基于光伏发电的直流微电网能量变换与管理

郑玉冰

（华北电力大学河北保定071000）

摘要：当前分布式光伏发电与智能光伏微网大发展的客观条件已具备，并将进入大发展的时代。确保分布式光伏发电工程的质量是当务之急。光伏界和建筑界应合力推动分布式光伏发电与智能光伏微网实现产业化、规模化健康发展。

关键词：光伏发电；直流微网；能量变换；管理

引言：太阳能资源丰富、分布广泛，太阳能发电技术由于温室气体排放少、环境影响小、发展潜力大和应用方便，是世界各国普遍关注和重点发展的新兴能源技术之一。当前分布式光伏发电大发展的客观条件已具备，分布式光伏发电将进入大发展时代，即步入“后碳”时代。人类能否可持续发展，能否避免灾害性的气候变化，新兴能源技术将是未来的希望。

1分布式光伏发电定义

分布式光伏发电通常指装机规模较小的小型模块化、分散式、布置在用户附近，就近发电、就近并网、就近转换、就近使用、非外送型的太阳能光伏发电单元。分布式光伏发电一般实行“自发自用、余电上网、就近使用、电网调节”的运营模式。目前应用最为广泛的分布式光伏发电系统是建在建筑物上的光伏发电项目（简称光电建筑）。光伏可以应用于许多领域，比如光伏水泵可以解决无电地区的深水井饮用、灌溉。在交通领域可以应用于航标灯、交通/铁路信号灯。在通信领域，太阳能可以应用于无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统。

2从分布式光伏发电到微电网

电力系统已形成了一整套“发电→输电→配电→用电”的电力建设与使用模式，且符合采用石化能源的特点。但是将这套模式照搬到太阳能光伏产业中，尤其是建筑光伏应用中，将明显不符合光伏建筑应用的“三分散”特点。阻碍分布式光伏发电获得广泛应用的原因不仅在于分布式发电本身的技术障碍，更在于现有的电网技术仍不能完全适应分布式发电的接入要求。

2.1城市片区微电网

城市片区微电网按居民小区、宾馆、医院、商场及办公楼等进行建设。该类微电网在并网运行时主要通过大电网供电。而大电网故障时则与之断开进入孤网运行模式，以保证重要负荷的供电可靠性和电能质量。该类微电网多接在10kV中压配网，容量为100kW—10MW等级。城市片区微电网将在中国经济较发达的城市首先发展，这些地区用电需求量较大，部分负荷对供电可靠性要求较高，微电网可提高当地供电服务质量。同时，该类地区负荷的日、季节性波动均较大，微电网与大电网配合能有效平滑负荷曲线。这些地区应大力发展清洁能源发电从而减轻环境压力，同时应适当发展当地可利用的可再生能源发电，建设与建筑物一体化的屋顶太阳能并网光伏发电设施。

2.2偏远地区微电网

该类微电网并网时与外网功率交换较少，基本通过当地微电源供电，而微电网故障时可利用大电网作为启动备用电源。该类微电网具有两种形式：农村微电网和企业微电网。目前我国在农村地区及草原、山区等偏远地区仍存在供电问题，这些地区电力需求较低，将电力系统延伸到位成本较大。而微电网应用具有地点灵活性，适用于以较低成本利用当地可再生能源为用户供电。该类微电网一般接在400V低压配网，容量在1~1000kW，多用于解决当地用户的用电需求。偏远地区可充分利用当地太阳能进行发电，解决偏远地区的供电问题，促进农村城镇化进程。

3智能电网与智能微电网

3.1智能微电网系统

某公司研发的智能微电网系统以直流母线为基础，由光伏发电为主电源子系统、储能子系统、能量管理系统、光纤通信、各类智能开关仪表及负荷组成，智能微电网与大电网通过可控开关连接，每个光伏子系统并网点设置相应容量的蓄电池储能系统，通过双向逆变器与母线连接，各类仪表传感器检测电网、发电单元和负载运行数据，将其输送至监控中心，由EMS能量管理系统控制蓄电池的充放电，监控中心控制整个微电网的运行状态。智能微电网的应用成功解决了光伏发电不稳定性，改善了光伏电站并网的电能质量，提高了系统带负载能力，减轻了大电网的压力，从而解决了光伏电站并网问题。

