天津中新生态城风光储能微网方案设计.docx

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天津中新生态城风光储能微网方案设计

生态城智能营业厅风光储微网方案设计

2010-7-29

1.风光储微网总体设计方案

1.1设计技术原则

（1）微网能统一管理其内部所有分布式电源和负荷。

在配电网发生故障时，微网无缝切换至孤岛运行模式，在该模式下各分布电源不必退出运行而继续发电，保持对微网内负荷的稳定供电。

（2）微网内分布式电源总容量不宜超过上一级变压器供电区域内最大负荷的25%。

分布式电源并网点的短路电流与分布式电源额定电流之比不低于10。

（3）微网内分布式电源向当地交流负载提供电能和向电网发送电能的质量，在谐波、电压偏差、电压不平衡度、电压波动和闪变等方面应满足相关的国家标准。

（4）为保障人身设备的安全，微网内分布式电源宜采用TN-C-S接地型式，并应装设终端剩余电流保护。

（5）微网必须具备与电网调度机构之间进行数据通信的能力，能够采集微网的电气运行工况，上传至电网调度机构，同时具有接受电网调度机构控制调节指令的能力。

微网与电网调度机构之间通信方式和信息传输应符合Q/GDW382-2009《配电自动化技术导则》的相关要求，包括遥测、遥信、遥控、遥调信号，提供信号的方式和实时性要求等。

1.2微网系统构成

生态城智能营业厅低压配电网通过10kV双回线与配电系统相连，配变为2*500kVA，主要以照明负荷及少量动力负荷作为负载。

微网容量配置：

微网容量配置原则是尽量使微网内的多余电力不倒送到主网，且尽可能的增加可再生能源的容量。

项目拟建光伏30kWp，风电5kW，同时拟建25kW*2h储能，选取智能营业厅内约25kW的办公负荷和照明负荷构成0.4kV低压微网。

微网内光伏和风电最大发电容量为35kW，考虑到光伏和风电受阳光和风力条件的约束一般难以达到满发，将微网内最大负荷配置为微网内最大发电容量的70%，即25kW。

由于微网内光伏和风电均为间歇性电源，为了保证在光伏电池和风电在不发电时微网能独立为其内部负载供电，所选取的储能容量必须与微网内最大负荷相当，因此配置25kW*2h的储能系统。

当微网并网运行时，若光伏与风电发电量大于微网内负荷，则将多余功率存储到储能系统中，若光伏与风电出力减小或者不出力时，则可释放储能单元的部分电能。

当微网孤岛运行时，通过对储能系统进行充放电控制，可实现分布式发电系统与微网内负荷的实时平衡，从而保证微网稳定的孤岛运行。

智能营业厅微网结构设计如下图所示：

图2-1智能营业厅微网结构示意图

为了保证微网在孤岛模式下的平稳运行，应根据内负荷的实际无功需求在微网内配置足够容量的无功补偿设备，以保证微网的孤岛状态下能保持电压的稳定。

2.光伏系统建设方案

2.1设计建设原则

Ø太阳能组件的放置位置在楼顶上；

Ø周围的建筑物全年不遮挡整个太阳能系统；

Ø尽量缩短到并网点距离，以减少输电损失。

太阳能组件到并网点的距离一般不超过150m。

Ø楼顶要做好防雷措施，并符合行业标准《民用建筑电气设计标准》（JGJ16-2008）中关于建筑物防雷措施的相关要求。

2.2光伏系统设计方案

由于该方案中光伏发电系统的容量只有30kW，因此可将光伏阵列汇流后通过1台30kW逆变器接入380V交流电网。

光伏发电系统接入电网示意图如下：

图3-1光伏发电系统并网示意图

光伏发电系统的组成包括：

Ø光伏电池组件及其支架；

Ø光伏阵列防雷汇流箱；

Ø直流防雷配电柜；

Ø光伏并网逆变器；

Ø环境监测系统

Ø系统的通讯监控装置；

Ø系统的防雷及接地装置；

Ø土建、配电房等基础设施；

Ø系统的连接电缆及防护材料。

2.2.1太阳能光伏组件

▪太阳能光伏组件选型

（1）非晶光伏组件、晶硅光伏组件与多晶硅光伏组件的比较

非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，但由于其光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。

