安科瑞 陳聰

摘要：人類社會飛速發(fā)展的現階段，能源緊缺問題越來越突出，因此開發(fā)新能源是現如今環(huán)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(yōu)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(fā)電技術，闡述了分布式系統(tǒng)的結構與工作模式、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電技術要點，以期能夠實現光伏發(fā)電結構的合理調整，促進我國可再生能源的可持續(xù)發(fā)展。

關鍵詞：微電網；光伏發(fā)電；新能源

1微電網概述

近年來，社會經濟發(fā)展的速度逐漸加快，石油化工能源被過度開發(fā)利用，隨之引發(fā)能源危機問題?；谠摫尘?，新能源技術應運而生，更多企業(yè)開始關注與應用新能源發(fā)電技術，如光伏太陽能發(fā)電、風力發(fā)電等。新能源發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電、配電系統(tǒng)。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(tài)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(jié)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(fā)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(fā)展優(yōu)勢。然而，與傳統(tǒng)電網相比，微電網起步比較晚，也有很多不利因素，其發(fā)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(jiān)管制度也不完善，有待從立法層面進一步優(yōu)化。

2分布式光伏發(fā)電技術

作為用途*為廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其結構包括獨立發(fā)電與并網發(fā)電2類。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)等區(qū)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(fā)電，主要為家庭屋頂光伏發(fā)電、城市交通或照明等。

2.1獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)也被叫作離網光伏發(fā)電系統(tǒng)，為太陽能電池的能量轉化系統(tǒng)，由熱輻射與光產生能量。通常來說，單獨太陽能發(fā)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(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)

太陽能光伏系統(tǒng)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(tǒng)的示意如圖2所示。

2.3分布式光伏發(fā)電的工作模式

光伏發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)、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(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)稱為配電室，能夠為低壓用戶分發(fā)電能。由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)接入電力網絡，才能確保電力供應的穩(wěn)定，如此便構成一個完備的發(fā)電和用電體系。光伏發(fā)電原理如圖3所示

3基于微電網的分布式光伏發(fā)電技術要點

3.1并網控制

若分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)的供電可靠性。分布式光伏發(fā)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(fā)電系統(tǒng)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(xié)調性能問題，應注重在運行過程中協(xié)調控制逆變器的電壓和頻率，以合理地動態(tài)分配其運行負荷。圖3光伏發(fā)電原理

3.2優(yōu)化系統(tǒng)電能質量

通常情況下，分布式光伏發(fā)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(fā)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(fā)電系統(tǒng)會大大降低功率因數cosϑ，導致電機等感性負載無法正常運行，甚至會加大發(fā)熱量。以上情況產生的主要原因在于，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)。因此，若想有效控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質量，借助可調節(jié)功率因數cosϑ，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(tài)無功補償的配置，有效改善并網連接中出現的光伏發(fā)電電能輸出質量問題。

3.3電網結構和配置優(yōu)化

由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)規(guī)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(fā)電的地區(qū)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(qū)設置相應的分布式光伏發(fā)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(tǒng)

4.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統(tǒng)，是我司根據新型電力系統(tǒng)下微電網監(jiān)控系統(tǒng)與微電網能量管理系統(tǒng)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(yè)微電網能量管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、風力發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監(jiān)視光伏、風能、儲能系統(tǒng)、充電站運行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理為一體的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的基礎上以經濟優(yōu)化運行為目標，促進可再生能源應用，提*電網運行穩(wěn)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(yè)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(tǒng)應采用分層分布式結構，整個能量管理系統(tǒng)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(xié)議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統(tǒng)支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

4.2平臺適用場合

系統(tǒng)可應用于城市、*速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。

4.3系統(tǒng)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(tǒng)組網方式

5充電站微電網能量管理系統(tǒng)解決方案

5.1實時監(jiān)測

微電網能量管理系統(tǒng)人機界面友好，應能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)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(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，各子系統(tǒng)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(tài)參數主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

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

系統(tǒng)應可以對儲能系統(tǒng)進行狀態(tài)管理，能夠根據儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)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(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)信息進行顯示。

圖1系統(tǒng)主界面

子界面主要包括系統(tǒng)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(tǒng)計列表等。

5.1.1光伏界面

圖2光伏系統(tǒng)界面

本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)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(tǒng)界面

本界面主要用來展示本系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)PCS狀態(tài)界面

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

圖10儲能電池狀態(tài)界面

本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統(tǒng)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(tǒng)界面

本界面用來展示對風電系統(tǒng)信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、風速/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)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(tǒng)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(jiān)控界面

圖14微電網視頻監(jiān)控界面

本界面主要展示系統(tǒng)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(fā)電預測

系統(tǒng)應可以通過歷史發(fā)電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發(fā)電進行短期、超短期發(fā)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(fā)電計劃，便于用戶對該系統(tǒng)新能源發(fā)電的集中管控。

圖15光伏預測界面

5.1.7策略配置

系統(tǒng)應可以根據發(fā)電數據、儲能系統(tǒng)容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統(tǒng)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(tài)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(tǒng)能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖16策略配置界面

5.1.8運行報表

應能查詢各子系統(tǒng)、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(tǒng)能夠對各子系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

5.1.11電能質量監(jiān)測

應可以對整個微電網系統(tǒng)的電能質量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統(tǒng)電能質量情況，以便及時發(fā)現和消除供電不穩(wěn)定因素。

1）在供電系統(tǒng)主界面上應能實時顯示各電能質量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)監(jiān)測：在電能質量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統(tǒng)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(tǒng)應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

6）電能質量數據統(tǒng)計：系統(tǒng)應能顯示1min統(tǒng)計整2h存儲的統(tǒng)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(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

圖20微電網系統(tǒng)電能質量界面

4.1.12遙控功能

應可以對整個微電網系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調度系統(tǒng)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(tǒng)計報表

具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的發(fā)電、用電、充放電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。對微電網與外部系統(tǒng)間電能量交換進行統(tǒng)計分析；對系統(tǒng)運行的節(jié)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。

圖23統(tǒng)計報表

5.1.15網絡拓撲圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)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(tǒng)拓撲界面

本界面主要展示微電網系統(tǒng)拓撲，包括系統(tǒng)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(tǒng)范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監(jiān)測。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)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(guī)約。

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）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖26用戶權限

5.1.18故障錄波

應可以在系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)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(fā)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。

圖27故障錄波

5.1.19事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發(fā)生時，存儲事故*10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監(jiān)視的數據點可由用戶隨意修改。

5.2硬件及其配套產品

6結束語

分布式光伏發(fā)電技術與微電網技術迅猛發(fā)展的現階段，進一步擴大了分布式光伏設備的實際應用范圍，且并網能力也隨之得到提升。未來發(fā)展中，還會進一步擴充太陽能應用與發(fā)展的空間，為供電領域提供更多能源，*終推動社會經濟的可持續(xù)發(fā)展。

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