園區(qū)級風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案研究

李春濤，楊 志

園區(qū)級風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案研究

李春濤，楊 志

(萬幫數(shù)字能源股份有限公司, 江蘇 常州 213000)

隨著分布式發(fā)電、儲能設(shè)備及交直流充電設(shè)備在園區(qū)的廣泛應(yīng)用，基于新能源和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)得到了快速發(fā)展。以園區(qū)的能源互聯(lián)為背景，提出兩種風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案，一種基于交流耦合的風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案，一種是基于電能路由器的風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案；另外文中還詳細(xì)分析了兩種方案的組成，兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)園區(qū)級的新能源方案設(shè)計提供了很好地參考。

分布式發(fā)電；能源互聯(lián)；電能路由器；多能互補(bǔ)

0 引言

隨著社會發(fā)展及大眾環(huán)保意識的增強(qiáng)，以及國家對新能源發(fā)電及電動汽車應(yīng)用的鼓勵，工商業(yè)園區(qū)開始大規(guī)模建設(shè)充電樁，以滿足園區(qū)人員的充電需求；建以光伏和風(fēng)電為主的分布式能源，以降低企業(yè)面臨能耗總量及強(qiáng)度的“雙控”目標(biāo)的壓力[1-3]。但由于充電樁系統(tǒng)一般功率較大，可能會對園區(qū)的已有配電網(wǎng)產(chǎn)生額外壓力，降低電網(wǎng)的穩(wěn)定性；另外由于分布式能源的間歇性和波動性，這也會對電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生比較大的影響。電動汽車中的電池作為移動儲能系統(tǒng)，其達(dá)到一定的規(guī)模效應(yīng)后，可通過帶V2G功能的充電樁成為電網(wǎng)可調(diào)度資源參與到電力市場中。隨著分布式發(fā)電、儲能設(shè)備及交直流充電設(shè)備在園區(qū)的廣泛應(yīng)用，建立一個穩(wěn)定可靠的園區(qū)配電網(wǎng)勢在必行[4-7]。

本文根據(jù)各種分布式能源的特點(diǎn)給出了兩種園區(qū)級風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案：一種基于交流耦合的風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案，另一種是基于電能路由器的風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案。這兩種方案都將光伏、風(fēng)電等分布式能源和儲能系統(tǒng)及帶V2G功能的充電樁系統(tǒng)結(jié)合，充分利用各種能源的特點(diǎn)，實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)的多種能量互補(bǔ)，有效降低了光伏、風(fēng)電對電網(wǎng)的沖擊。

1 風(fēng)光儲充各種能源特點(diǎn)及其互補(bǔ)特性

1.1 分布式能源介紹

1) 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池板和光伏逆變器組成。其工作原理如下：光伏電池板捕獲太陽光的能量經(jīng)過變換器送入電網(wǎng)，能量只能單向流動。光伏發(fā)電受光照影響很大，所以光伏發(fā)電具有季節(jié)性、波動性 隨機(jī)性的特點(diǎn)，這一特點(diǎn)致使光伏發(fā)電對電網(wǎng)友好性很差。

2) 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)電變流器組成。其工作原理如下：風(fēng)力發(fā)電機(jī)捕獲風(fēng)能，能量經(jīng)過風(fēng)電變流器送入電網(wǎng)，能量只能單向流動。風(fēng)力發(fā)電因不消耗化石燃料，利用可再生風(fēng)能資源，不產(chǎn)生溫室氣體的優(yōu)點(diǎn)，在全球范圍得到積極發(fā)展。對于高風(fēng)速區(qū)域(年平均風(fēng)速大于等于 6 m/s)，通過規(guī)劃大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用集中式發(fā)電，實現(xiàn)風(fēng)能向電能的轉(zhuǎn)換。對于年平均風(fēng)速在 3～5 m/s的低風(fēng)速區(qū)域，像工業(yè)園區(qū)、別墅庭院、中小城鎮(zhèn)、度假村等地方，一般采用更具有靈活性的中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)受風(fēng)力影響最大，跟光伏類似，也有很強(qiáng)的季節(jié)性、波動性、隨機(jī)性。

3) 儲能系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)由儲能電池和儲能變換器組成，能量可以雙向流動；其工作原理如下：當(dāng)儲能系統(tǒng)工作在放電模式時，儲能電池的能量經(jīng)過儲能變換器送入電網(wǎng)；當(dāng)儲能系統(tǒng)工作在充電模式時，電網(wǎng)的能量經(jīng)過變換器送入至儲能電池中，其特點(diǎn)是能量能雙向流動，可以對風(fēng)、光能源可靠吸納，有效降低風(fēng)電、光伏對電網(wǎng)的影響。