此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。

而多晶和单晶薄膜电池由于效率高于非晶硅薄膜电池，也不存在效率衰退问题，建设投资收益远远高于非晶材料太阳能电池，因此晶硅光伏组件逐渐占据了市场的主导地位。

单晶硅太阳能光伏组件具有电池转换效率高的特点，商业化电池的转换效率在15%左右，其稳定性好，同等容量太阳能电池组件所占面积小，但是成本较高，每瓦售价约20～25元。

多晶硅太阳能光伏组件转换效率略低于单晶硅，商业化电池的转换效率在13%～15%，在寿命期内有一定的效率衰减，但成本较低，每瓦售价约16～20元。

单晶硅和多晶硅组件使用寿命均能达到25年，其功率衰减均小于15％。

（2）推荐组件

根据性价比本方案推荐采用多晶硅光伏电池组件240Wp太阳能光伏组件，该组件为国产封装组件，必须经过CQC金太阳认证。

表3-1太阳能组件基本参数

峰值功率

240Wp

转换效率

16.94%

峰值电压

29.4V

峰值电流

8.16A

开路电压

36.5V

短路电流

8.5A

最高系统电压

DC1000V

重量

19.93kg（不同厂家可以不同）

外形尺寸

1640×992×50mm

▪太阳能光伏组件串并联方案

本项目光伏并网逆变器选用30kW逆变器，其直流工作电压范围为440Vdc~800Vdc（详见下文“光伏逆变器选型”）。

为防止温度的变化导致直流输入电压的变化，一般取最佳直流电压工作点为电压范围的中间值，以取最佳工作电压为620Vdc考虑。

太阳能光伏组件串联的组件数量NS：

（式中29.4V为光伏组件的峰值电压）

单列串联功率P：

30kW逆变器需要配置太阳能电池组件单列并联的数量NP：

所以，太阳能光伏电伏阵列单元设计方案为：

需安装的太阳能电池组件个数30000/240=125块。

排列方式为21串6列，采用2个汇流箱，每3列并入1个汇流箱输入逆变器。

▪太阳能光伏阵列的布置

根据当地气象局提供的太阳能辐射数据，按上述公式计算天津市不同倾斜面的太阳辐射量，经验数据表明，光伏组件的安装倾角和本地的地理纬度密切相关。

计算表明，天津市纬度38°34'，倾角等于34.8°时全年接受到的太阳能辐射能量最大，比水平面的数值高约20%。

太阳能光伏阵列安装倾角为30°。

光伏电池组件每3列安装在一个平板上，为了避免阵列之间遮阴，光伏电池组件阵列间距应不小于D：

式中φ为当地地理纬度（在北半球为正，南半球为负），H为阵列前排最高点与后排组件最低位置的高度差）。

根据上式计算，求得：

实际工程应用时取光伏电池组件前后排阵列间距3.3米。

具体光伏阵列示意图如下图所示。

图3-2光伏间距设计

太阳能光伏组件阵列每块平板排列面布置如下图所示：

图3-3光伏组件平板排列面布置图

▪总占地面积计算

30kWp光伏发电场由6列（每3列安装在一个平板上）太阳能光伏阵列构成，前后排阵列间距3.3米。

占地面积约（1.67+0.05）*21*（3.3+2*2.598）=306.9平方米。

2.2.2光伏逆变器

光伏并网逆变电源是光伏并网发电系统的核心组成部分，它将太阳能发出的直流电能转化为交流电能馈入电网。

本项目光伏发电系统配置1台额定容量为30kW的并网逆变器。

▪性能特点

选用的光伏并网逆变器建议选用32位专用DSP控制芯片，主电路采用智能功率IPM模块组装，运用电流控制型PWM有源逆变技术和优质进口高效隔离变压器，可靠性高，保护功能齐全，且具有电网侧高功率因数正弦波电流、无谐波污染供电等特点。

