陈维铅，李玉宏，薛仰全，林 莉，许世鹏，刘 明

（1.甘肃省太阳能发电系统工程实验室，酒泉职业技术学院，甘肃 酒泉 735000；2.酒泉新能源研究院，甘肃 酒泉735000）

智能微电网在河西地区的示范运营*

陈维铅1,2，李玉宏1,2，薛仰全1，林 莉1,2，许世鹏1,2，刘 明1

（1.甘肃省太阳能发电系统工程实验室，酒泉职业技术学院，甘肃 酒泉 735000；2.酒泉新能源研究院，甘肃 酒泉735000）

介绍了智能微电网示范工程项目的光伏发电系统、智能配电系统、智能监控系统和储能系统的组成和结构，微电网的并/离网切换模式及运行情况。通过试运行观察和检测，表明本智能微电网即可并网运行，又可离网运行，体现分布式光伏电源、储能系统、电网之间协调运行，凸显智能微电网能量优化调度控制功能。本项目的示范运营，为智能微电网的发展提供工程依据和技术参考，促进智能微电网在河西地区的发展和广泛应用。

智能微电网;并/离网切换;储能;磷酸铁锂电池;光伏发电;智能配电

1 概述

随着分布式发电和可再生能源的开发利用，风力发电、光伏发电等分布式发电并入电网的电能波动性、安全性、稳定性等问题日益突出，为解决这些问题，微电网作为一种有效的解决途径应运而生[1-3]。微电网是由风力发电、太阳能发电、燃气发电等分布式发电，负荷、储能装置和控制系统等组成的独立发电系统[4]。其特点是带有储能装置，可提高微电网运行的灵活性和可靠性，消除分布式发电的波动性，改善电能质量，提高微电网供电可靠性，提升新能源发电的并网能力[5]。

微电网是提高新能源发电供电可靠性的有效途径，在我国南方地区配电网中得到了广泛的应用[6]。我国西部地区风力资源和太阳能资源丰富，新能源发电发展迅速，但是微电网的发展还处于示范研发阶段[7]。本文以酒泉职业技术学院图书馆智能微电网示范工程项目为例，介绍了智能微电网的基本结构、并/离网的切换控制和运行情况，为智能微电网的发展提供工程依据和技术参考，促进智能微电网在我国西部地区的发展和广泛应用，解决新能源发电并网可靠性问题。

2 智能微电网的总体布局

酒泉职业技术学院智能微电网建设在光伏建筑一体化图书馆，其目的是改善光伏发电的电能质量、提高供电稳定性和光伏发电效率，为图书馆的重要负荷提供安全稳定的电能。智能微电网主要由光伏发电系统、智能配电系统、储能系统和集中监控系统等组成，图1为酒泉职业技术学院智能微电网的总体布局。

图1 智能微电网总体布局图

2.1 发电系统

智能微电网发电系统由47kWp多晶硅太阳能电池发电系统和33.6kWp非晶薄膜电池发电系统构成，多晶硅太阳能电池主要在强光下发电，非晶薄膜电池在弱光条件下就可以发电，二者结合保证最长时间发电。单个多晶硅太阳能电池组件功率为235Wp，工作电压约为29.8V，开路电压约为36.9 V，最大工作电流为7.9A，短路电流为8.4A。根据50KW并网光伏逆变器的工作电压范围 （420V以上），每20块多晶硅电池组件串联组成一串，然后每10个电池串联组并列，共200块电池组件，总的

发电功率为47kWp。非晶薄膜发电系统共由336块100Wp薄膜电池组成，最大发电功率为 33.6 kWp。

发电系统配备2台分别为50kW和30kW的光伏逆变器，50kW的逆变器经汇流箱与多晶硅电池组件连接，30kW的逆变器经汇流箱与非晶薄膜电池组件连接，将光伏发电组件的直流电压转换为高频三相斩波电压，并通过滤波器变成正弦波电压，然后输入微电网智能配电系统。