随着社会和经济发展，能源需求与短缺已成为尖锐问题。特别在城市，电能消耗大、建筑物密集，应用房顶的光伏发电尤显重要。光伏智能电网能为各种清洁能源的用户双向进行连接，通过现代化网络和先进技术提高能源使用效率、提高供电质量和可靠性。在城市有众多大楼、仓库厂房、学校和医院小区等电能用户拥有建筑屋顶，可利用现有的储能、光伏逆变器等技术为其实现太阳能供电提供保证，即在屋顶建起了一座小型太阳能“发电厂”，对电网也起到削峰填谷的作用。

3.2智能微电网的多种管理模式

3.2.1园区模式

在工业园区和大学城等区域，广泛采用光伏屋面太阳能面板，构成园区厂房（校舍）园区，微电网可与主网保持热备用，微电网一般接在10kV中压配网甚至更高，容量在100kW~10MW。微电网能满足企业对电力安全性和可靠性较高的需求，并充分利用余热有效提高资源的利用效率。

3.2.2农村模式

在农村地区及草原、山区等偏远地区适用于以较低成本利用当地可再生能源为用户供电。该类微电网一般接在380V低压配网，容量在1~1000kW。偏远地区的可再生能源丰富，可充分利用当地太阳能屋顶光伏电站进行发电。例如在西藏、青海等省（自治区）建设户用屋顶光伏发电系统在我国南沙、西沙等海岛建设屋顶光伏发电，光伏和风电系统，对保卫海域、提高战士生活条件有显著意义。

3.2.3城市模式

微电网按居民小区、宾馆、医院、商场及办公楼等进行建设。该类微电网并网运行于主网；当主网故障时与之断开，进入孤网运行模式以保证重要负荷的供电可靠性和电能质量。该类微电网多接在380V低压配网中，容量为10—1000kW等级。该类地区负荷的日、季节性波动均较大，微电网与大电网配合，能有效平滑负荷曲线。

3.3光伏微电网共网新技术

光伏微电网共网新技术，即光伏微电网系统的光伏电力和市政电力共同向负载供电，当光伏电力不足或没有时，由市政电力作为系统基础供电向负载供电。共网是与市政电网连接、不向市政电网馈电的并网连接方式。共网逆变装置是将太阳能电池发出的直流电转换成与所连接的市政电网电压相位一致的直流电，并只向负载供电，绝不向市政电网馈电的设备。在共网应用模式下，共网逆变装置保证光伏电力不向市政电网馈电的现象称之为零逆流。共网应用模式是崭新的光伏应用模式，它特别适合在大量分散的建筑上建设太阳能电池板，所得到的光伏电力就地使用，而市政电力作为备电（是基础电力）保证系统负载在光伏电力不足或没有时正常用电。

共网应用模式与用户侧并网应用方式的相同点是：光伏电力与市政电网连接共同向负载供电，系统保证光伏电力即发即用优先使用。共网应用模式与并网应用方式的最大区别是：系统采用设备本质安全，零逆流光伏共网逆变装置使光伏电力与市政电网在用户侧共同构成配电网向负载供电，系统中光伏电力不应向市政电网馈电。这是一种不影响市政电网正常运行的太阳能光伏应用新模式。

4.结束语

光伏界和建筑界要形成合力，尽快解决与建筑结合的应用配套问题，开发相适应的产品拉动分布式光伏发电及智能微网健康发展。光电建筑是太阳能利用中最清洁、最有潜力的绿色技术。它的推广和普及需要诸多专业技术提供支撑：从材料角度提高光伏电池的转化效率，从机械加工角度改进封装工艺，从电力角度决定并网或独立供电，从管理角度制定产业政策。

参考文献：

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