智能光伏微電網的特點與構建

一、前言

隨著國務院[2013]第24號文的發(fā)布，我國建設分布式光伏電站的高潮即將到來。針對光伏發(fā)電的技術和應用特點，本文指出，要使分布式光伏電站能夠順利健康地發(fā)展，必須結合智能微網技術，建設以光伏為主、多種新能源為輔、儲能與發(fā)電結合、信息與控制系統(tǒng)完備的智能光伏微電網，才能夠充分發(fā)揮光伏發(fā)電的優(yōu)點，避免光伏發(fā)電不穩(wěn)定的缺點，保障供電的穩(wěn)定性和可靠性，促進光伏發(fā)電的全面普及。

二、光伏發(fā)電的特點

光伏發(fā)電具有清潔、無限量、不受地域限制、運行維護量小等優(yōu)點，因此，相對風電、核電、生物智能等可再生能源來說，優(yōu)勢比較明顯。但是，光伏發(fā)電的缺點同樣也很明顯。過去，限制光伏發(fā)電的主要因素是成本高，這也是導致早期光伏發(fā)電難以推廣的主要缺點。但自從2006年光伏產業(yè)發(fā)展以來，光伏發(fā)電的裝機成本已經從每峰瓦60元人民幣，下降到了現在的約8元人民幣。成本的下降促進了光伏裝機容量的迅猛上升。

但隨著光伏裝機容量的上升，光伏發(fā)電的其它一些技術弱點也逐漸變得明顯而不能被忽視。

首先，是光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性。光伏發(fā)電的不穩(wěn)定并非是光伏發(fā)電系統(tǒng)自身的不穩(wěn)定，而是源于日照的不穩(wěn)定。例如，夜晚完全不能發(fā)電，而天氣的影響對光伏發(fā)電量的影響也很大，更嚴重的是晴天有云的時候，一朵云彩的飄過會造成發(fā)電量的巨幅波動。從電力供應的角度來說，這是一個很大的弊端。目前，采取發(fā)電側并網的地面電站，完全依賴主干電網進行調節(jié)，當光伏發(fā)電的容量逐步增大時，瞬間的大容量波動會給電網造成較大的沖擊。我國的電網設計容許的波動，通常不超過15%，這也意識著如果光伏發(fā)電的容量比重超過這個比例，那么，發(fā)電量的不穩(wěn)定有可能造成電網的崩潰。

其次，是光伏發(fā)電的能量密度較低。這源于日照強度的特性和光伏發(fā)電的光電轉換效率，通常，每平方米的組件的峰值功率上限目前大約在150瓦以下，大部分時間在100瓦左右。這會導致光伏發(fā)電的占地面積較大，因此，大型地面電站僅在荒漠和戈壁比較適宜，而在我國東部、特別是東南沿海，幾乎不可能建造大型地面電站。這就是為什么要鼓勵發(fā)展分布式光伏發(fā)電的原因，盡量利用建筑物的頂部而不占用土地進行發(fā)電。由于負載的特性大多也是分布式的，因此，分布式發(fā)電是一種與負載分布形式匹配的發(fā)電方式。

第三，光伏發(fā)電的功率可調性差。當負載增加時，光伏發(fā)電無法提供更多的電力，當負載下降的時候，光伏發(fā)電也無法根據負載降低功率。所以，在利用光伏發(fā)電的時候，要么采用與主干網并網的方式，將主干網作為功率調節(jié)池，要么就要采用其它能源進行補充，同時，還必須采用儲能的方式，將負載下降時產生的多余能量存儲起來。

隨著光伏發(fā)電的規(guī)模的增加，上述弱點將越來越明顯，對光伏發(fā)電的阻礙和限制也越來越大。為了保證光伏發(fā)電的健康發(fā)展，促進光伏這個具有明顯優(yōu)勢的清潔能源的推廣應用，無論是地面光伏電站還是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，必須要設法通過各種技術手段解決上述缺點，保障光伏能夠提供進行大規(guī)模穩(wěn)定的電力供應。

智能光伏微電網是解決這個問題的唯一手段。

三、智能光伏微電網的特點

微電網，又稱微網，是相對傳統(tǒng)大電網的一個概念，它是指多個分布式電源、負載、儲能系統(tǒng)和控制裝置按照一定的拓撲結構組成的電力網絡。在微電網內部，電源和負荷能夠基本匹配，并能夠實現自我控制、保護和管理，可以孤立運行，同時，也可以與外部電網并網運行。

