生态城智能营业厅风光储微网方案设计最终稿.docx
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生态城智能营业厅风光储微网方案设计最终稿
中新生态城智能电网综合示范项目智能营业厅微网设计方案
1.微网总体设计方案
1.1项目背景
为满足中新天津生态城智能电网综合示范工程作为国家电网公司坚强智能电网建设第二批试点项目的建设要求，智能营业厅微网是天津生态城智能电网建设中的一项重要示范内容。
它通过三种分布式能源：
风力发电、光伏发电、储能设施等的建设，供应照明以及一部分动力负荷，并通过一定的电气联系和设施监控构成低压微网。
这一示范内容将有效展现微网结构对不同分布式可再生电源出力的充分利用与调控，以及微网的离网运行能力和它所带来的高可靠性，和微网与配电网络间的配合。
建设成与智能用电发展定位相匹配，具有信息化、自动化、互动化特征的可靠、自愈、灵活、经济、兼容、高效、集成的智能营业厅微网系统。
实现资源的合理配置，提高能源利用效率；优化能源的利用，支持可再生能源、分布式发电的接入，能够与发电侧及用户高效交互与互动；实现电网与用户的实时互动响应，提高供电的高可靠性和能源利用效率，创造舒适、安全、便捷、高品位生活环境；倡导节能、环保、低碳的社会理念和新生活方式；实现政府、社会、电力企业、开发商和用户的共同价值，为今后智能用电的建设起到示范作用。
1.2总体设计原则
1.2.1建设依据
根据国家电网智能〔2009〕909号文件《关于下达智能电网试点工程项目计划的通知》要求，按照“统一规划、统一标准、统一建设”的智能电网建设原则，按照公司总体部署，有序推进北京地区智能用电小区示范工程建设。
主要指导性文件：
《统一坚强智能电网发展规划纲要》；
《自主创新、国际领先统一坚强智能电网用电环节报告》；
《统一坚强智能电网第一阶段重点项目实施方案综合报告》；
《国家电网公司“十一五”电网发展建设方案及2020年远景目标》；
《国家电网公司关于加快电力营销现代化建设指导意见》；
《国家电网公司“十一五”营销现代化建设发展建设方案》；
《国家电网公司“十一五”电力营销发展建设方案》；
《国家电网公司营销技术支持系统功能规范》；
《国家电网公司电力需求侧管理实施办法》；
《国家电网公司深化电力需求侧管理，巩固和开拓电力销售市场工作的指导意见》；
《国家电网公司智能用电服务体系框架研究报告》；
《国家电网公司智能用电关键装备研究框架》；
《国家电网公司智能电网关键技术研究框架》；
1.2.2建设原则
1）体现研究成果，展示示范效果
在智能营业厅的建设中应用智能用电研究成果，全面展现智能用电所倡导的先进理念，体现智能电网内涵，向全社会直观展示，增强社会的感知度和认知度，为智能用电的建设起到示范、展示和应用指导的作用。
2）倡导节能环保，践行社会责任
通过智能营业厅的微网系统建设创新电力公司与用户新型用能关系，实现电力公司和用户的双向互动，创造节能、友好、低碳的用能环境，鼓励清洁能源消费，倡导节能减排的生产生活模式。
3）提高企业效益，增强服务水平
提高供用电的智能化水平和国家电网公司企业经营效益，同时为用户提供多样化的服务，增强服务能力、提高服务水平。
4）全面总结评估，奠定建设基础
通过示范工程建设和运行，搭建支撑平台，尝试智能小区应用技术，在技术应用、业务转型和践行社会责任方面积极探索，考核各种技术、设备的成熟度，并进行全面总结和评估，为今后国内外智能用电项目建设提供示范和样本。
1.3微网系统总体构成
该微网项目由营业大楼内配电室低压母线至户内用电末端的供电结构，利用太阳能、风力、冷热电联产等多种形式发电，采用智能优化配置与管理，提高供电可靠性和能源利用效率，应用先进的微网技术为营业厅内提供智能化、多样化的用电服务，体现出智能电网对于提高供电可靠性和能源利用效率所提供的技术支持，倡导节能、环保、低碳的生产生活模式。
营业厅微网系统接线构成如下：
图1-1营业厅微网系统接线图
如图所示，主要包括分布式电源，用电负荷和微网控制系统三大部分。
分布式电源包含光伏发电、风力发电及储能系统，用电负荷包括动力负荷，重要负荷和室内用电三类。