并网逆变器应满足的主要技术性能特点如下：

Ø采用32位DSP芯片进行控制；

Ø采用智能功率模块（IPM）；

Ø太阳电池组件最大功率跟踪技术（MPPT）；

Ø50Hz工频隔离变压器，实现光伏阵列和电网之间的相互隔离；

Ø有直流输入手动分断开关，交流电网手动分断开关，紧急停机操作开关；

Ø有先进的孤岛效应检测方案；

Ø有过载、短路、电网异常等故障保护及告警功能；

Ø直流输入电压范围（450V～820V），整机效率高达95%以上；

Ø人性化的LCD液晶界面，通过按键操作，液晶显示屏（LCD），可清晰显示实时各项运行数据，实时故障数据，历史故障数据（大于50条），总发电量数据，历史发电量（按月、年查询）数据；

Ø可提供Ethernet（以太网）远程通讯接口，Ethernet（以太网）接口支持TCP/IP协议，支持动态（DHCP）或静态获取IP地址。

并网逆变器推荐的主要技术参数如表3-2所示。

表3-230kW光伏并网逆变器性能参数表

额定功率

30kW

隔离方式

工频变压器

允许电池最大方正功率

33kW

最大开路电压

850Vdc

太阳电池最大功率点跟踪（MPPT）

440～800Vdc

最大效率

94.5%

总谐波电流

THD（Iac）<4%（满功率时）

功率因数

>0.99（半功率以上）

MPPT精度

99%

夜间自消耗电能

<20W

直流电压波纹

Vpp<10%

防护等级

IP20（室内）

通讯接口

以太网

使用环境温度

-20℃～+50℃

使用环境湿度

0～95%（不结露）

参考尺寸（深×宽×高，单位mm）

600×800×1600

参考重量（kg）

420kg

目前光伏并网逆变器应用较多的是德国SMA，美国的power-one，奥地利的Fronius，国内的阳光电源等，这些牌子的逆变器规格都比较多。

2.2.3环境监测系统

在太阳能光伏发电场内配置1套环境监测仪。

实时监测总辐射（GHI）、环境温度（TEMPA）、电池板表面温度（TEMPB）、风速（WS）、风向（WD）五个参数。

环境监测系统由以下几个部件构成：

Ø采集控制器

Ø总辐射仪 

Ø风速传感器 

Ø风向传感器

Ø环境温度传感器

Ø表面温度传感器

Ø风速风向采集器 

Ø总辐射采集器

Ø防辐射罩 

Ø风杆支架总成 

Ø通讯接口

Ø电源系统

通讯接口可接入并网监控装置的监测系统，实时记录环境数据。

环境监测装置如下图所示。

图3-4光伏电站环境监测系统

2.3与微网集中控制器的接口

在微网中，要求光伏逆变器能与微网集中控制器进行快速的信息交互。

在运行时，光伏逆变器能够将目前的重要运行信息上送集中控制器，并能接收集中控制器的有功和无功调节命令并正确执行，以保证在孤岛运行时，集中控制器能够对所有的发电设备和负荷进行统一分析和调度，完成孤岛运行时微网内部的功率平衡。

由于本项目中选取的光伏逆变器的输出仅为最大功率跟踪结果而不能任意调节，因此微网集中控制器只能控制光伏逆变器的投入或切除。

光伏逆变器与微网集中控制器的通讯接口图如下图所示。

光伏逆变器通过以太网后接入微网集中控制器，同时与光伏逆变器配套的环境监测装置也采用以太网接口将测控信息上送微网集中控制器，微网集中控制器通过控制断路器来实现投入或切除光伏逆变器。

图3-5光伏逆变器与微网的通讯架构

3.风力发电系统建设方案

3.1风力发电机组成及并网方式

本项目中风力发电系统的容量只有5kW，因此可选用风能利用率较高、工作风速区域宽的小型风力发电机，如下图所示。

图3-65kW风力发电机外形图

小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统。

本项目的风力发电系统可采用风力机直接驱动低速交流发电机经变频器的并网方式，风力发电系统由风轮、发电机、整流逆变装置组成，如下图所示：

图3-7风力发电系统并网示意图

1.风轮：

风轮由叶片、转体和尾翼组成。

叶片用来接受风力并通过发电机转换为电能，一般采用3叶片，应具有内阻尼大、动态特性好、韧性好，使用可靠不变形的特点；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能。