由于微電網的概念是將發(fā)電系統(tǒng)即電源與負荷置于同一個區(qū)域內，因此，特別適合光伏發(fā)電等能量密度較低的新能源進行分布式發(fā)電。同時，微網內部采取多種電源形式的高可靠供給，可以完全克服光伏發(fā)電不穩(wěn)定的弱點，充分促進光伏發(fā)電及其它可再生能源的大規(guī)模接入，有利于促進傳統(tǒng)電網向智能電網的過渡。

智能光伏微電網指的是，采用光伏發(fā)電作為白天的主要供電電源，同時利用其它能夠與光伏互補的各種可再生能源的同時接入來滿足不同氣候條件下的電力供應，并利用儲能系統(tǒng)和包括微型燃氣輪機等清潔能源作為供電的調節(jié)手段，通過先進的自動控制技術和信息網絡技術實現網內的智能控制和網間的遠程調度，保障在負荷與電源發(fā)生變化時的供電穩(wěn)定性�？偨Y出十六字方針，就是“光伏為主、多能互補、發(fā)儲結合、智能調控”。

智能光伏微電網的特點主要有以下四點：

1）多種新能源的結合

由于光伏發(fā)電僅能夠在白天天氣較好的情況下進行供電，即便與主干網相連，當光伏發(fā)電的容量增大，在某一地的局部對當地電網有可能形成較大的沖擊。因此，在一個微電網的范圍內采取多種形式的新能源相結合，是緩和光伏發(fā)電的波動性、穩(wěn)定電力的必要手段。

能夠作為微電網的電源的其它可再生能源有如下幾種：

微型風力發(fā)電。主要是微風風力發(fā)電，在風力條件能夠滿足發(fā)電的條件下，可以作為光伏發(fā)電的補充。微風電站適合風力條件滿足的村鎮(zhèn)和高層建筑。

小型水力電站。指在有條件的村鎮(zhèn)附近，可采用小型水電站或抽水蓄能電站的方式，作為微電網的補充能源。

生物質能電站�？稍诖彐�(zhèn)或者小型城市周邊，利用沼氣進行發(fā)電，作為微電網的補充能源。沼氣發(fā)電可與垃圾處理、有機肥的生產相結合。

微型燃氣輪機。微型燃氣輪機采用天然氣發(fā)電，適用于城市社區(qū)和農村。

各種形式的新能源綜合使用，可以大大減少光伏發(fā)電的波動性，尤其是在光伏發(fā)電量下降的時候對光伏發(fā)電進行補充，同時，也能夠因地制宜，充分利用微電網所在地區(qū)的各種可再生能源和資源。

2）儲能技術

無論是采用何種新能源，都不能完全保證微電網的供電絕對穩(wěn)定。另外，在電源事故或電網故障的情況下，為了保證用電負荷的安全，儲能系統(tǒng)作為備用電源也是必不可少的。

目前，儲能技術較為成熟的是鉛酸蓄電池，但有壽命短和鉛污染的問題。能夠適用于智能光伏微電網的新型儲能系統(tǒng)有如下幾種：

釩流體電池。該技術采用釩化合物作電解質，通過釩的不同電價的轉換進行充放電。優(yōu)點是容量大、電流密度大、供電穩(wěn)定、充放電次數多（使用壽命長）、充放電效率高；缺點是，且目前成本較高，產業(yè)化不夠成熟，市場規(guī)模受釩資源限制。

飛輪儲能。優(yōu)點是充放電次數多、電流密度大、供電穩(wěn)定、無化學反應；缺點是自放電較嚴重。

超級電容。優(yōu)點是電流密度大、充放電次數多、壽命長、無化學反應；缺點是自放電嚴重，單次儲能時間較短，產業(yè)化程度不夠。

以上各種新型儲能技術目前均存在成本較高的情況。但隨著產業(yè)化程度的不斷成熟，相信產品的質量、性能、穩(wěn)定性均將有大幅提高，成本也可以大幅度下降。

微電網的儲能系統(tǒng)要滿足以下三種情況的要求：1）在電源或電網事故情況下，儲能系統(tǒng)能夠迅速替代電源，為微電網內部的負荷供電；這種情況，儲能系統(tǒng)相當于緊急備用電源的角色，要求電流密度大；2）在微網內大型負荷啟動時，由于電流往往數倍于運行電流，因此，可能正常電源的容量不足以滿足負荷的啟動要求，需要儲能系統(tǒng)提供瞬時大電流；3）在光伏以及其它電網發(fā)電不足時，起到為微網內負荷供電的功能。

