【史珺博士】智能光伏微電網(wǎng)的特點(diǎn)與構建

隨著(zhù)國務(wù)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(lái)。針對光伏發(fā)電的技術(shù)和應用特點(diǎn)，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(wǎng)技術(shù)，建設以光伏為主、多種新能源為輔、儲能與發(fā)電結合、信息與控制系統完備的智能光伏微電網(wǎng)，才能夠充分發(fā)揮光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)，避免光伏發(fā)電不穩定的缺點(diǎn)，保障供電的穩定性和可靠性，促進(jìn)光伏發(fā)電的全面普及。

二、光伏發(fā)電的特點(diǎn)

光伏發(fā)電具有清潔、無(wú)限量、不受地域限制、運行維護量小等優(yōu)點(diǎn)，因此，相對風(fēng)電、核電、生物智能等可再生能源來(lái)說(shuō)，優(yōu)勢比較明顯。但是，光伏發(fā)電的缺點(diǎn)同樣也很明顯。過(guò)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(diǎn)。但自從2006年光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展以來(lái)，光伏發(fā)電的裝機成本已經(jīng)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(jìn)了光伏裝機容量的迅猛上升。

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

首先，是光伏發(fā)電的不穩定性。光伏發(fā)電的不穩定并非是光伏發(fā)電系統自身的不穩定，而是源于日照的不穩定。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(shí)候，一朵云彩的飄過(guò)會(huì )造成發(fā)電量的巨幅波動(dòng)。從電力供應的角度來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)很大的弊端。目前，采取發(fā)電側并網(wǎng)的地面電站，完全依賴(lài)主干電網(wǎng)進(jìn)行調節，當光伏發(fā)電的容量逐步增大時(shí)，瞬間的大容量波動(dòng)會(huì )給電網(wǎng)造成較大的沖擊。我國的電網(wǎng)設計容許的波動(dòng)，通常不超過(guò)15%，這也意識著(zhù)如果光伏發(fā)電的容量比重超過(guò)這個(gè)比例，那么，發(fā)電量的不穩定有可能造成電網(wǎng)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(shí)間在100瓦左右。這會(huì )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(jìn)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(shí)，光伏發(fā)電無(wú)法提供更多的電力，當負載下降的時(shí)候，光伏發(fā)電也無(wú)法根據負載降低功率。所以，在利用光伏發(fā)電的時(shí)候，要么采用與主干網(wǎng)并網(wǎng)的方式，將主干網(wǎng)作為功率調節池，要么就要采用其它能源進(jìn)行補充，同時(shí)，還必須采用儲能的方式，將負載下降時(shí)產(chǎn)生的多余能量存儲起來(lái)。

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

智能光伏微電網(wǎng)是解決這個(gè)問(wèn)題的唯一手段。

三、智能光伏微電網(wǎng)的特點(diǎn)

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

由于微電網(wǎng)的概念是將發(fā)電系統即電源與負荷置于同一個(gè)區域內，因此，特別適合光伏發(fā)電等能量密度較低的新能源進(jìn)行分布式發(fā)電。同時(shí)，微網(wǎng)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)電不穩定的弱點(diǎn)，充分促進(jìn)光伏發(fā)電及其它可再生能源的大規模接入，有利于促進(jìn)傳統電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的過(guò)渡。

智能光伏微電網(wǎng)指的是，采用光伏發(fā)電作為白天的主要供電電源，同時(shí)利用其它能夠與光伏互補的各種可再生能源的同時(shí)接入來(lái)滿(mǎn)足不同氣候條件下的電力供應，并利用儲能系統和包括微型燃氣輪機等清潔能源作為供電的調節手段，通過(guò)先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現網(wǎng)內的智能控制和網(wǎng)間的遠程調度，保障在負荷與電源發(fā)生變化時(shí)的供電穩定性?？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(wǎng)的特點(diǎn)主要有以下四點(diǎn)：

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(jìn)行供電，即便與主干網(wǎng)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(wǎng)有可能形成較大的沖擊。因此，在一個(gè)微電網(wǎng)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(dòng)性、穩定電力的必要手段。

能夠作為微電網(wǎng)的電源的其它可再生能源有如下幾種：

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

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

生物質(zhì)能電站?？稍诖彐偦蛘咝⌒统鞘兄苓?，利用沼氣進(jìn)行發(fā)電，作為微電網(wǎng)的補充能源。沼氣發(fā)電可與垃圾處理、有機肥的生產(chǎn)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(dòng)性，尤其是在光伏發(fā)電量下降的時(shí)候對光伏發(fā)電進(jìn)行補充，同時(shí)，也能夠因地制宜，充分利用微電網(wǎng)所在地區的各種可再生能源和資源。

2)儲能技術(shù)