4) 新能源汽車充電系統(tǒng)

新能源汽車充電系統(tǒng)由充電樁和新能源車組成；其大致工作原理如下：當(dāng)新能源汽車需要充電時，能量由電網(wǎng)經(jīng)過充電樁進(jìn)入新能源汽車電池；如果充電樁帶有V2G功能，那么新能源汽車電池的能量可以通過充電樁反向放電給電網(wǎng)，作為電網(wǎng)可調(diào)度資源參與到電力市場中。當(dāng)新能源汽車達(dá)到一定規(guī)模后，可作為一個移動儲能系統(tǒng)，用來消納分布式能源，與光伏和風(fēng)電形成有利的互補(bǔ)。

1.2 分布式能源的互補(bǔ)特性

由于不同能源的利用形式和管理規(guī)則存在較大差異，單能源運(yùn)行系統(tǒng)以單獨(dú)規(guī)劃、單獨(dú)設(shè)計、獨(dú)立運(yùn)行、缺乏協(xié)調(diào)性為主要特點(diǎn)，因此容易產(chǎn)生資源利用率、自愈能力差、系統(tǒng)整體穩(wěn)定性低等問題。為此，現(xiàn)代生產(chǎn)中往往采用多能互補(bǔ)的形式來進(jìn)行能源開發(fā)和利用。風(fēng)、光在時間上有一定程度的互補(bǔ)性，如：晚上光伏無能量輸出，這時風(fēng)電可作為其補(bǔ)充；白天有時光照能量充足，無風(fēng)情況下可作為風(fēng)電的有效補(bǔ)充；風(fēng)、光、電網(wǎng)和儲能可以形成有效的能源互補(bǔ)關(guān)系，儲能環(huán)節(jié)的加入，能平滑風(fēng)、光等分布式能源的輸出，提高電網(wǎng)對新能源的消納能力，同時可以參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓等輔助服務(wù)，提高能源的綜合利用率。

多能互補(bǔ)在實施上，與智慧能源有著緊密的內(nèi)在聯(lián)系，具有環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性、獨(dú)立性、靈活性等特性，如圖1所示。

2 基于交流耦合的風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案

圖2 為基于交流耦合的風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案，整個綜合能源系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、新能源汽車充電系統(tǒng)、交流負(fù)載和電網(wǎng)組成；系統(tǒng)中風(fēng)電、光伏等清潔能源作為主要電能供應(yīng)者，儲能電池和新能源汽車電池作為功率平衡的調(diào)節(jié)者，同時上級電網(wǎng)參與協(xié)助調(diào)節(jié)，共同實現(xiàn)對園區(qū)負(fù)荷的穩(wěn)定電力供應(yīng)[8]。

圖1 多能互補(bǔ)特性

圖2 基于交流耦合的風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案

由圖2可以看出，分布式電源、儲能、負(fù)荷及新能源汽車均連接到380 V交流母線，然后380 V交流母線經(jīng)過變壓器接入大電網(wǎng)。對于直流電源則需要通過電力電子裝置變換后再連接到交流母線上。儲能電池經(jīng)過儲能逆變器與380 V交流母線連接，并且能量可以雙向流動；風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)過風(fēng)電變流器與380 V交流母線連接，能量只能從風(fēng)力發(fā)電機(jī)單向流入電網(wǎng)；光伏電池板經(jīng)光伏逆變器與380 V交流母線連接，能量只能從光伏電池板單向流入電網(wǎng)；新能源汽車電池經(jīng)過帶V2G功能的充電樁與380 V交流母線連接，能量可以雙向流動。監(jiān)控系統(tǒng)通過通信總線獲取到各個設(shè)備和負(fù)載的電壓、電流、實時功率和電量信息存儲至服務(wù)器中，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測，節(jié)能建議與管理，能耗監(jiān)測與分析，故障檢測與預(yù)測等功能。EMS(能量管理系統(tǒng))作為整個園區(qū)能源系統(tǒng)的控制大腦，在各種能源的協(xié)調(diào)互補(bǔ)控制中起著舉足輕重的作用。在有大電網(wǎng)的情況下，整個園區(qū)能源系統(tǒng)在EMS的統(tǒng)籌下并網(wǎng)運(yùn)行，此刻整個電網(wǎng)的電壓和頻率都由大電網(wǎng)決定。新能源汽車作為移動儲能單元與儲能系統(tǒng)一起起到能量均衡調(diào)節(jié)作用，實現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)部能量動態(tài)平衡，最大限度地利用可再生能源。 此時風(fēng)機(jī)和光伏等可再生能源發(fā)電均采用 PQ 控制(也稱為恒功率控制)，進(jìn)行微源的最大功率追蹤。 具體策略為：當(dāng)負(fù)荷小于微電網(wǎng)內(nèi)可再生能源發(fā)電輸出功率總和時，如果此時新能源汽車需要充電，那么優(yōu)先控制充電樁向新能源汽車充電，當(dāng)新能源汽車充滿電后，再通過控制儲能變流器向蓄電池充電，直到蓄電池充滿，微電網(wǎng)才向大電網(wǎng)輸送多余的電能；反之，當(dāng)負(fù)荷大于微電網(wǎng)內(nèi)可再生能源發(fā)電輸出功率總和時，如果此時儲能電池電量充足，那么優(yōu)先通過控制儲能變流器使蓄電池放電，直到蓄電池不能繼續(xù)放電，如果此時新能源汽車接入電網(wǎng)且新能源汽車電池能量充足，那么可以在車主授權(quán)后控制帶V2G功能的充電樁從新能源汽車放電，直到新能源汽車電池不能放電，微電網(wǎng)才從大電網(wǎng)吸收部分電能。在無大電網(wǎng)情況，EMS控制整個系統(tǒng)工作在孤島模式，在該模式下，功率缺額和頻率的調(diào)整必須依靠微電網(wǎng)中各個微電源、儲能及控制來完成。 因此要實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、供電可靠性最高、 能量儲存分布最佳的能量調(diào)度目標(biāo)[8]，必須靈活調(diào)節(jié)微電網(wǎng)內(nèi)的饋線潮流，調(diào)節(jié)每個微型電源接口處的電壓，保證電壓的穩(wěn)定性。