2.发电机：

国内目前装机的电机一般分为异步型风力发电机和同步型风力发电机两类。

其中异步型风力发电机包括笼型异步发电机和双馈异步发电机，同步型风力发电机包括永磁同步发电机和电励磁同步发电机。

异步发电机虽然成本较低，但必须与同步发电机并列运行或接入电网运行，由同步发电机或电网提供自身所需的励磁无功，因此异步发电机是电网的无功负载，调压能力很弱。

微网在孤岛运行时需要分布式电源具有较强的调压能力，因此微网中的风力发电机采用同步型电机是比较合适的。

风力发电机有别于普通电机，它是超低速电机，每分钟达到100---400转即能达到设计功率（视型号），而这么低的转速用普通的电机是发不出电的。

风力发电系统中的低速交流发电机，其转子的极数大大多于普通交流同步发电机的极数，因此这种电机的转子外圆及定子内径尺寸大大增加，而其轴向长度则相对较短，为了简化电机的结构，减小发电机的体积和质量，采用永磁体励磁是有利的。

因此建议本项目的风力发电机采用永磁同步发电机。

3.整流逆变装置：

由于IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种结合大功率晶体管及功率场效应晶体管两者特点的复合型电力电子器件，它既具有工作速度快，驱动功率小的优点，又兼有大功率晶体管的电流能力大、导通压降低的优点，因此在风力发电系统中多采用IGBT逆变器。

3.2风力发电机选购建议

建议选购永磁同步发电机型的风力发电机，逆变器选用IGBT逆变器。

小型风力发电系统的参考技术参数如下表所示：

表3-1小型风力发电系统的参考技术参数

额定功率

5kW

最大功率

6kW

额定风速

8m/s

启动风速

3m/s

工作风速

3-20m/s

安全风速

40m/s

输出电压

220V

风轮直径

6m

塔架高

9m

顶部质量（不含塔杆）

285kg（不同厂家可以不同）

 塔架类型/质量

159*5拉索钢管

使用寿命

15-20年

3.3风力发电机安装地点选择

▪安装地点的气象因素

众所周知，风力发电机能将风能转换成电能，一年中风力发电机发电量的大小直接取决于安装地点的风况。

风力发电机安装地点要考虑的气象因素包括：

1）年平均风速

根据实践经验和对宏观风速资料的分析研究，户用型风力发电机组安装地点的年平均风速不宜低于3.0~3.5m/s，如果能满足该条件，就能保证当地的风力发电具有一定的经济性。

2）风速频率分布曲线

如果当地风况是一条比较平缓的风速频率分布曲线，说明当地一年中风速的日变化、月变化都相对较小，有效风速小时数较长，有利于用户对电能的充分利用。

3）无强烈的旋风和切变

风力发电机最容易遭受旋风和切变风速的破坏，风速与风向的剧烈变化，不仅使风力发电机出力发生剧烈波动，而且会使机组叶片承受强烈的振动和应力，轻则极大降低风力发电机的使用寿命，重则会使及其损坏，因此风力发电机应避开设在有这种风况特点的地点。

▪安装地点选择

本项目中的风力发电机可安装在营业厅屋顶。

如果营业厅周围有较高大的障碍物，则要注意：

第一，风机要安装在主风向的上游；第二，与障碍物（周围房屋）的距离应尽量保持在风力发电机组直径的5倍以上；第三，机组塔架应尽量高出障碍物1倍的机组直径。

4.储能系统建设方案

4.1蓄电池选购建议

电力系统蓄能技术主要有抽水蓄能、压缩空气、飞轮蓄能、超导蓄能、超级电容、铅酸电池、锂电池、钠硫电池、液硫电池等方式。

随着智能电网、微网技术的发展，制热、制氢、制冷等新储能方式亦在一些实验项目中出现。

各种蓄能技术的规模和技术成熟度如图4-1所示。

图4-1蓄能技术蓄能规模及技术发展成熟度

各种储能技术在其能量密度和功率密度方面均具有不同的表现，同时电力系统对储能系统不同应用提出了不同的技术要求，很少能有一种储能技术可以完全满足在电力系统中的各种应用，因此，必须兼顾双方需要求，选择匹配的储能方式。