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

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

釩流體電池。該技術(shù)采用釩化合物作電解質(zhì)，通過(guò)釩的不同電價(jià)的轉換進(jìn)行充放電。優(yōu)點(diǎn)是容量大、電流密度大、供電穩定、充放電次數多(使用壽命長(cháng))、充放電效率高;缺點(diǎn)是，且目前成本較高，產(chǎn)業(yè)化不夠成熟，市場(chǎng)規模受釩資源限制。

飛輪儲能。優(yōu)點(diǎn)是充放電次數多、電流密度大、供電穩定、無(wú)化學(xué)反應;缺點(diǎn)是自放電較嚴重。

超級電容。優(yōu)點(diǎn)是電流密度大、充放電次數多、壽命長(cháng)、無(wú)化學(xué)反應;缺點(diǎn)是自放電嚴重，單次儲能時(shí)間較短，產(chǎn)業(yè)化程度不夠。

以上各種新型儲能技術(shù)目前均存在成本較高的情況。但隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)化程度的不斷成熟，相信產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、穩定性均將有大幅提高，成本也可以大幅度下降。

微電網(wǎng)的儲能系統要滿(mǎn)足以下三種情況的要求：1)在電源或電網(wǎng)事故情況下，儲能系統能夠迅速替代電源，為微電網(wǎng)內部的負荷供電;這種情況，儲能系統相當于緊急備用電源的角色，要求電流密度大;2)在微網(wǎng)內大型負荷啟動(dòng)時(shí)，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(mǎn)足負荷的啟動(dòng)要求，需要儲能系統提供瞬時(shí)大電流;3)在光伏以及其它電網(wǎng)發(fā)電不足時(shí)，起到為微網(wǎng)內負荷供電的功能。

目前，上述各種儲能技術(shù)難以同時(shí)滿(mǎn)足以上三個(gè)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(kāi)各自的缺點(diǎn)，而滿(mǎn)足微電網(wǎng)的儲能需求。

3)電力質(zhì)量控制與保護系統

智能光伏微電網(wǎng)的每個(gè)網(wǎng)內，都有電源和負荷。設計時(shí)，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)電自身的不穩定性，這種匹配只能在理想狀態(tài)下實(shí)現。負載的變化、電源的波動(dòng)，都需要通過(guò)儲能系統進(jìn)行調節。

每個(gè)微網(wǎng)都需要有一個(gè)微網(wǎng)控制中心，除了監控每個(gè)電源、負荷和儲能的電力參數、開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電力質(zhì)量與能量參數外，還要通過(guò)開(kāi)關(guān)控制對上述內部的電力調度進(jìn)行控制，此外，微網(wǎng)控制中心還要對每個(gè)裝置內部進(jìn)行控制和調節，這種調控可以通過(guò)每個(gè)裝置的本地控制器來(lái)進(jìn)行，但必須與微網(wǎng)控制中心聯(lián)網(wǎng)。

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

微電網(wǎng)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(wǎng)內部，必須根據負荷的阻抗性質(zhì)配置相應的補償系統。另外，多電源的并網(wǎng)可能會(huì )造成網(wǎng)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(wǎng)的信息系統

而由于儲能成本的限制，儲能系統對于負荷和電源變化的調節不可能是無(wú)限的。因此，微電網(wǎng)在正常運行時(shí)，最好采取與主干電網(wǎng)并網(wǎng)運行的方式。在微電網(wǎng)的電源故障情況下，電網(wǎng)可以為微電網(wǎng)進(jìn)行供電，而在微電網(wǎng)的負荷停機時(shí)，微電網(wǎng)要向電網(wǎng)發(fā)電。為此，需要進(jìn)行微電網(wǎng)與主網(wǎng)的潮流控制，其中，微電網(wǎng)和主網(wǎng)要進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交換。

通常，主干電網(wǎng)對于微電網(wǎng)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(wǎng)對于這種變化需要一定的時(shí)間響應。如果是瞬時(shí)大容量的變化，無(wú)論是發(fā)電還是供電，都會(huì )對電網(wǎng)帶來(lái)影響。為此，微電網(wǎng)內部的控制系統需要與主干網(wǎng)的電力調度系統聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息通訊，要做到在電源或負荷變化時(shí)，先用儲能系統調節供電，同時(shí)，通過(guò)信息系統將信息通報給主電網(wǎng)，并給主電網(wǎng)以充足的時(shí)間進(jìn)行調度，這樣，就可以保證微電網(wǎng)的供電和主電網(wǎng)的穩定。

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

四、智能光伏微電網(wǎng)的構建

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

由圖1可以看出，智能光伏微電網(wǎng)由光伏、微風(fēng)發(fā)電、微型燃機發(fā)電等電源系統，釩電池、超級電容和飛輪等儲能系統，網(wǎng)內負載，輸配電系統、保護系統和微網(wǎng)控制中心(微網(wǎng)控制器)組成。所有的發(fā)電系統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(wǎng)控制中心，并通過(guò)微網(wǎng)控制中心送到外電網(wǎng)。