微网控制系统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。
分布式电源中的风机和光伏电池最大发电容量37KW，其中光伏电池31KW，风机6KW。
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光伏发电系统最大容量的50%，即15kW。
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15kW*4h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。
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保护设备，以保证微网的孤岛状态下能保持电压的稳定。
2.光伏发电系统建设方案
2.1系统构成
系统由八个大部分的设备组成：
在屋顶铺设太阳能板组件（太阳能板阵列）、汇流箱、交流配电柜、直流配电柜、并网逆变器、环境监测系统（系统监控器、环境温度传感器）、其他配件等。
2.2系统选型
表2-1系统选型汇总表：
序号
名称
型号规格
数量
1
电池组件
LNPV-190Wp
168块
2
光伏方阵防雷汇流箱
SPVMB-6
2台
3
直流防雷配电柜
SDCPG-1（30KW）
1台
4
并网逆变器
SMC10000TL
3台
5
交流防雷配电柜
SACPG-1（30KW）
1台
6
系统连接线
－
1套
7
监控系统
SPS－PVNET
1套
8
环境监测仪
SSYW-01
1台
2.2.1太阳能光伏组件
1）太阳能光伏组件选型
当前太阳能光伏电池可以分非晶硅薄膜太阳能电池、多晶和单晶薄膜电池三大类。
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。
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。
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。
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
根据质量可靠性和发电转换效率的要求，本方案推荐采用单晶硅光伏电池组件190Wp太阳能光伏组件，该组件为国产封装组件，经过CQC金太阳认证。
预计31.92KW，采用168块LN190太阳能电池。
LNPV-190型高效单晶硅太阳能电池组件在标准测试条件下的性能参数:
表2-2太阳能组件基本参数
（注：
标准测试条件为环境温度25℃，太阳辐照度为AM1.5，1000W/m2）
序号
参数名称
具体参数
1
型号
LNPV-190Wp
2
型式
单晶硅光伏电池组件
3
尺寸结构
1590*808*42MM
4
使用粘合胶体类型
中性密封硅胶
5
在AM1.5、1000W/m2的辐照度、25℃的电池温度下的峰值参数：
5.1
标准功率
190W
5.2
峰值电压
36．44V
5.3
峰值电流
5.22A
5.4
短路电流
5.59A
5.5
开路电压
44.05V
6
最大开路电压（在AM1.5、1000W/m2的辐照度、-10℃时的开路电压）；
46V
7
峰值电流温度系数
（0.050±0.010）%/℃
8
峰值电压温度系数
-（70±10）mV/℃
9
短路电流温度系数
（0.065±0.015）%/℃
10
开路电压温度系数
-（80±10）mV/℃
11
温度范围
-40℃-+85℃
12
功率误差范围
+5%
13
表面最大承压
5400帕
14
承受冰雹
直径25MM,速度23M/S
15
接线盒类型
密封防水
16
接线盒防护等级
IP65
17
接线盒连接线长度
正极900MM，负极900MM
组件尺寸：
太阳电池的输出特性:
图2-1光伏电池尺寸及特性
组件在标准测试条件下，开路电压=36.44V，短路电流=5.59A，最大功率点电压=26.6V，最大功率点电流=5.22A，最大功率=190Wp参数（测试标准：