2.2 配电系统

智能微电网配电系统由图书馆负荷、智能配电柜、线路等组成。根据光伏日发电量和储能系统中PCS的输出功率，将图书馆部分负荷接入智能微电网系统。根据接入智能微电网负荷的重要性，将接入微电网负荷又分为重要负荷和非重要负荷。重要负荷为三四楼南侧照明和一楼网络机房，非重要负荷为三四楼照明北侧照明和一楼电子阅览室。智能配电柜由断路器、并网接触器、双向电表、电流互感器、电压互感器等组成，实现智能微电网的并/离网切换运行。

2.3 储能系统

智能微电网设计储能系统的目的是平滑光伏发电系统的功率输出波动，实现微电网离网独立运行，提高微电网供电可靠性。储能系统将光伏发电的输出波动抑制在10%以下，功率最优配比在15 %～20%之间，离网时，在光伏发电系统不发电情况下，至少保证微网内重要负荷6h的供电[8]。

智能微电网的储能系统由ES-100K储能变流器、336块180Ah的磷酸铁锂电池、电池管理系统、通信系统等组成。储能变流器是智能微电网储能系统的核心设备，是实现微电网电量和电池之间能量转换的装置。储能变流器由北京索英公司提供，可以在并网和离网两种模式运行，在并网模式下，根据本地电网信息自动调节有功/无功，来实现对磷酸铁锂电池进行充电和放电控制；在离网模式下，通过VF控制输出电压的幅值和频率，为负荷提供稳定的电压支撑。磷酸铁锂电池由天津中聚公司提供，单体电池容量为180Ah，电压为3.2V，终止充电电压为3.6V，终止放电电压为2.0V，工作温度范围为0～45℃。每2块电池并联组成1串，然后将每串电池串联起来形成储能装置，总电压为537.6V，共存储电量为193Kwh。电池管理系统（BMS）由深圳山特公司提供，主要有以下三方面作用：（1）实时监控储能装置的存储电量、电压、电流，单体电池的最高温度、最低温度、最大电压、最小电压，单体之间的最高温差和最大电压差等；（2）设置储能装置的最高充电量和最大放电量，为最大限度的保护电池的寿命，设置最高充电量为电池容量的85%，最大放电量为电池容量的45%；（3）根据电池容量、环境温度等，控制储能装置的充放电模式和运行状态。

2.4 智能监控系统

图2为酒泉职业技术学院图书馆职能微电网框架图。

图2 智能微电网框架图

微电网的智能控制系统由北京索英公司提供，硬件部分包括主机、19寸显示器、模块电源、以太网交换机、通讯模块、标准网络柜等，软件部分为微电网智能集中监控系统。智能监控系统实现对光伏发电系统、配电系统、储能系统等数据的检测。具体检测光伏发电系统的日发电量、总发电量、直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、逆变器功率和温度等数据；检测配电系统的电压、电流、负荷功率等数据；检测储能系统的双向变流器、电池管理系统、储能装置等设备的基本数据。通过微电网智能集中监控系统，可以实现对微电网并/离网的运行控制，系统控制模式的调节，储能装置基本参数和系统参数的设置等功能。

3 智能微电网的并/离网切换控制

智能微电网的并/离网切换主要为“有缝”切换和“无缝”切换。有缝切换是指微电网在并/离网切换过程中，由于公共连接点（PCC）断路器作用时间较长，出现电源短时间消失的过程。相对于有缝切换，无缝切换是指微电网在并网转离网或离网转并网运行过程中，不出现电源消失的过程。无缝切换方式，可以提高微电网的供电可靠性，适合于电能质

量要求较高的负荷。

本工程项目根据实际需要，采用有缝切换方式，图3为微电网并网转离网“有缝”切换流程图。并网转离网运行过程中，微电网控制中心（MGCC）接受到上层能量管理系统发出计划离网运行指令或检测到并网母线频率、电压超出正常运行范围，或在外电网（国家电网）停电或故障时，MGCC发出指令，快速断开PCC断路器，并切除微网内多余负荷，或根据实际情况切除分布式发电，同时启动主控电源（储能）控制模式。并由功率调度（P/Q）模式切换为恒压（U/?）模式，以恒频恒压输出电能，保证微电网频率和电源的稳定。在切换过程中，微电网的孤岛保护动作，使分布式发电系统退出运行[9]。主控电源启动离网运行恢复重要负荷供电后，分布式发电系统将自动并入微电网系统运行。为了防止发电系统同时启动给微电网带来巨大的冲击，各分布式发电错开启动，并由微电网控制中心控制发电系统逐步启动，在逐步启动过程中，逐步投入被切除的微电网负荷，直到被切除负荷、储能和分布式发电无法调节，发电、储能和负荷用电在离网运行期间达到新的平衡。当微电网控制中心检测到外部电网频率和电压正常时，自动调节为并网运行模式，并恢复被切除的微电网内负荷。