基于交流耦合的風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案的特點(diǎn)：

1) 方便實現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)容：由于交流微電網(wǎng)不改變原來的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，僅需在原來的電網(wǎng)中增加微電源及其變換器，即可實現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)容。

2) 系統(tǒng)效率偏低：大部分直流源都經(jīng)過兩級變換并入交流電網(wǎng)，導(dǎo)致效率有一定的損失。

3) 存在各能源間的同步問題、環(huán)流抑制問題。

4) 該方案下大量的逆變裝置會帶來大量諧波電流，并使系統(tǒng)功耗增加，引起配電、監(jiān)控、保護(hù)等方面的問題，這無疑增加了其建設(shè)成本和建設(shè)周期，增加了維護(hù)成本。

5) 適用于交流型分布式電源和負(fù)荷所占比重較大、直流型分布式電源和負(fù)荷較少的區(qū)域。

3 基于電能路由器的風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案

電能路由器由高頻變壓器和電力電子變換電路組成， 由于具備高低壓交流接口和直流接口， 具有變壓、隔離和能量傳輸功能， 可以成為 “能量路由器”， 實現(xiàn)對PCC處的能量協(xié)調(diào)管理。

基于電能路由器的風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)直流設(shè)計方案如圖3所示， 主網(wǎng)為 10 kV配網(wǎng)， 通過電能路由器聯(lián)接形成直流微網(wǎng)和交流微網(wǎng)， 由于直流電源的電壓范圍比較寬，故在直流微網(wǎng)中的，分布式能源主要通過DC-DC變換器并網(wǎng)， 而交流微網(wǎng)中分布式能源主要通過 DC-AC、AC-DC-AC 等變換器并網(wǎng)。分布式能源根據(jù)自身特性、接入成本和運(yùn)行效率等因素， 選擇直流或交流接入。光伏和風(fēng)機(jī)等分布式能源既有直流接入方式， 也有交流接入方式。蓄電池、超級電容和燃料電池等不受地理條件限制的分布式能源，選擇直流接入，新能源汽車可以交流充電樁選擇交流接入，也可以通過直流充電樁選擇直流輸入。

圖3 基于電能路由器的風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案

由于分布式能源輸出功率受天氣因素影響， 不同時間段負(fù)荷功率也存在起伏， 直流微網(wǎng)和交流微網(wǎng)中能量波動頻繁。電能路由器能很好地協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)間分布式能源、負(fù)載、儲能、新能源汽車等節(jié)點(diǎn)之間的能量流動。為了滿足分布式能源的功率輸出，實現(xiàn)功率的合理分配， 保持混合系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)接口間能量的流動必須是雙向的， 并能根據(jù)接口處特征信號的變化進(jìn)行快速準(zhǔn)確的功率調(diào)節(jié)。電能路由器協(xié)調(diào)主網(wǎng)、交流微網(wǎng)和直流微網(wǎng)間能量的流動， 三處接口能量都是雙向流動的， 如圖 4所示。同一時刻，電能路由器既可充當(dāng)某個網(wǎng)絡(luò)的能量提供者， 又可視為另一個網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載， 在網(wǎng)絡(luò)間按需傳輸能量[9]。