①光谱辐照度1000W/㎡②光谱AM1.5③电池温度25℃）
备选光伏电池组件：
采用另一种型号的单晶光伏电池，单块电池同样标准功率。
表2-3SL190CE-40M技术参数表
型号:
SL190CE-40M
最大功率（W）
190
适宜电压（Vmp）
40.64
适宜电流（Imp）
4.67
开路电压（Voc）
49.04
短路电流（Isc）
5.00
电池尺寸:
125*125单块
单块峰值电压（V）
35
单块峰值电流（A）
5.43
电池数量（pcs）
8*10
电池品牌
JetionCell
组件尺寸（mm）
1340*1050*40
环境温度
-40°Cto+85°C
功率允许误差
±5%
表面最大负载能力
2400Pa
单块重量（KG）
16.3
接线盒类型
通过TUV认证
旁路二极管额定电流（A）
12
电池效率（%）
16.53%
组件效率（%）
13.85%
组件保证
90%可使用10年，80%可使用25年
标准测试条件
AM1.51000W/㎡25+/-2°C
包装
木盒
1*20'
14Pallets/370pcs
1*40'STD
28Pallets/756pcs
组件平面图
图2-2备选光伏电池尺寸及特性
2.2.2光伏方阵防雷汇流箱
对于大型光伏并网发电系统，为了较少电池组件与逆变器之间连接线，以及日后维护方便，通常情况下，需要在电池组件与逆变器之间增加直流汇流装置。
按照本系统并网发电的设计要求，需配置1台光伏方阵防雷汇流箱，其性能特点如下：
户外壁挂式安装，防水、防锈、防晒，能够满足室外安装使用要求；
可同时接入6路太阳电池串列，每路串列的电流不大于10A；
每路可接入最大太阳电池串列的开路电压不大于DC900V；
每路太阳电池串列配有光伏专用高压直流熔丝进行保护，其耐压值不小于DC1000V；
直流输出母线的正极对地、负极对地、正负极之间配有光伏专用高压防雷器；
直流输出母线端配有可分断的直流断路器；
图2-3光伏方阵防雷汇流箱接线原理图
2.2.3直流防雷配电柜
系统按照2个直流配电单元进行设计，接入6路直流防雷汇流箱进行汇流，汇流后接至3台逆变器。
直流防雷配电柜的每个配电单元分别配有可分断的直流断路器、防反二极管和防雷器。
图2-4直流防雷配电柜的原理框图
2.2.4环境监测系统
系统可配置1套环境监测仪，用来监测现场的环境情况：
图2-5环境监测系统
该系统对光伏电站系统进行全面的性能分析；精确测量日照辐射、组件温度、环境温度和风速、风向等环境参数；通过RS-485与SolarPowerManager进行通讯，易于在光伏电站安装。
表2-4技术参数
通讯接口
连接到数据采集器
通过RS-485连接到SunnyManager上
传感器
太阳辐射
精度：
±8%
范围：
0~1500W/㎡
组件温度
精度：
±0.1℃
范围：
-40~150℃
环境温度
精度：
±0.1℃
范围：
-40~150℃
风速
精度：
±（0.3+0.03V）m/s
范围：
0~75m/s
风向
精度：
±3°
范围：
0~360°
电源
外接适配器
5±0.3V/3W
防护等级
IP65
体积与重量
宽/高/厚（mm）
120/90/50
重量
500g
2.2.5交流防雷配电柜
系统配置1台交流防雷配电柜，内含系统发电计量表、交流电网电压表和输出电流表，以及交流防雷器。
交流防雷配电柜低压配电单元接线图如下：
图2-6交流防雷配电柜
2.2.6监控及通讯装置
光伏并网发电系统采用高性能工业控制PC机作为系统的监控主机，配置光伏并网系统专用网络版监测软件SPS-PVNET（Ver2.0），采用RS485通讯方式，可以连续每天24小时不间断对所有的并网逆变器运行状态和数据进行监测。
监控主机的系统特点如下：
嵌入式低功耗IntelULV赛扬400MHzCPU卡；
带LCD/CRTVGA；
双网络；
USB2.0；
数字输入/输出和音频；
256M内存（可升级）；
40G笔记本硬盘（可升级）；
工控机和所有光伏并网逆变器之间的通讯可采用RS485总线。
2.2.7并网逆变器
