上海電氣輸配電集團(tuán) 上海 200042

1 研究背景

上海崇明提出世界級生態(tài)島的建設(shè)目標(biāo),規(guī)劃至2035 年,建成具有全球引領(lǐng)示范作用的世界級生態(tài)島,可再生能源使用率達(dá)到30%,清潔能源使用率達(dá)到80%以上,逐步降低高碳能源使用比例,實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)低碳化[1-2]。

崇明目前的主要發(fā)電機(jī)構(gòu)為上海申能崇明燃?xì)怆姀S、長興電廠及青草沙風(fēng)電場,島內(nèi)變電站數(shù)量偏少,供電半徑過大,電力負(fù)荷分散。崇明零碳島的建設(shè)目標(biāo)為,有序發(fā)展風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源,進(jìn)一步提高可再生能源占一次能源供應(yīng)的比例,建成以可再生能源為主的能源微電網(wǎng)系統(tǒng),最大程度利用生態(tài)島豐富的太陽能、風(fēng)力、生物質(zhì)能提供綠色電力,使區(qū)域資源得到循環(huán)高效利用[3]。

微電網(wǎng)指由分布式電源、用電負(fù)荷、配電設(shè)施、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成的小型發(fā)配用電系統(tǒng)。微電網(wǎng)通過源、荷、儲(chǔ)的協(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)之間的交換功率可控可調(diào),可以減小大規(guī)模分布式電源接入對電網(wǎng)造成的沖擊。微電網(wǎng)內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)電力供需平衡,因此也可以脫離大電網(wǎng)而孤立運(yùn)行[4-5]。

2 現(xiàn)狀與需求

零碳島是崇明生態(tài)島建設(shè)的重要一環(huán),鎮(zhèn)村級區(qū)域微電網(wǎng)項(xiàng)目是主要的實(shí)現(xiàn)手段。以崇明某村為試點(diǎn),在建立田園綜合體的基礎(chǔ)上,以降低能耗為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光、儲(chǔ)等可再生能源的應(yīng)用。

通過多次深入走訪調(diào)研,對現(xiàn)狀與需求進(jìn)行匯總,共有六個(gè)方面。

(1) 當(dāng)?shù)匕l(fā)展對環(huán)保要求高,屋頂太陽能資源較為豐富。

(2) 當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)荷相對較小,潛在發(fā)電能力滿足需求后仍有盈余。

(3) 當(dāng)?shù)乜稍偕茉窗l(fā)電不穩(wěn)定、不連續(xù),并網(wǎng)過程易對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。

(4) 當(dāng)?shù)靥幱陔娋W(wǎng)末端,三相不平衡,電能質(zhì)量差。

(5) 部分供電地區(qū)距并網(wǎng)點(diǎn)較遠(yuǎn),途中有河道阻斷,鋪設(shè)電纜難度高。

(6) 當(dāng)?shù)仉姎饣降?照明系統(tǒng)、充電樁等公共設(shè)施缺乏。

3 工程解決方案

根據(jù)現(xiàn)狀與需求,提出了因地制宜、量身打造的工程解決方案,共分為六個(gè)方面。

(1) 采用100%可再生能源發(fā)電,實(shí)現(xiàn)零排放。

(2) 采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的模式,增加當(dāng)?shù)厥杖搿?/p>

(3) 增加儲(chǔ)能電池系統(tǒng),平滑光伏功率,實(shí)現(xiàn)削峰填谷。

(4) 配置一套靜止無功補(bǔ)償裝置,提升電能質(zhì)量。

(5) 并離網(wǎng)系統(tǒng)共存,由能量管理系統(tǒng)統(tǒng)一管控。

(6) 用電端配備照明系統(tǒng)、充電樁等公共設(shè)施。

根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源情況,分別構(gòu)建集成風(fēng)、光、儲(chǔ)、荷的離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng),以及集成光、儲(chǔ)、荷的并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用400 V低壓供電,并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式,離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)采用自發(fā)自用模式。

并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)包括峰值功率270 kW的多晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng),峰值功率6 kW的薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng),功率100 kW、容量282 kWh的磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng),以及兩路功率60 kW的充電樁、發(fā)光二極管路燈等居民及市政負(fù)荷。離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)采用功率5 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī),峰值功率17 kW的多晶硅光伏發(fā)電設(shè)備,峰值功率3 kW的薄膜光伏發(fā)電設(shè)備,功率24 kW、容量78 kWh的梯次利用動(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng),以及草坪燈、燈帶、水泵等景觀照明負(fù)荷及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)負(fù)荷。