图3 微电网并网转离网“有缝”切换流程图

4 智能微电网的运行分析

并网型智能微电网根据实际需要，可以在并网和离网两种模式运行，并网运行时有外部电网提供微网内负荷功率缺额，或者吸收微网内发出多余的电能。离网运行时，由光伏发电系统和储能系统给微网内负荷提供电能，达到新的能量平衡。

4.1 并网运行

如图2智能微电网框架图，图书馆部分负荷接入微电网，接入部分为微网负荷，未接入部分为剩余负荷，将微网负荷根据实际需要又分为重要负荷和非重要负荷。

智能微电网并网运行时，微电网母线通过公共连接点（微网开关）与电网连接，实现对整个图书馆负荷供电。白天光伏发电充足时，首先为微网负荷供电，其次为图书管剩余负荷供电，多余的电能将通过储能装置储存起来。储能装置达到充电上限时，停止充电，再将多余的电能通过变压器送入电网。当光伏发电系统输出功率小于图书馆用电负荷时，缺额部分由电网提供。夜间光伏发电系统停止运行时，主要由储能系统为图书馆负荷供电，包括微网负荷和剩余负荷。储能装置达到放电下限时，停止供电，由电网为图书馆负荷供电，直到第二天光伏发电系统恢复供电。智能微电网储能装置除了夜间供电外，通过自动调整充放电工作模式，控制输出功率平滑光伏发电输出功率波动，抑制光伏电压波动和闪变，补偿负荷电流谐波，提高光伏发电电能质量和供电稳定性[10]。

图4为并网运行时，智能微电网公共连接点（PCC）处多功能电表数据。由图4可知，电压波形失真度小于2%，符合国家标准（小于3%）。电流波形失真度较大，是由于电流基波较小，造成测量误差，所以电流波形失真度较大，但不影响上网电能质量。根据图4数据和试运行观察，该微电网试运行稳定，上网电能质量良好，达到设计要求，为智能微电网的广泛应用起到示范推广的作用。

图4 微电网PCC处基本数据

4.2 离网运行

智能微电网离网运行，在电网停电或故障时，智能微电网控制中心发出指令，快速断开PCC断路器（微网开关），切除剩余负荷，由光伏发电系统和储能系统为微网负荷供电。当发电充足时，在满足微网负荷用电需求的前提下，多余的电能通过储能装置储存起来。储能装置达到充电上限时，停止充电，电能仍然多余时，智能微电网控制中心将发出指令切除多晶硅发电系统。光伏发电系统停止工作或者不能满足微网负荷用电需求时，启动储能系统为微网负荷供电，储能系统供电1h后，为保证微网重要负荷供电需求，将切除微网非重要负荷。

5 结论

本智能微电网示范工程项目，包含不同光伏发电系统、储能系统、智能配电系统和智能监控系统，实现分布式光伏电源、储能系统平稳友好的并入国家电网。微电网电能质量良好，符合国家要求。即可并网协调运行，实现微电网双向潮流环境下控制保护，体现分布式光伏电源、储能系统、电网智能协调运行；又可离网运行，在外部电网故障情况下，微电网继续为微网负荷供电，保证用电需求，凸显智能微电网能量优化调度控制功能。储能系统在智能微电网中的应用，根据微电网负荷用电需求，通过自动调节充放电工作模式和输出功率大小，平缓光伏发电功率波动，抑制光伏电压波动和闪变，补偿负荷电流谐波，提高光伏发电电能质量和供电稳定性。

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甘肃省科技计划资助项目（1309RTSF043）； 甘肃省科技创新平台专项资助（144JTCF256）。