目前，上述各種儲能技術難以同時滿足以上三個要求，可考慮各種不同儲能方式的結合，例如，釩流體電池與飛輪或超級電容結合使用，即可避開各自的缺點，而滿足微電網的儲能需求。

3）電力質量控制與保護系統(tǒng)

智能光伏微電網的每個網內，都有電源和負荷。設計時，要求電源和負荷容量是基本匹配的。但是，由于可再生能源的發(fā)電自身的不穩(wěn)定性，這種匹配只能在理想狀態(tài)

下實現。負載的變化、電源的波動，都需要通過儲能系統(tǒng)進行調節(jié)。

每個微網都需要有一個微網控制中心，除了監(jiān)控每個電源、負荷和儲能的電力參數、開關狀態(tài)和電力質量與能量參數外，還要通過開關控制對上述內部的電力調度進行控制，此外，微網控制中心還要對每個裝置內部進行控制和調節(jié)，這種調控可以通過每個裝置的本地控制器來進行，但必須與微網控制中心聯網。

微網控制中心還必須有在孤島運行與并網運行之間的切換裝置，和針對負荷、電源和電網的保護裝置。

微電網內部由于總體容量較小，因此，負荷阻抗的感性還是容性就對功率因數影響較大。為此，在微電網內部，必須根據負荷的阻抗性質配置相應的補償系統(tǒng)。另外，多電源的并網可能會造成網內的諧波分量較大，紋波系數較高，因此，要有消除高次諧波的裝置。

4）智能光伏微電網的信息系統(tǒng)

而由于儲能成本的限制，儲能系統(tǒng)對于負荷和電源變化的調節(jié)不可能是無限的。因此，微電網在正常運行時，最好采取與主干電網并網運行的方式。在微電網的電源故障情況下，電網可以為微電網進行供電，而在微電網的負荷停機時，微電網要向電網發(fā)電。為此，需要進行微電網與主網的潮流控制，其中，微電網和主網要進行實時信息交換。

通常，主干電網對于微電網的負荷變化或者發(fā)電量的變化是能夠消納的，但是，主電網對于這種變化需要一定的時間響應。如果是瞬時大容量的變化，無論是發(fā)電還是供電，都會對電網帶來影響。為此，微電網內部的控制系統(tǒng)需要與主干網的電力調度系統(tǒng)聯網進行信息通訊，要做到在電源或負荷變化時，先用儲能系統(tǒng)調節(jié)供電，同時，通過信息系統(tǒng)將信息通報給主電網，并給主電網以充足的時間進行調度，這樣，就可以保證微電網的供電和主電網的穩(wěn)定。

智能光伏微電網的信息系統(tǒng)還可以幫助微電網之間的互聯和互相調度，這樣，有助于主電網的穩(wěn)定，減少主電網的供電壓力。并在主電網故障時，減少故障對于微電網內負荷的影響。

四、智能光伏微電網的構建

智能光伏微電網是以光伏作為主力發(fā)電，其它新能源為輔助動力，儲能系統(tǒng)作為調節(jié)作用的，因此，首先要保證各發(fā)電單元的可靠性，同時，要求對天氣變化（日照、風力等）的影響有一定的預測功能。其次，所有的發(fā)電系統(tǒng)必須根據微網內部的電壓等級設計，進行開放性與規(guī)范性兼顧的互聯。

由圖1可以看出，智能光伏微電網由光伏、微風發(fā)電、微型燃機發(fā)電等電源系統(tǒng)，釩電池、超級電容和飛輪等儲能系統(tǒng)，網內負載，輸配電系統(tǒng)、保護系統(tǒng)和微網控制中心（微網控制器）組成。所有的發(fā)電系統(tǒng)必須具備本地的智能控制功能，能夠將本身的發(fā)電運行數據發(fā)送到微網控制中心，并通過微網控制中心送到外電網。

微電網通過隔離變壓器和保護裝置與外電網相連。微電網可以并網運行，也可以脫離主電網進入孤島運行模式。微網控制器對微電網的內部運行進行統(tǒng)一控制和調度，同時負責與外部電網的調度。