并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)和離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)分別配置一套微電網(wǎng)控制系統(tǒng)。通過控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制,保證微電網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行,并將微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行信息實(shí)時(shí)上傳至能量管理系統(tǒng)。并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)通過網(wǎng)口ModbusTCP協(xié)議進(jìn)行有線通信,離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)通過4G數(shù)據(jù)傳送單元模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信。崇明鎮(zhèn)村級區(qū)域微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 微電網(wǎng)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

崇明鎮(zhèn)村級區(qū)域微電網(wǎng)系統(tǒng)采用分層控制模式與能量管理系統(tǒng)相結(jié)合的協(xié)調(diào)控制策略,分為三個(gè)層次結(jié)構(gòu),分別為調(diào)度管理層、集中控制層、就地控制層[6]。

就地控制層的主要設(shè)備有光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、電能質(zhì)量管理裝置及負(fù)荷等。光伏發(fā)電系統(tǒng)工作于最大功率點(diǎn)跟蹤模式。儲(chǔ)能系統(tǒng)在并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)中工作于恒功率輸出模式,充放電接受調(diào)度;在離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)中工作于恒壓恒頻模式,支持系統(tǒng)電壓和頻率?；谀芰抗芾硐到y(tǒng),對光伏發(fā)電系統(tǒng)的多余電能進(jìn)行存儲(chǔ),保證光伏發(fā)電的最大利用[7]。

5 光伏發(fā)電系統(tǒng)

5.1 光伏發(fā)電組件選型

太陽能光伏發(fā)電組件的材料可以分為晶體材料和薄膜材料兩類。單晶硅電池相比多晶硅電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率,但受制造工藝的限制,單位發(fā)電成本和發(fā)電效率則較為接近,相對差值小于1%。多晶硅光伏發(fā)電組件的產(chǎn)能大于單晶硅光伏發(fā)電組件,因此相對而言,多晶硅光伏發(fā)電組件性價(jià)比高,更具有優(yōu)勢。

圖1 崇明鎮(zhèn)村級區(qū)域微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

薄膜光伏發(fā)電組件因衰減率低、弱光性能佳、外表美觀等優(yōu)點(diǎn),特別適用于建筑幕墻、汽車頂棚等對外觀要求較高的場景[8-9]。

綜合項(xiàng)目現(xiàn)場安裝、屋頂及其它載體類型、財(cái)務(wù)效益、產(chǎn)品供應(yīng)等因素,主要建筑屋頂選擇多晶硅光伏發(fā)電組件,部分特殊載體,如長椅等,則選擇薄膜光伏發(fā)電組件。

并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)包括峰值功率270 kW的多晶硅光伏發(fā)電組件和峰值功率6 kW的薄膜光伏發(fā)電組件,離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)包括峰值功率17 kW的多晶硅光伏發(fā)電組件、峰值功率3 kW的薄膜光伏發(fā)電組件。

屋頂晶硅光伏發(fā)電設(shè)備如圖2所示,長椅薄膜光伏發(fā)電設(shè)備如圖3所示。

5.2 光伏發(fā)電組件布置

系統(tǒng)接收到的太陽能輻射量與光伏發(fā)電組件方陣的安裝形式有很大關(guān)系。目前常見的支架安裝形式主要有固定式、平單軸、斜單軸、雙軸等。除發(fā)電量外,還要考慮運(yùn)行方式的可靠性、設(shè)備價(jià)格水平、建成后維護(hù)費(fèi)用及故障率等因素。項(xiàng)目現(xiàn)場光伏發(fā)電組件基本安裝于屋頂,因此采用固定式支架安裝[10]。

圖2 屋頂晶硅光伏發(fā)電設(shè)備

圖3 長椅薄膜光伏發(fā)電設(shè)備

6 儲(chǔ)能系統(tǒng)

6.1 儲(chǔ)能電池選擇

項(xiàng)目中,并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)選擇磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池作為儲(chǔ)能載體,如圖4所示;離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)選擇梯次利用動(dòng)力電池作為儲(chǔ)能載體,如圖5所示。

