统数据综合之后通过通讯总线系统将监控数据实 时传输给微电网监控管理系统。 3.3 储能系统容量规划 该高校平均用电负荷约 2.4 MW，学校日用电 高峰在 1700，用电低谷在 230。负荷特性曲线如图 3 所示。 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0246810 12 14 16 18 20 22 24 图3 负荷特性曲线图 Fig.3 Load profile diagram 储能系统以平滑光伏电站的输出波动和提高供 电可靠性为主要目的 [4] ，将光伏波动抑制在 10％以 下，则功率最优配比在 1520％之间，储能容量 2 h 以上。 考虑微网系统对于储能的要求不仅仅是出 于平滑光伏电站出力波动的目的，而是为了实现微 网独立自治运行，所以储能的规模要比只完成平滑 出力波动或者拟合负荷曲线时要大 [5] 。结合负荷分 布情况，储能系统容量配置为 100 kW/200 kWh。 4 微网控制管理系统方案设计 4.1 微网电网结构（图 4） 整个微电网通过双回线与配电系统相连，微网 内部采用辐射状供电方式，其中行政楼和实验楼采 用双回路供电，项目拟建光伏 500 kWp，分两组直 - 214 - 电力系统保护与控制 接通过宿舍楼供电馈线 380 V 就地接入微电网，同 时拟建储能 100 kW/200 kWh。 该设计方案中光伏采用分散接入 0.4 kV，简化 工程布线，节约投资；采用无升压变压器，节约投 资，同时损耗降低，逆变效率提高。 图4 微网结构图 Fig.4 Architecture of the microgrid 4.2 光储联合微网系统整合运行 配网调度系统 坤泰变电站 配电网调度层 微网集中控制层 就地控制层 光伏发电 宿舍 教学楼 行政楼 实验楼 储能电池 本地控制器 本地保护 电力传输线路 微网通讯线路 微网控制中心 公共连接点 图5 光储联合微网系统运行示意图 Fig.5 The PV and energy storage integrated microgrid system layout 微网并网运行时，光伏发电系统借助逆变器输 出端，通过配电柜与园区内的变压器低压端 380 V 并联，实现对当地负载供电，并将多余的电能通过 变压器送入电网 [6-7] 。 储能系统通过自动调整充放电 工作模式和输出功率控制平缓光伏发电功率波动， 兼实现抑制电压波动和闪变，补偿负荷电流谐波等 功能。微网控制功率系统通过闭环控制调节策略保 证系统的稳定运行。 微网离网运行时，微网控制系统同时识别主网 状态，通过负荷控制、充放电控制保证微网状态的 平稳变迁，并且保证重要负荷供电 [8] 。当光伏发电 系统不能满足系统要求时，启动储能系统实现对负 载供电，直到系统供电恢复正常，当储能系统电池 电压降到设定的放电电压时，停止放电以保护电池 组。 5 结论 本工程将建设一个真正包含光伏发电、电力储 能、并具有微网特性的实际运行系统示范工程；能 够真正实现分布式光伏电源、储能系统友好接入电 网，实现与配电网并网协调运行，实现微电网双向 潮流环境下控制保护协调工作的系统；可体现分布 式光伏电源、储能系统智能协调工作，凸显智能微 网能量优化调度控制的效果。 参考文献 [1] GB/T19939-2005 光伏系统并网技术要求 [S]. GB/T19939-2005 technical requirements for grid connection of PV system[S]. [2] GB/T20046-2006 光伏系统电网接口特性 [S]. GB/T20046-2006 photovoltaic （ PV ） systems － characteristics of the utility interface[S]. [3] 李安定 . 太阳能光伏发电系统工程 [M]. 北京工业大 学出版社， 2001 10-20. LI An-ding. Solar photovoltaic generation system project[M]. Beijing Industrial University Publishing House， 2001 10-20. [4] GB12326-2008 电能质量 -电压波动和闪变 [S]. GB12326-2008 power quality-voltage fluctuation and flicker[S]. [5] 王志群，朱守真，周双喜 . 分布式电源对配电网电分 布的影响 [J]. 电力系统自动化， 2004， 28（ 16） 55-60. WANG Zhi-qun， ZHU Shou-zhen， ZHOU Shuang-xi. Impact of distributed generation on distribution system voltage profile[J]. Automation of Electric Power Systems， 2004， 28（ 16） 55-60. [6] LASSETER R H ， Microgrids distributed power generation[C]. //Proceedings of 2001 IEEE Power Engineering Society Winter Meeting. Columbus（ USA） 2001 146-149. [7] PIAGI P. Microgrid a conceptual solution[C]. // Proceedings of the Power Electronics Specialists Conference. AachenGermany 2004 4285-4290. [8] 裴玮，李澎森，李惠宇，等 . 微网运行控制的关键技 术及其测试平台 [J]. 电力系统自动化， 2010, 341. PEI Wei， LI Peng-sen， LI Hui-yu， et al. Key technology and testbed for microgrid operation control[J]. Automation of Electric Power Systems， 2010, 341. 收稿日期 2010-03-16； 修回日期 2010-08-23 作者简介 张 洋（1978-），女，硕士，讲师，从事电力系统分析 与新能源发电并网技术方面的教学和科研工作； E-mail woshikuailetom.com 李 强（1980-），男，硕士，工程师，从事电力系统分 析方面的科研工作； E-mail tqliqiangtom.com 李朝晖（1971-），男，学士，高级工程师，从事电能质 量分析方面的科研工作。