智能光伏微電網的設計，首先要考慮當地的電力負荷需求，然后根據當地的日照、風力、水力、沼氣等資源，進行發(fā)電系統(tǒng)的容量配置和選址，并根據負荷的用電需求和電源的容量以及發(fā)電的時間特性進行儲能系統(tǒng)和微型燃機發(fā)電系統(tǒng)的設計，最后，從組網的角度進行整個微電網的組網設計。

在智能微電網監(jiān)控主站系統(tǒng)的設計上，必須充分考慮與配網自動化系統(tǒng)平臺在系統(tǒng)建模、維護、信息共享、運行管理等方面的一致性，針對微電網內部不同廠家的設備，要進行規(guī)范性、標準性的建模與規(guī)范設計，嚴格遵循國網公司制定的標準與規(guī)范設計，包括：國際標準IEC61968、IEC61970等，并提供開放的應用編程接口（API），有利于系統(tǒng)今后的功能擴充。系統(tǒng)將商用關系型數據庫和實時數據庫在設計上有機地結合在一起，提供對數據模式的建立、數據存貯、報表系統(tǒng)以及對外部系統(tǒng)的數據接口。

多個微電網之間可以通過主干網相連，也可以直接通過一個獨立于現有公網之外的新的子網相連。微電網之間的調度通過遠程調度系統(tǒng)實現。不同微電網之間的互聯能夠減少主電網的負擔，增加電網的穩(wěn)定性，并在主網故障時，為主網提供必需的電力。

設計之后，進行微電網的設備選型，要求是可靠性，智能性，和開放性。

智能光伏微電網的建設，包括各發(fā)電系統(tǒng)的建設、儲能系統(tǒng)的建設、中心配電站（含輸配電系統(tǒng)、并網系統(tǒng)、微網控制中心等）的建設、微網內部電纜的敷設、以及信息系統(tǒng)的安裝和調試。

運行調試首先進行孤島運行調試，對各裝置的啟停和切換進行調試，同時，觀察負載變化時儲能系統(tǒng)的調節(jié)能力。然后進行并網調試，觀察光伏電站等電源接入和斷開時，電網的調節(jié)能力和電力質量的波動情況。還要進行各類保護試驗。

智能光伏微網由于發(fā)電和負荷以及控制均在一地，設備數量較多，而且控制要求復雜，維護內容首先要求對于光伏電站進行系統(tǒng)維護，保證光伏發(fā)電的最大出力，其次，對于其它發(fā)電系統(tǒng)如風力、水電、生物質能、微型燃機等設備進行維護，而且，還要對于配網、保護、控制中心進行維護。因此，對于微電網的維護要求要比傳統(tǒng)電網的配電維護要高出許多。這要求微網公司的業(yè)主或微網系統(tǒng)集成公司在當地要有常駐的維護和運行隊伍，而且，對于運維人員的技術要求比較高，需要經過專門的職業(yè)培訓。

智能光伏微網的運行需要與主干網有及時和充分的信息交互，每個微網控制中心要與電網的調度系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)進行聯網通訊，這樣才能保證微電網與主干網能夠相互支持，而減少或消除相互的影響。多個微電網聯網時，要有自己的縣域甚至省域SCADA系統(tǒng)，可通過公用無線網絡進行遠程通信。而微電網的業(yè)主可以通過控制中心對于各個微電網的運行情況、設備狀態(tài)、電力參數和電力質量進行監(jiān)控，對各微電網的設備進行遠程監(jiān)控。

五、結語

智能光伏微電網的建設和發(fā)展，能夠將各種形式的新能源發(fā)電集成起來，并能夠克服光伏發(fā)電和其它新能源發(fā)電的弱點，保證光伏發(fā)電的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮新能源清潔和可再生的優(yōu)點；微電網的建設可減少電網的投入，大大減少火力發(fā)電的容量和霧霾、酸雨等大氣污染，將大量的煤炭、石油、天然氣等能源節(jié)約下來作為原材料而不再是燃料使用。而隨著微電網的數量的增加與互聯，能夠將城市、城鎮(zhèn)和農村的大量工業(yè)與民用建筑和工農業(yè)設施均變?yōu)榘l(fā)電建筑和發(fā)電設施，不僅可以解決新農村和城鎮(zhèn)化帶來的新增用電需求，而且也對原有的電力需求予以規(guī)模性的替代，對于實現第三次工業(yè)革命有著極其重要的意義。