圖4 磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池

圖5 梯次利用動(dòng)力電池

磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池具有安全性高、能量密度大、充放電倍率高、使用壽命長等特點(diǎn),是未來最具市場前景的儲(chǔ)能電池。磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池價(jià)格優(yōu)勢明顯,且近年來受到電動(dòng)汽車動(dòng)力電池需求的帶動(dòng),價(jià)格逐年降低。

梯次利用動(dòng)力電池平均使用年限為5～8 a,容量隨充電次數(shù)的增加而衰減。當(dāng)電池容量衰減至80%額定容量以下后,梯次利用動(dòng)力電池不再適用于電動(dòng)汽車。但退役的梯次利用動(dòng)力電池經(jīng)過檢測、維護(hù)、重組等環(huán)節(jié),仍可進(jìn)一步在儲(chǔ)能領(lǐng)域進(jìn)行梯次利用。

6.2 儲(chǔ)能電池與儲(chǔ)能逆變器配置原則

儲(chǔ)能電池與儲(chǔ)能逆變器主要有兩方面配置原則。

(1) 經(jīng)濟(jì)效益原則。電池容量增大,售電收益會(huì)隨之增加,但是由于儲(chǔ)能電池和逆變器成本相對昂貴,隨著電池容量的增大,儲(chǔ)能系統(tǒng)每年的貼現(xiàn)成本也大幅增加,由此造成儲(chǔ)能電池的純收益虧損越來越大。

(2) 儲(chǔ)能電池健康原則。對于儲(chǔ)能電池而言,經(jīng)常性淺充淺放有利于維持儲(chǔ)能電池的使用壽命。配置一定容量的儲(chǔ)能,在白天用于存儲(chǔ)多余的光伏和風(fēng)力發(fā)電量,在夜間供負(fù)荷使用。這樣每日淺充淺放,可以維持儲(chǔ)能電池的使用壽命。

綜合以上原則及現(xiàn)場負(fù)荷情況,并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)選用功率100 kW、容量282 kWh的磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng),離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)選用功率24 kW、容量78 kWh的梯次利用動(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

7 風(fēng)力發(fā)電與負(fù)荷系統(tǒng)

離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)采用5 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī),如圖6所示。

圖6 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷需求較小,當(dāng)連續(xù)陰雨天造成光伏發(fā)電量不足時(shí),風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電作為補(bǔ)充和備用能源,保證可靠供電。

并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)增加兩路功率60 kW的充電樁,以及發(fā)光二極管路燈、燈帶等居民及市政負(fù)荷。充電樁如圖7所示。

離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)增加草坪燈、燈帶、水泵等景觀照明負(fù)荷及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)負(fù)荷。為應(yīng)對現(xiàn)場電氣化水平不高的現(xiàn)狀,增加電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備,利用先進(jìn)的無功補(bǔ)償、諧波治理及電網(wǎng)電流三相不平衡補(bǔ)償技術(shù),優(yōu)化電網(wǎng)末端電能質(zhì)量,滿足高可靠性的供電需求。

圖7 充電樁

8 微電網(wǎng)運(yùn)行控制與能量管理系統(tǒng)

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中,多種分布式電源組網(wǎng)、并聯(lián)運(yùn)行,需要有效的協(xié)調(diào)控制策略。

能量管理系統(tǒng)基于功率預(yù)測結(jié)果,以安全性、可靠性為約束條件,以運(yùn)行成本和環(huán)境效益為目標(biāo),進(jìn)行能量調(diào)度,實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行。

設(shè)備層中央控制系統(tǒng)采用通用可編程序控制器平臺(tái),具有可靠性高、兼容性強(qiáng)、擴(kuò)展方便、維護(hù)簡單等特點(diǎn),主要功能包括穩(wěn)定性控制、潮流控制、黑啟動(dòng)、閾值保護(hù)等。

能量管理系統(tǒng)頁面如圖8所示。

圖8 能量管理系統(tǒng)頁面

8.1 并網(wǎng)點(diǎn)功率交換控制

當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收調(diào)度系統(tǒng)指令,或者根據(jù)設(shè)置的控制約束條件,使微電網(wǎng)與大電網(wǎng)進(jìn)行功率交換控制,控制聯(lián)絡(luò)線功率在設(shè)定值內(nèi)。控制器接收到監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)下發(fā)的公共連接點(diǎn)功率設(shè)定值,協(xié)調(diào)各分布式電源的功率輸出,對儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充放電控制,對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行限功率控制或者最大功率點(diǎn)跟蹤控制,使微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的交換功率保持在設(shè)定值內(nèi)。