微電網(wǎng)通過(guò)隔離變壓器和保護裝置與外電網(wǎng)相連。微電網(wǎng)可以并網(wǎng)運行，也可以脫離主電網(wǎng)進(jìn)入孤島運行模式。微網(wǎng)控制器對微電網(wǎng)的內部運行進(jìn)行統一控制和調度，同時(shí)負責與外部電網(wǎng)的調度。

智能光伏微電網(wǎng)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(fēng)力、水力、沼氣等資源，進(jìn)行發(fā)電系統的容量配置和選址，并根據負荷的用電需求和電源的容量以及發(fā)電的時(shí)間特性進(jìn)行儲能系統和微型燃機發(fā)電系統的設計，最后，從組網(wǎng)的角度進(jìn)行整個(gè)微電網(wǎng)的組網(wǎng)設計。

在智能微電網(wǎng)監控主站系統的設計上，必須充分考慮與配網(wǎng)自動(dòng)化系統平臺在系統建模、維護、信息共享、運行管理等方面的一致性，針對微電網(wǎng)內部不同廠(chǎng)家的設備，要進(jìn)行規范性、標準性的建模與規范設計，嚴格遵循國網(wǎng)公司制定的標準與規范設計，包括：國際標準IEC61968、IEC61970等，并提供開(kāi)放的應用編程接口(API)，有利于系統今后的功能擴充。系統將商用關(guān)系型數據庫和實(shí)時(shí)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、報表系統以及對外部系統的數據接口。

多個(gè)微電網(wǎng)之間可以通過(guò)主干網(wǎng)相連，也可以直接通過(guò)一個(gè)獨立于現有公網(wǎng)之外的新的子網(wǎng)相連。微電網(wǎng)之間的調度通過(guò)遠程調度系統實(shí)現。不同微電網(wǎng)之間的互聯(lián)能夠減少主電網(wǎng)的負擔，增加電網(wǎng)的穩定性，并在主網(wǎng)故障時(shí)，為主網(wǎng)提供必需的電力。

設計之后，進(jìn)行微電網(wǎng)的設備選型，要求是可靠性，智能性，和開(kāi)放性。

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

運行調試首先進(jìn)行孤島運行調試，對各裝置的啟停和切換進(jìn)行調試，同時(shí)，觀(guān)察負載變化時(shí)儲能系統的調節能力。然后進(jìn)行并網(wǎng)調試，觀(guān)察光伏電站等電源接入和斷開(kāi)時(shí)，電網(wǎng)的調節能力和電力質(zhì)量的波動(dòng)情況。還要進(jìn)行各類(lèi)保護試驗。

智能光伏微網(wǎng)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(jìn)行系統維護，保證光伏發(fā)電的最大出力，其次，對于其它發(fā)電系統如風(fēng)力、水電、生物質(zhì)能、微型燃機等設備進(jìn)行維護，而且，還要對于配網(wǎng)、保護、控制中心進(jìn)行維護。因此，對于微電網(wǎng)的維護要求要比傳統電網(wǎng)的配電維護要高出許多。這要求微網(wǎng)公司的業(yè)主或微網(wǎng)系統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(shù)要求比較高，需要經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的職業(yè)培訓。

智能光伏微網(wǎng)的運行需要與主干網(wǎng)有及時(shí)和充分的信息交互，每個(gè)微網(wǎng)控制中心要與電網(wǎng)的調度系統和SCADA系統進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通訊，這樣才能保證微電網(wǎng)與主干網(wǎng)能夠相互支持，而減少或消除相互的影響。多個(gè)微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，要有自己的縣域甚至省域SCADA系統，可通過(guò)公用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行遠程通信。而微電網(wǎng)的業(yè)主可以通過(guò)控制中心對于各個(gè)微電網(wǎng)的運行情況、設備狀態(tài)、電力參數和電力質(zhì)量進(jìn)行監控，對各微電網(wǎng)的設備進(jìn)行遠程監控。

五、結語(yǔ)

智能光伏微電網(wǎng)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(lái)，并能夠克服光伏發(fā)電和其它新能源發(fā)電的弱點(diǎn)，保證光伏發(fā)電的穩定性，充分發(fā)揮新能源清潔和可再生的優(yōu)點(diǎn);微電網(wǎng)的建設可減少電網(wǎng)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、天然氣等能源節約下來(lái)作為原材料而不再是燃料使用。而隨著(zhù)微電網(wǎng)的數量的增加與互聯(lián)，能夠將城市、城鎮和農村的大量工業(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化帶來(lái)的新增用電需求，而且也對原有的電力需求予以規模性的替代，對于實(shí)現第三次工業(yè)革命有著(zhù)極其重要的意義。