目前比较典型的几种储能方式应用在光伏并网发电中的特性对比如下表所示：

表4-1各种储能方式特性对比

综合比较各种储能类型在新能源分布式发电领域的应用特点，锂离子电池在应用成熟度和能量效率等方面，均比较适合本项目的设计要求，而且考虑到场地因素的制约，电池也宜选用能量密度比较高的锂电池。

目前应用较为成熟的锂离子电池有磷酸铁锂电池、钴酸锂电池和锰酸锂等。

磷酸铁锂电池相对于其他锂电池，虽然能量密度相对较低，但安全性和耐高温性能较好，造价也比其他锂电池低。

因此，建议本项目采用磷酸锂离子电池。

4.2蓄电池组及逆变器

储能系统电池组部分由25kW*2h磷酸锂离子电池模块组成。

选用80Ah、工作电压为3.2V的单体，则所需的单体数量Nd为：

25kW*2h蓄电池由196节80Ah电池单体串联而成则蓄电池组的额定电压Vr为

蓄电池组额定工作电压为627.2V，正常工作电流80A，可输出最大功率25kW，共需要196块单体3.2V的80Ah电池。

蓄电池组的逆变器采用1台额定容量为25kW的并网逆变器。

逆变器选型和要求同光伏逆变器。

4.3储能装置的接入和安装

▪储能装置安装的原则

-蓄能电池接入地点一般选择离重要负荷电气距离近；

-便于安装和维护的地方；

-选择具有公共安全隐患的电池组时，应远离人群、建筑集中的地方。

▪设备及接入方案

结合智能营业厅的电气负荷分布和建筑条件，选择将储能设备安装在营业厅的顶层靠近外墙的设备间。

储能电池通过逆变器接入微网0.4kV母线上。

储能电池柜采用25kWh电池柜1个，规格为：

2.2m×0.8ｍ×1.2m，总重量约500kg。

▪土建条件

-墙壁需三面加厚、一面泄力，泄力墙向楼外；

-楼板应有较强的承重能力；

-远离生活区，设备噪音<65分贝；

-除变电站一般要求外，室外安放沙箱；

-工作环境10℃-40℃之间为宜；

-与墙面距离1m左右（调试、检修和通风）；

-湿度、污秽等级、信号干扰等方面按电站一般要求。

4.4储能充放电控制系统

对于储能系统，设计采用双向逆变器实现、锂离子电池储能系统与交流母线的能量相互。

双向逆变器采用逆变/充电一体机可以实现纯正弦波输出、110/220Aac交流输出电压，以及在交流逆变器中集合了蓄电池充电功能、交流自动切换开关等。

由于它具有与电网并网运行或脱离电网单独运行的双重功能，双向逆变器能够与发电机或者可再生能源系统一起，提供全天候或备用电能。

储能系统配置的监控系统监控范围应覆盖温度（包括电池温度和环境温度）、电流、电池容量等各方面。

对于储能系统的系统各主要运行部位的温度，采用高精度温度传感器实时测量系统温度，以保证系统运行平稳高效。

放电电流以及充电电流的测量也是实时的，系统同时实时监控电压量值，以保证系统运行在最佳状态下，延长系统使用时间。

所有的监控数据均由子系统数据综合之后通过通讯总线系统将监控数据实时传输给微网监控管理系统。

5.微网运行控制方案

5.1微网监控系统架构

图5-1微网通讯网络结示意构图

光伏逆变器、风力发电机、蓄电池逆变器均有相应的控制器实现就地控制，这些控制器采用以太网接入微网集中控制平台，实现微网通讯组网。

微网集中控制平台可通过以太网和配电调度进行通讯。

微网控制中心为一台嵌入控制屏的主机兼操作员站，同时可作为数据库服务器，是微网能量管理系统的主要人机界面，能全面监视整个微网一次设备的运行情况，实时分析微网的运行情况并获得整个微网优化和调整策略并快速自动执行，也能满足运行人员操作时直观、便捷、安全、可靠的需要，同时实现微网重要数据的实时存储。

