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淺談基于微電網的分布式光伏發電技術研究與產品應用

點擊次數：175更新時間：2024-11-13

安科瑞劉秋霞

摘要：人類社會飛速發展的現階段，能源緊缺問題越來越突出，因此開發新能源是現如今環境污染與能源緊缺的必然選擇。對此，介紹微電網的結構，對微電網的優勢進行分析，總結了微電網的推廣問題，探討了基于微電網的分布式光伏發電技術，闡述了分布式系統的結構與工作模式、分布式光伏發電系統并網運行中存在的控制問題，提出了基于微電網的分布式光伏發電技術要點，以期能夠實現光伏發電結構的合理調整，促進我國可再生能源的可持續發展。

關鍵詞：微電網；光伏發電；新能源

1微電網概述

近年來，社會經濟發展的速度逐漸加快，石油化工能源被過度開發利用，隨之引發能源危機問題。基于該背景，新能源技術應運而生，更多企業開始關注與應用新能源發電技術，如光伏太陽能發電、風力發電等。新能源發電雖可有效解決能源危機問題，然而因為該技術本身存在發電間歇性問題，尤其是并網過程中*易導致電網形成電力波動現象，影響電能質量和發電量。因此，提出微電網的概念，其核心在于多微電源同時供電，相互補充電源，可滿足小范圍的電力供應目標。分布式光伏發電的微電網結構如圖1所示。

1.1微電網結構

微電網即微網，是電壓等級為400V或10kV的一種現代化網絡結構，也是負載與保護裝置、能源轉換裝置、分布式電源以及儲能裝置等構成的發電、配電系統。從根本上說，微電網對于形式煩瑣、數量較多的分布式電源并網問題解決力度較大，達到分布式電源*效應用的目標。

1.2微電網元件

靜態開關、分布式電源、功率電子設備以及儲能設備等要素共同組成微電網，其中分布式電源指的是負載周邊分布的一種電力，主要將其分成2種，即非再生能源、可再生能源。儲能設備主要為飛輪儲存、*級電容量和蓄電池等。在電網有效功率*于負載要求的情況下，就會存儲剩余電量，以維持電力供需平衡。微電網孤網運行時，可調節儲能設備頻率，從而為微網運行提供保障。

圖1分布式光伏發電微電網的結構

基于該情況，微電網的能源利用率可超過80%。由此可以看出，世界能源互聯網下的微電網存在*大的發展優勢。然而，與傳統電網相比，微電網起步比較晚，也有很多不利因素，其發展受到很多制約因素的影響，如分布式電源具有較*成本，有待進一步提升運行和保護技術標準；電能存儲和生產*須依照負載需求調整，且微電網市場監管制度也不完善，有待從立法層面進一步優化。

2分布式光伏發電技術

作為用途*為廣泛的分布式光伏發電系統，其結構包括獨立發電與并網發電2類。分布式光伏發電系統產生之初多是用于微波中繼站、太空飛船、電視差轉臺以及通信系統等區域。近年來，越來越多的領域開始推廣應用太陽能光伏并網發電，主要為家庭屋頂光伏發電、城市交通或照明等。

2.1獨立光伏發電系統

獨立光伏發電系統也被叫作離網光伏發電系統，為太陽能電池的能量轉化系統，由熱輻射與光產生能量。通常來說，單獨太陽能發電一定要配備能量存儲設備，電池是應用*多的設備。同時，需要配備控制器，主要作用是避免蓄電池過度放電，或者過度充電。在直流電源中，應用的獨立廣電系統核心部件主要為蓄電池組、防反充二*管、電池方陣以及控制器等。

2.2并網光伏發電系統

太陽能光伏系統的主要特點在于，通過并網逆變器轉化直流電成*流電，進而保證交流電能夠與公共電網實現有效連接，向廣大住戶提供更多電力，多余電量直接輸送至電網。在太陽能電池低電量的情況下，有必要做好電力網補充工作。并網光伏系統的示意如圖2所示。

