分布式光储微电网设计及应用研究

(1)光伏发电系统

光伏发电系统主要包括光伏组件和光伏逆变器。光伏组件是光伏系统的主要发电来源。光伏组件的种类有很多，如单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和多元化合物太阳电池等。一般应用，“多晶硅”是首选。光伏逆变器是实现交直流能量转换的核心部分。光伏逆变器主要有组串式逆变器和集中型逆变器，小型电力系统一般选用组串式逆变器。

(2)电池储能系统

电池储能系统主要包括储能电池、电池管理系统和储能变流器。储能电池作为能量存储的载体，既可实现能量搬移，也可实现功率补偿。其中，锂离子电池储能技术是一种大规模高效电化学储能新技术，相比于其他电池储能技术，锂离子电池具有如下优势：电压高、能量密度高、输出功率高，能量效率高;电池使用寿命长，自放电低、环保无污染等，因此大规模储能系统中得到越来越广泛的应用。电池管理系统可以对电池阵列组进行全方位的监控、管理、保护、报警等，最大化延长储能电池堆使用寿命。大型储能系统一般采用三层模块化结构，包括电池堆管理系统(BAMS)、电池簇管理系统(BCMS)、电池模块管理单元(BMU)等组件。

(3)能量管理系统(EMS)

EMS是整个光伏微网系统的控制器，其能量管理功能包括系统运行模式判断、功率调度及设备运行状态控制，具体而言就是根据电网状态判断系统处于独立运行还是并网运行，在独立运行时需要根据功率动态平衡原则完成光伏发电和储能系统的功率调度，根据系统状态及设备状态完成光伏并网逆变器的启停控制和双模式逆变器的组网控制;在并网运行时根据蓄电池的状态完成双模式逆变器的充电控制及并网逆变器的启停控制。

2.设计原则

笔者设计的光伏混合微电网系统，应考虑如下几个关键问题：

①蓄电池(如铅酸电池)应具有较高的运行寿命。一般情况下，在100%放电深度下，铅酸电池的充放电循环次数为600～1000  次，80%放电深度下为800～1200  次。②微电网系统的设计本着简单、可靠，自动化程度高。微电网系统的各种电源及设备的运行控制应完全采用无人值守的设计运行，整个系统维护工作量少。③在保证系统安全、可靠的前提下，提供高品质的电能质量，保证当地居民的用电需求。④结合当地自然资源及负荷侧需求响应特性，尽可能高的利用太阳能资源，减少弃光的同时，要保证在连续阴雨天2天内，50%的重要负荷供电需求。⑤系统采用模块化设计，后期扩容方便，满足即插即用的设计需求。

3.典型运行状态

光储微电网主要分为以下4种运行状态。

(1)系统并网运行

系统并网运行时，PCS处于并网运行状态，EMS根据蓄电池的荷电状态判断PCS是否需要对蓄电池进行充电以及以何种方式充电;对于不需要接受功率调度的微网电站，光伏并网逆变器最大功率发电，对需要接受调度指令的微网电站，EMS将调度指令发送给光伏并网逆变器按照指令控制发电功率。

(2)并网向独立切换

在并网状态下如果EMS检测到电网失电或电网故障则控制并网开关断开，同时PCS自动切换到独立运行，以电压源形式启动组建系统电压;光伏并网逆变器因失电停机，EMS在PCS启动完成之后，控制并网逆变器重新启动，系统进入独立运行模式。

(3)系统独立运行

系统独立运行时，EMS的管理原则是通过电源和负荷的管理来维持微网功率的动态平衡，保证母线电压和频率的稳定。此时PCS电压源运行，输出三相交流电压组网，光伏并网逆变器并联运行。此时根据负荷大小与光伏发电等电源的发电功率大小EMS需要对电源和负荷进行管理。

这种情况下系统分为2种运行方式，一是负荷功率大于分布式电源的输出功率，此时各电源最大功率发电，PCS补充负荷剩余部分的功率需求，蓄电池释放电能，EMS实时监测蓄电池状态，当蓄电池放电到截止电压时，EMS应启动负荷管理。负荷管理需要根据实际情况对不同负荷进行分类，优先重要敏感负荷的供电，首先切除不重要负荷直到蓄电池停止放电;二是负荷消耗的功率小于电源输出的功率，此时PCS会给蓄电池充电，同样EMS实时检测蓄电池状态，当蓄电池电量充满后EMS限制电源的功率输出，对可以接受调度的光伏发电系统，根据负荷大小控制其输出，对不能接受调度的发电系统，EMS通过控制其开关机实现对发电功率的控制。对于由多组并网逆变器构成的系统，为降低光伏并网逆变器同时启动对母线电压的冲击，需要根据实际情况(光伏逆变器的控制性能、数量、功率等级等)对其进行分步控制。

(4)独立向并网切换

在独立运行状态下EMS检测到电网电压正常后，首先将PCS运行模式切换为并网运行，PCS自动调整输出电压与大电网的电压同步，然后EMS闭合并网开关，所有设备并网运行，系统进入并网运行模式。

三、应用案例设计分析

1.应用场景描述

具体应用的分布式光储微电网拓扑如图2所示，光伏阵列通过DC/DC智能充电控制器给储能系统充电，后经过DC/AC变流器接入交流母线，该方案广泛应用于光储微电网、光储一体化可控型并网系统以及电动汽车光伏直流充电桩等应用场合。

图2 分布式光储微电网拓扑结构