光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(chǔ)能微電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，再加上用戶對(duì)高品質(zhì)電能的需求日益增長(zhǎng)，使光伏儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

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

1光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)確定型運(yùn)行優(yōu)化模型

光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)的發(fā)展一直受到成本高的制約。但通過(guò)制定合理的運(yùn)行計(jì)劃，不僅可以使其運(yùn)行成本降低，同時(shí)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(chǔ)能微電網(wǎng)優(yōu)化模型設(shè)計(jì)。

1.1光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成

光伏儲(chǔ)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(huì)分別經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器，然后通過(guò)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(shí)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(dòng)，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)蓄電池組與公共電網(wǎng)之間的雙向能量流動(dòng)。系統(tǒng)處于離網(wǎng)模式時(shí)，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(shí)將剩余的能量存儲(chǔ)在蓄電池

組中;如果在光照不充足的情況下，可以同時(shí)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(shí)，公共電網(wǎng)可以在谷期為蓄電池組以及負(fù)載同時(shí)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(lái)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(yáng)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(yáng)光輻射強(qiáng)度等存在密切的關(guān)系。當(dāng)太陽(yáng)光照強(qiáng)度相同時(shí)，光伏電池板的短路電流基本上保持不變，但是開(kāi)路電壓將會(huì)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(jiàn)的儲(chǔ)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(gè)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(wú)法直接接入交流側(cè)，需要通過(guò)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(chǔ)能微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)案例

本文結(jié)合某示范工程，對(duì)其發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及微網(wǎng)控制管理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹和分析。

2.1總體設(shè)計(jì)方案。

該系統(tǒng)在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，采用的是分布式并網(wǎng)的設(shè)計(jì)理念。已知某棟節(jié)能建筑樓的負(fù)荷約為65Kw。考慮設(shè)計(jì)余量，則該光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)容量為80kWp。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)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(gè)相同的并網(wǎng)發(fā)電單元，每個(gè)單元為20kWp，并用4個(gè)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(jì)。

2.2.1光伏電池陣列設(shè)計(jì)

光伏電池采用多晶硅太陽(yáng)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(kāi)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(duì)電池進(jìn)行串列設(shè)計(jì)時(shí)，需要將20塊相同的電池串列在一起，作為一個(gè)電池串聯(lián)組，每一個(gè)并網(wǎng)逆變器需要配備4個(gè)并列的電池串聯(lián)組，即每一個(gè)并網(wǎng)逆變器需要80塊電池組，其發(fā)電功率大致為20kWp。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，總共分為4個(gè)并網(wǎng)逆變器，因此也就是說(shuō)總共需要320塊電池，16個(gè)并列的電池串聯(lián)組。

2.2.2并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

如前所述，本系統(tǒng)采用4臺(tái)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(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮供電可靠性和穩(wěn)定性，在對(duì)整棟樓進(jìn)行供電的過(guò)程中，采用的供電方式是儲(chǔ)能和光伏相混合的方式。具體來(lái)說(shuō)，就是在市電正常的情況下，通過(guò)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(dòng)切換為由儲(chǔ)能系統(tǒng)以及光伏供電。

2.4系統(tǒng)運(yùn)行說(shuō)明。

2.4.1市電正常

在市電正常供電時(shí)，本系統(tǒng)的運(yùn)行模式為并網(wǎng)運(yùn)行模式，此時(shí)的運(yùn)行過(guò)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(cè)作用，對(duì)與市電相連的開(kāi)關(guān)上端的電壓和頻率進(jìn)行檢測(cè)，如果測(cè)量值處于正常范圍，則會(huì)自動(dòng)閉合并離網(wǎng)的開(kāi)關(guān)。第二，光伏逆變器檢測(cè)到市電電壓處于正常范圍，將會(huì)根據(jù)相關(guān)的參數(shù)設(shè)定，自動(dòng)將光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)開(kāi)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(shí)，PCS的狀態(tài)將會(huì)設(shè)定為充電狀態(tài)。

2.4.2市電故障。

在市電故障無(wú)法正常供電時(shí)，本系統(tǒng)的運(yùn)行模式是離網(wǎng)運(yùn)行模式，此時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程如下：第一，并離網(wǎng)控制柜中的控制器將會(huì)對(duì)市電進(jìn)行檢測(cè)，如果在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)市電斷電，則將并離網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，同時(shí)給儲(chǔ)能變流器發(fā)出并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)的控制信號(hào)。第二，光伏逆變器在對(duì)市電的檢測(cè)過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)市電故障，將會(huì)自動(dòng)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(huì)對(duì)并網(wǎng)側(cè)的端口電壓進(jìn)行檢測(cè)，確定市電確實(shí)故障后，將會(huì)先關(guān)機(jī)然后再次啟動(dòng)，同時(shí)切換至離網(wǎng)模式運(yùn)行。特別說(shuō)明，若PCS在接收到相關(guān)指令后，不對(duì)端口的電壓狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，而是直接進(jìn)行相關(guān)的狀態(tài)切換，其需要花費(fèi)的時(shí)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(duì)端口電壓進(jìn)行檢測(cè)，避免誤判，這種情況下?tīng)顟B(tài)切換需要多花費(fèi)380ms的時(shí)間，也就是光伏逆變器孤島保護(hù)時(shí)間。第四，光伏逆變器檢測(cè)到PCS提供的支撐電壓滿足供電要求時(shí)，將會(huì)自動(dòng)開(kāi)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)光伏發(fā)出的電能大于負(fù)載消耗時(shí)，多余的電能可以通過(guò)PCS給儲(chǔ)能電池充電;若光伏系統(tǒng)輸出功率小于負(fù)荷時(shí)，則光伏將會(huì)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(huì)重新變?yōu)椴⒕W(wǎng)運(yùn)行模式，這一轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：第一，當(dāng)并離網(wǎng)控制柜中的控制器檢測(cè)到市電已經(jīng)恢復(fù)至正常狀態(tài)后，會(huì)將這個(gè)信息傳遞給儲(chǔ)能變流器，當(dāng)并離網(wǎng)開(kāi)關(guān)上端以及下端的頻率、電壓幅值、相位保持一致時(shí)，會(huì)自動(dòng)閉合并離網(wǎng)開(kāi)關(guān)。第二，光伏逆變器將會(huì)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(huì)對(duì)電壓進(jìn)行一定的調(diào)整，同時(shí)將自身的運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)模式。在整個(gè)過(guò)程中，可能會(huì)受到通訊延遲的影響，因此PCS會(huì)遭受一段時(shí)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(huì)因此間斷。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)可以真正實(shí)現(xiàn)分布式光伏發(fā)電，實(shí)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?jī)?yōu)化調(diào)度控制的效果。

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