2.3分布式光伏發電的工作模式

光伏發電系統的工作機理在于，通過太陽能電池所具有的光生伏打效應，太陽能電池板將太陽光中的光能轉換為電能供應給客戶。太陽能電池板、配電室、防雷系統、匯流箱以及逆變器等是太陽能電池板的重要組成部分。此外，因為太陽的能量密度較低，所以要求有較大的光電轉換效率，并且要使用匯流箱來降低光電轉換效率。由于光伏太陽能電池所產生的電屬于直流電，因此還*須要有一個逆變器來將直流電變成*流電。同時，為了確保在雷暴天氣下對發電系統中的關鍵部件，如電池面板、逆變器等進行防護，也*須進行初步的防雷設計。具有低壓負載的室內配電場所統稱為配電室，能夠為低壓用戶分發電能。由于分布式光伏發電系統通常在10kV之下，因此只需要設置一個低壓配電室即可。除此之外，還*須在電力供應上安裝一些能量存儲單元，或是將整個系統接入電力網絡，才能確保電力供應的穩定，如此便構成一個完備的發電和用電體系。光伏發電原理如圖3所示

3基于微電網的分布式光伏發電技術要點

3.1并網控制

若分布式光伏發電系統沒有配備相應的蓄電池，則需將其并入電網，以確保該光伏發電系統的供電可靠性。分布式光伏發電有多能量來源、多并網逆變器等特性，所以應充分考慮影響并網控制的相關因素。此外，因分布式光伏發電系統能源產生多借助并網逆變器，且并網運行期間需要*點注意耦合機理，所以涉及控制并網協調性能問題，應注重在運行過程中協調控制逆變器的電壓和頻率，以合理地動態分配其運行負荷。

圖3光伏發電原理

3.2優化系統電能質量

通常情況下，分布式光伏發電的電能輸出主要為直流電，然而用戶端負載多用交流電。若要使用光伏發電所輸出的電能，則需要轉化直流電為特定頻率的交流電，由此就需要應用逆變器。但是，并網運行過程中，正常運行時的逆變器會產生直流分量與諧波，會污染到電網，影響電網得電能質量。特別是電網直接連接用戶側負載時，就算直流分量與諧波非常小，也會嚴重影響到用戶的用電端口負載，造成設備不能順利或正常運行，導致設備遭到損壞。除此之外，在用戶負載中有大量感性負載的情況下，接入分布式光伏發電系統會大大降低功率因數cos?，導致電機等感性負載無法正常運行，甚至會加大發熱量。以上情況產生的主要原因在于，分布式光伏發電系統大多只輸出有功功率，還有可能是電網無功功率補償裝置不匹配光伏發電系統。因此，若想有效控制光伏發電系統的電能質量，借助可調節功率因數cos?，可以對三電平組串逆變器進行輸出，也可通過并聯電容器實現動態無功補償的配置，有效改善并網連接中出現的光伏發電電能輸出質量問題。

3.3電網結構和配置優化

由于分布式光伏發電系統的發電能源為太陽能，而太陽能會因為各地氣候、地理位置等外部因素而存在一定隨機性，而且光伏發電的核心部件即太陽能電池板的能量密度相對較低，相比傳統電網，太陽能電池板的網絡結構存在一定不同。基于以上因素，在電力系統規劃過程中，應*準預估本地可再生能源的分布情況，同時評估負載的可用性、隨機性和合理性。對要進行光伏發電的地區進行現場調查，詳細調查和研究當地的電網、客戶的用電負荷，進而決定在當地的地區設置相應的分布式光伏發電裝置，防止負載過或某一個電網單元負載過大，有效提升地方電網運行的安全性、可靠性。

4Acrel-2000MG微電網能量管理系統

4.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的*進經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提*電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提*電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

4.2平臺適用場合

系統可應用于城市、*速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

4.3系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

5充電站微電網能量管理系統解決方案

5.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

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圖1系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

5.1.1光伏界面

圖2光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.2儲能界面

圖3儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖6儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖8儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖10儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

5.1.3風電界面

圖12風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.4充電站界面

圖13充電站界面

本界面用來展示對充電站系統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

5.1.5視頻監控界面

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圖14微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

5.1.6發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖15光伏預測界面

5.1.7策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態擴容等。

具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

基礎參數計劃曲線-一充一放

圖16策略配置界面

5.1.8運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

5.1.9實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

5.1.10歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

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圖19歷史事件查詢

5.1.11電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖20微電網系統電能質量界面

4.1.12遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

5.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

5.1.14統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

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圖23統計報表

5.1.15網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

5.1.16通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

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圖25通信管理

5.1.17用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

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圖26用戶權限

5.1.18故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提*電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。