具體實(shí)施時(shí)簡化為兩種情況。第一,當(dāng)微電網(wǎng)輸出的有功功率高于上限或者吸收的有功功率低于下限時(shí),微電網(wǎng)中央控制系統(tǒng)采取提高儲(chǔ)能系統(tǒng)充電功率、增加負(fù)荷用電、減小分布式發(fā)電出力等方式,降低微電網(wǎng)的輸出功率或者提高微電網(wǎng)的吸收功率。第二,當(dāng)微電網(wǎng)輸出的有功功率低于下限或吸收的有功功率高于上限時(shí),微電網(wǎng)中央控制系統(tǒng)采取增大分布式發(fā)電出力、提高儲(chǔ)能系統(tǒng)放電功率、減少負(fù)荷用電等方式,提高微電網(wǎng)的輸出功率或者降低微電網(wǎng)的吸收功率。設(shè)計(jì)控制程序時(shí),要考慮安全性、儲(chǔ)能充放電特性,設(shè)置合適的閾值和邏輯。

8.2 并網(wǎng)運(yùn)行與離網(wǎng)運(yùn)行控制

常規(guī)微電網(wǎng)的運(yùn)行模式主要有并網(wǎng)運(yùn)行、孤島運(yùn)行、并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行和孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)運(yùn)行。在項(xiàng)目中分為并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)和離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng),需要分別進(jìn)行并網(wǎng)穩(wěn)定控制和離網(wǎng)穩(wěn)定控制。

并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),微電網(wǎng)通過公共連接點(diǎn)與大電網(wǎng)相連,與大電網(wǎng)進(jìn)行功率交換。為提高可再生能源的利用效率,微電源以最大出力運(yùn)行,儲(chǔ)能系統(tǒng)起平抑微電源出力波動(dòng)、削峰填谷的作用。與此同時(shí),各分布式電源按照中央控制系統(tǒng)下達(dá)的調(diào)控指令調(diào)節(jié),確保聯(lián)絡(luò)線路輸送功率在規(guī)定的范圍內(nèi)。

離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)中,中央控制系統(tǒng)執(zhí)行孤島運(yùn)行控制策略。將儲(chǔ)能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)的主電源,以恒壓恒頻模式運(yùn)行,其它分布式電源則根據(jù)微電網(wǎng)中央控制系統(tǒng)下達(dá)的指令調(diào)節(jié)各自的運(yùn)行出力,實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)部電力供需平衡。當(dāng)分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力不足時(shí),微電網(wǎng)中央控制系統(tǒng)下達(dá)分布式電源或負(fù)荷投切指令。

8.3 緊急控制

微電網(wǎng)系統(tǒng)具備緊急情況下的穩(wěn)定控制功能。

當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),頻率和電壓由配電網(wǎng)支撐,具有較高的可靠性。當(dāng)微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí),由于系統(tǒng)可調(diào)容量有限,如果出現(xiàn)頻率或電壓異常,那么控制系統(tǒng)可以按照既定的緊急控制策略采取切機(jī)或者減載等操作,盡可能使微電網(wǎng)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

8.4 黑啟動(dòng)控制

離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)中,微電網(wǎng)的黑啟動(dòng)控制根據(jù)不同的閾值范圍,執(zhí)行不同的啟動(dòng)策略和次序。啟動(dòng)策略主要根據(jù)微電網(wǎng)中央控制系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)、光伏發(fā)電狀態(tài)與負(fù)荷需求進(jìn)行綜合判斷設(shè)計(jì),在穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、頻率的同時(shí),兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,最大程度利用分布式電源完成系統(tǒng)的黑啟動(dòng)。

9 結(jié)束語

將微電網(wǎng)應(yīng)用于崇明島零碳島建設(shè)中,基于崇明鎮(zhèn)村級區(qū)域項(xiàng)目,構(gòu)建并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)和離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)。隨著國家政策法規(guī)的鼓勵(lì)與引導(dǎo),分布式電源技術(shù)不斷成熟,相關(guān)設(shè)備成本進(jìn)一步下降,微電網(wǎng)在城市、海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)將有廣闊的應(yīng)用空間。