光伏并网逆变电源是光伏并网发电系统的核心组成部分，它将太阳能电池阵列发出的直流电能转化为交流电能馈入营业厅的配电母线。
光伏组件设计容量：
31.92kW光伏逆变器：
采用额定功率为10kW，效率达到97.7%的SMA小型型逆变器SMC10000TL产品3台，组成AC400V光伏发电电源。
单台逆变器，尺寸468x613x242；重量40千克。
接线方式如下：
图2-7光伏逆变器接线示意图
1）SMC10000TL电气连接要求
（1）光伏阵列要求
SMC10000TL并网逆变器设备有6个光板连接插头，每组光电板的连接电缆配置MC-3型的连接插头（公、母各一个）。
光伏组件每14块串联为一串，共计12个组件串，每台SMC10000TL逆变器配对4个组串，SMC系列产品自身具有5组接口，安装维护更加便捷。
（2）输出要求
单台SMC10000TL输出220V、50Hz交流电
表2-5逆变器输出
额定交流输出功率
10000W
电网工作电压范围
220V-240V
电网工作频率
50Hz
电流谐波THD
<4%
短路保护
电流控制
电网连接方式
交流端子
2）并网逆变器的电气安装接口
图2-8逆变器电气安装图
“A”：
接电池方阵直流输出；
“C”：
接系统母线；
“B”：
接通讯线；
图2-9逆变器电气安装图
其中，“A”：
接电池方阵直流输出，直流输入1路，插头选用Multi-contact3mm、即MC-3，公、母各一个。
如上图示。
图2-10逆变器电气安装图
通讯线采用屏蔽双绞线4*0.2mm2，三台并网逆变器通讯线两两相连。
2.2.8与控制系统的接口
在微网中，要求光伏逆变器能与微网控制系统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。
2.3系统安装其他要求
布置地点：
楼顶无遮阳处，每行之间的间隔最少要1.7米。
对土建的要求：
无特别要求，每平方米承重50Kg就可以。
为不破坏屋顶防水，最好使用做好的水泥基础，两旁用钢丝固定。
与储能、微网等系统的接口：
控制逆变器单独接口，无需特别设计。
3．风力发电系统建设方案：
3.1系统构成
系统由三个大部分设备组成：
风力发电机组，整流控制器，并网逆变器。
图3-1风力发电系统联网接线图
3.2系统选型
3.2.1.设计参考依据
★风力资源丰富，年平均风速3m/s以上，无经常性剧烈变化风速与风向。
★可靠性：
保证风力发电机组接近满负荷运行的时间在2000小时／年左右。
★系统供电参数：
供电电压220VAC
供电频率50Hz
表3-1系统选型汇总表
序号
名称
型号规格
数量
1
风力发电机
（低风速型）
HY-1000L48
（5叶片）
6台
2
塔杆
4——6米
6套
3
并网逆变器
WB2500（2500W）
3台
4
系统连接线
－
1套
5
监控用电脑
商用电脑（21寸液晶，4G内存，250G硬盘）
1台
3.2.2风力发电机组件
项目中风力发电系统容量为6kW，风机产生的电能可以直接向用户提供，也可以将多余部分直接送入电网，而不需要储存在蓄电池中。
由于节省了成本昂贵且维护费用极高的蓄电池组，这些风力机并网技术的使用节省了巨大的支出成本。
此外由于生态小区筑相对密集，风力机组安装受空间约束较大，综合考虑当地风速、空间及人文环境等因素，可选取体积较小、结构紧凑的小型永磁式低速风力发电机。
这里选择6台1kW单相小型低速风力发电机并联组合，经整流器、逆变器等装置输出三相380V电压直接连接微网供电。
该风力发电机组，风能利用率高，发电风速低，工作风速区域宽，抗大风能力强，噪音小，适合生态小区内安装。
风轮部分采用5叶片，层流翼型，升阻比高，性能优良。
叶片选用玻璃钢纤维，具有内阻尼大、动态特性好、韧性好，使用可靠不变形。
风轮与发电机采用柔性连接，运行平稳无震动、噪音小。
发电机部分采用超载强轴承，长效润滑无须保养。
其转子用永久磁钢制成，所以叶轮旋转带动发电机转子旋转时即产生电能，风力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，而这么低的转速用普通的电机是发不出电的。