圖4 電能路由器功率流動圖

根據(jù)電能路由器是否并入主網(wǎng)， 分為并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種工作模式。

離網(wǎng)模式下， 交流微網(wǎng)和直流微網(wǎng)都與主網(wǎng)斷開連接， 功率僅在交直流微網(wǎng)間雙向流動。該模式下，運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜， 對電能路由器控制的要求也更高。離網(wǎng)模式下所有負(fù)載的功率需求需由交流微網(wǎng)和直流微網(wǎng)中的分布式能源提供， 這就要求分布式能源具備靈活的有功無功控制策略，電能路由器具備快速的功率協(xié)調(diào)策略，從而減小微網(wǎng)的運(yùn)行波動。電能路由器根據(jù)交直流微網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)和能量需求，判斷功率流動方向和大小，維持交直流微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。為了使各分布式能源合理分擔(dān)負(fù)荷，目前微網(wǎng)運(yùn)行策略為對各分布式能源進(jìn)行分散的下垂控制， 從而滿足直流微網(wǎng)內(nèi)部和交流微網(wǎng)內(nèi)部功率的合理分配[9]。

并網(wǎng)模式下， 電能路由器提供微網(wǎng)全部的功率缺口或吸收微網(wǎng)全部的功率盈余， 從而實現(xiàn)對交流微網(wǎng)頻率和直流微網(wǎng)母線電壓的支撐。該工作模式下， 在電能路由器控制主網(wǎng)輸入接口處電流與電壓同相位，使交直流混合微網(wǎng)看起來為 “阻性負(fù)載”或 “電流源”。而在輸出接口處，電能路由器控制交流微網(wǎng)接口處電壓在額定功率范圍內(nèi)恒壓恒頻， 控制直流微網(wǎng)接口處電壓在額定功率范圍內(nèi)恒壓，使電能路由器看起來為恒定的電壓源[9]。

基于電能路由器的風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)直流設(shè)計方案的特點(diǎn)：

1) 互相提供功率支撐，改善了系統(tǒng)供電質(zhì)量。無論交流微電網(wǎng)還是直流微電網(wǎng)作為一個自治運(yùn)行系統(tǒng)首要的目標(biāo)是維持系統(tǒng)內(nèi)功率平衡，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，將交直流微電網(wǎng)互聯(lián)后，可以實現(xiàn)相互功率備用，這在保障各自功率平衡，改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量方面顯然是有益的。

2) 采用高頻變壓器后，可以減小設(shè)備的重量和體積，具備高、低壓交直流接口，能同時接入交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)，適用于直流源、荷的接入。

3) 減少電力變換設(shè)備個數(shù)，降低了建設(shè)成本和運(yùn)營損耗。將交流分布式電源和負(fù)荷接入混合微電網(wǎng)的交流部分，直流電源和負(fù)荷接入混合微電網(wǎng)的直流部分，這顯然可以減少昂貴的電力電子變流器的應(yīng)用個數(shù)，增加了接入形式的靈活性。同時減少中間變換環(huán)節(jié)又可以降低系統(tǒng)損耗和諧波含量，無論從經(jīng)濟(jì)角度還是從電能質(zhì)量角度都是可取的。

4) 擴(kuò)大負(fù)荷切除的靈活性和選擇性，提高了重要負(fù)荷的供電可靠性，也增強(qiáng)了微電網(wǎng)的接納能力。

4 結(jié)論

在研究基于新能源和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上[10-12]，主要研究了兩種園區(qū)級風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案：一種基于交流耦合的風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案，另一種是基于電能路由器的風(fēng)光儲充多能互補(bǔ)設(shè)計方案，文中對兩種方案組成部分、特點(diǎn)及策略作了詳細(xì)介紹，為后續(xù)園區(qū)級的新能源方案設(shè)計提供了很好地參考。

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Research on multi energy complementary design scheme of wind solar energy storage and charging

LI Chuntao, YANG Zhi

(Wanbang Digital Energy Co., Ltd., Changzhou 213000, China)

With the wide application of distributed generation, energy storage equipment and AC/DC charging equipment in the park, the construction of energy internet based on new energy and internet technology has been developed rapidly. Based on the background of energy interconnection in the park, two complementary design schemes of wind and solar energy storage and charging are proposed. One is based on AC coupling, the other is based on power router. In addition, the composition of the two schemes and the advantages and disadvantages of the two schemes are analyzed in detail, which provides a good reference for the subsequent park level new energy scheme design.

distributed generation; energy interconnection; power router; multi energy complementation

2020-09-11；

2020-09-12

李春濤(1988—)，男，通信作者，碩士研究生，高級工程師，研究方向為微網(wǎng)控制技術(shù)。E-mail: lct713@163.com