5.2微网运行方式

微网监控管理系统从配电网调度层、微网集中控制层、分布式电源和负荷就地控制层三个层面进行综合管理和控制。

其中上层配电网调度层主要从配电网的安全、经济运行的角度协调调度微网（微网相对于大电网表现为单一的受控单元），微网接受上级配电网的调节控制命令。

中间微网集中控制层集中管理分布式电源和各类负荷，在微网并网运行时负责实现微网价值的最大化并优化微网运行，在孤岛运行时调节分布电源出力和各类负荷的用电情况实现微网的稳态安全运行。

下层分布式电源控制器和负荷控制器，负责微网的暂态功率平衡和低频减载，实现微网暂态时的安全运行。

1）配电网调度层

微网对于配电网表现为单一可控、可灵活调度的单元，既可与配电网并网运行，也可在大电网故障或需要时与大电网断开运行。

配电网调度层对微网的运行状况进行监测，并可在下列情况下对微网进行控制：

✧当配电网发生扰动时，若微网未在规定时间内脱网进入孤岛运行，则配电网调度机构应立刻断开微网公共连接点处的断路器。

✧微网脱网之后，配电网调度机构应保证在电网电压和频率恢复到正常运行范围之前微网不允许并网。

当配电网电压和频率恢复到正常运行范围后，微网必须经配电网调度机构的允许才得以恢复并网。

✧在特殊情况下（如微网所在的配电网馈线需要检修等），配电网调度机构可向微网集中控制平台发出指令要求微网脱网进入孤岛运行状态。

✧在特殊情况下（如发生地震、暴风雪、洪水等意外灾害情况），微网可在配电调度机构的统一调度下用作配电网的备用电源向受端电网提供有效支撑，加速配电网的故障恢复。

✧在配电网用电紧张时，微网可在配电调度机构的统一调度下利用自身的储能设备进行消峰填谷，从而避免配电网大范围的拉闸限电，减少配电网的备用容量。

✧微网可在配电网调度机构的统一调度下参与电网的电压调节。

2）集中控制层

集中控制层是整个微网控制系统的核心部分，完成整个微网的监视和控制，在保证微网安全运行前提下，以全系统能量利用效率最大为目标，最大限度地利用可再生能源。

微网集中控制中心通过负荷预测和分布电源发电预测，以及当前整个微网的运行情况，实时分析配电网层、DG层、负荷层的情况，采用优化的控制策略进行实时的控制，保证微网在并网模式、孤岛模式和模式切换过程中的平稳运行。

图5-2微网控制中心示意图

微网的集中管理：

✧微网在并网模式下运行时进行能源的优化调度，优化协调各分布式电源的出力和储能的充放电，优先保证可再生能源的最大化利用，同时实现消峰填谷以平滑负荷曲线；

✧并网运行时实时计算发生孤岛瞬间的分布式电源、储能、负荷各自运行控制策略，实现并离网的快速平滑过渡；

✧并离网过渡过程中协调就地控制器，快速完成模式切换；

✧离网时协调各分布式电源、储能、负荷，保证微网重要负荷的供电、维持微网的安全运行；

✧微网停运时，启用“黑启动”策略，使微网快速恢复供电。

3）本地控制层

微网就地保护和控制由一系列就地保护设备和就地控制器组成。

微网就地控制包括储能控制器、分布式电源控制器和负荷监控终端。

在并网模式下，就地控制器在微网集中控制平台的统一控制下完成分布式电源对频率和电压的一次调节，以保证电能质量、平滑负荷曲线；在孤岛模式下，就地控制器在微网集中控制平台的统一控制下，采用适当的分布式电源有功无功调节策略和必要情况下的切负荷策略，实现孤岛状态下的微网平稳运行。

就地保护完成微网的故障快速保护，通过就地控制和保护的配合实现微网故障的快速“自愈”。

微网整体解决方案的三个层面是可以灵活配置的，同时分布式电源逆变器自身具有就地控制器的功率调节功能，因此通过微网集中控制层直接控制负荷开关以及利用分布电源逆变器，双重实现微网功率平衡控制。

同时要预留与配电调度的接口，实现配电调度对微网负荷、分布式电压出力和并离网状态的直接控制。

5.3微网集中控制器

5.3.1孤岛检测

当微网检测出公共连接点处电压、频率发生骤变，或微网有流向配电网方向的短路电流时，应在规定的时间内断开