另外风机还配有避雷针、减震器等安全设施。
1）风力发电机技术参数：
图3-2风力发电机结构示意图
考虑生态城当地风速、负荷及安装环境有情因素。
建议选择如下：
表3-2风力发电机技术参数表
起动风速
2（m/s）
额定风速
12（m/s）
切入风速
2.5（m/s）
额定电压
48V（DCV）
额定功率
1000（W）
最大功率
1200（W）
风叶直径
1.8（m）
风叶数量
5（pcs）
安全风速
60（m/s）
整机重量
27（kg）
大风保护
泄荷及电磁制动
电机最高温升
额定负载85℃
工作温度
-20℃至40℃
图3-3风力发电机实物图
3.2.3逆变器
并网逆变器是风力发电并网发电系统的核心组成部分，它将风力发电系统发出的直流电能转化为交流电能馈入营业厅的配电母线。
风力发电机组设计容量：
5kW光伏逆变器：
采用额定功率为2.5kW效率达到97.7%的SMA小型型逆变器SMCWB2500产品3台。
单台逆变器，尺寸440x299x214；重量25千克。
其内部安装显示屏以显示数据，也可以通过标准通讯接口（RS232和RS485）、电力载波或无线数据传输方式等对风力发电系统进行监控、诊断、数据显示、存储和远程维护等。
接线方式如下：
图3-4风力发电系统联网接线图
3.3风力发电系统安装环境
1）气候因素
由于风力发电受环境、气候等影响非常大，因此要根据当地平均风速和风力发电机组输出功率特性曲线来确定，保证风力发电机组接近满负荷运行的时间在2000小时／年左右。
风力发电机功率曲线图如下：
图3-5风力发电机功率曲线图
因此风力发电系统安装地点年平均风速不宜低于3.0m/s,该条件下能满足风力发电一定经济性。
此外，出于对风机使用寿命考虑，安装地点不宜经常发生风速与风向的剧烈变化。
如果当地风速频率分布曲线越平稳越佳，有利于用户对电能充分利用。
2）安装地点
风力发电机的塔架尽可能的高，因为离地面越高，风速越大，气流更平稳。
在平坦的地区，风机的推荐安装高度不低于8m。
树木及各类建筑对气流会形成障碍，气流在这些障碍的前方与后方均会形成一个滞缓而紊乱的紊流区域，应该避免将风机装在这类区域内。
塔架高度至少要比100m内的最高障碍物高出2m。
项目中风力发电机可安装在营业厅屋顶或营业厅周围。
分两排，每排三台为宜。
风机间距应大于10m。
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，锂离子电池和铅酸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，电池宜选用能量密度比较高的锂电池或者应用成熟度比较高的铅酸电池。
其中，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，建议本项目采用的方案有：
磷酸锂离子电池、铅酸电池、铅酸+锂电等方案，目前铅酸电池的主流单体电压为2V和12V。
4.2蓄电池组及逆变器
4.2.1储能作用
该方案中储能的作用为削峰填谷，在分布式电源出力过剩时，对储能充电，在分布式电源出力不足时储能放电。
4.2.2储能容量计算及蓄电池选型
在智能营业厅的方案中，将采用削峰填谷策略，根据这一策略进行储能容量的配置，具体结论如下：
将风机5kW，光伏30kW，负荷15kW，结合其出力或负荷特性进行分析，得到储能功率约为15kW，容量为15kW×4h。
所以，储能系统电池组部分根据容量需求为15kW*4h,并联的电压母线为400V，推荐选择的方案有：
表4-2蓄电池方案选型表
序号
电池单体容量、型号
尺寸（mm）
数量（单位：
节）
备注
方案一
国产12V150Ah
483*170*241（单体）
68
铅酸
方案二
国产2V150Ah
172*102*228（单体）
400
铅酸
方案三
韩国友邦2V500Ah
272*202*328（单体）
48
铅酸
方案四
日立LL1500W-8（铅酸）
日立KL90-8A（锂电）
5600*1200*1550（总体）
800*700*1600
（总体）
72
20
铅酸+锂电（三层摆放）、价格偏高
升级会员 