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摘要：太阳能作为一种绿色能源，有着天然取之不尽用之不竭的优势，同样也有不稳定的弊端，比如受地域时间以及天气影响较大。如何使光伏发电变得稳定可靠，成为了能否充分利用太阳能的一项重要考虑因数。就是发展储能技术，将太阳能发电高峰期多余的发电量储存起来，在夜晚或者阴雨天释放出来，达到能源平衡利用的目的。而这种储能技术目前最成熟的就是电化学储能。

关键词：光伏发电；电化学储能；微电网

光伏发电经过十几年的发展，已经成为我国能源领域不可或缺的一部分。随着光电技术的升级，光伏组件的发电效率已经能达到20%以上。加上国家电价补贴和“双碳”政策的落地，光伏发电项目在最近几年获得了井喷式的发展。光伏发电和风力发电占总发电量的比率日益提高，电网侧的大型储能建设也是迫在眉睫。本文主要探讨光伏发电加电化学储能在微电网或者小型的工商业系统的应用，分析介绍系统的工作原理、项目应用及特点、未来前景等。

1 系统的组成及工作原理

微电网由分布式电源、用电负荷、监控、保护和自动化装置等组成（必要时含储能装置），是一个能够基本实现内部电力电量平衡的小型供电网络。微电网分为并网型微电网和独立型微电网。作为微电网系统重要组成部分，主要包含高低压成套设备、继电保护系统、交直流电源系统、光伏发电系统、BESS电化学储能系统、MEMS微电网能量管理系统、电力监控系统及厂区视频安防系统等。系统一次主接线图如下图：

1.1高低压成套设备包括高压开关柜，低压开关柜和升压变压器。主要功能是将光伏发电通过升压并网输送到电网系统。高压开关柜选用KYN28-12柜，又名中置柜，学名交流金属铠装封闭式开关柜。升压变压器选用干式变压器，根据使用环境、系统和回路的容量选择型号和大小。常用的型号有SCB13-630/10、SCB13-1000/10、SCB13-1600/10、SCB13-2000/10等。作为微电网的一次系统，目前国内主流的电压等级为10/0.4KV，国外有11/0.415kV等其他电压等级，绝缘等级国内的设备均可覆盖国外设备，需要主意变压器的电压比以及控制设备的电源电压等。

1.2继电保护装置因满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。继电保护按保护对象分主要有线路纵差差动保护、母线保护、主变保护、主变非电量保护、站变保护等。线路差动保护需要和外送线路对测的保护通过光纤通讯，实现电流差动保护，用以保护线路的安全运行。母线保护主要采用母线差动保护，采集高压系统的进线和馈线回路的三相电流，用电流差动保护原理判断母线短路和绝缘故障，保护母线的安全运行。主变保护有主变差动保护和主变后备保护，因主变容量较小，一般仅配置后备保护，配合主变非电量如油变的轻瓦斯、重瓦斯、压力释放、干式变压器温度高、温度过高等报警信号，达到主变电量和非电量全面保护的目的。除开继电保护，保护系统还有故障录波系统、电能质量监测系统、同步向量系统、调度数据网系统等，因微电网系统容量小，设计时可能会省去或部分省去这部分设备，本文这里不展开叙述。

1.3交直流电源系统包括UPS交流电源系统和直流系统，主要功能是给各个系统的设备提供交直流电源。为了保证微电网系统的稳定性，UPS电源和直流电源均为N+1冗余设计。像交换机、服务器、通讯管理机等通讯设备都是支持交流双电源，无需设计双电源切换装置。而像保护器、协调控制器等保护设备采用直流供电，一般不支持两路直流供电，需要在设备端设计直流双电源切换装置，可以是ATS，也可以是机械式切换连锁。直流系统电池的容量需要按系统停电后保证控制设备全容量运行多少时间计算。一般采用200AH直流系统2套，能保证控制系统运行24小时。充分保证检修故障，恢复系统运行所需的容量。

1.4光伏发电系统主要功能是将太阳能转换成电能，通过升压传输到电力系统。主要包含太阳能光伏板、光伏支架、汇流箱、逆变器、光伏升压舱、集电线路等。光伏发电系统一次系统图如下图：

1.4.1太阳能光伏板有单晶硅板和多晶硅板，单晶板的效率要比多晶板的效率高，价格要贵，工程应用中更多的是考虑发电效率而使用价格稍贵的单晶板。使用寿命一般都能达到15～20年。

1.4.2光伏支架的作用是用来固定光伏板和其角度，按角度是否可调一般分为固定式，手动可调式以及自动跟踪式三种。固定式价格便宜、发电效率低，自动跟踪式价格贵、发电效率高，手动可调式介于二者之间。材料通常使用镀锌钢材，沿海地区多使用抗氧化腐蚀的铝合金型材。

1.4.3直流汇流箱的作用是将若干太阳能电池阵列组件通过串并联方式后汇集成一条直流电路，然后接入光伏逆变器，以减少光伏电池阵列接入到逆变器的连线。同时汇流箱可设计电流电压采集和通讯功能，每个光伏板的数据上传到上位机，更好的监控系统的运行状况。由于分布式光伏的大规模的应用，逆变器小型分散化，汇流箱的功能已经被集成到逆变器内，能够有效的节省项目成本。

1.4.4光伏逆变器按主控器件分为晶闸管逆变器（也成为可控硅SCR），大功率晶体管（GTR）逆变器，可关断晶闸管（GTO）逆变器，场效应晶体管（MOS）逆变器，功率场效应晶体管（VMOS-FET）逆变器，绝缘栅极型晶体管（IGBT）逆变器，双向变流器等。主要的作用是将光伏板产生的直流电压通过震荡、整流、滤波等转换为三相交流电压。并集成防止直流极性接反、过载短路保护、防雷保护、光伏系统工作状态显示等功能。

1.4.5光伏升压舱主要包括高低压开关柜、升压变压器、现地监控柜等，还可集成光伏厂区的视频监控。光伏升压舱分布在光伏厂区，主要作用是将逆变器的交流侧汇集到光伏舱的低压侧，再通过变压器升压，环网柜和集电线路送到升压站。现地监控柜集成监控、保护、网络通讯等功能。为保证监控的稳定性，通讯网络使用光纤环网通讯。升压舱的保护定值既要考虑本舱的变压器保护，还要配合集电线路的线路保护定值。

1.5储能从字面意思上解释就是将多余的能量储存起来，在需要的时候再释放出来。储能按能量的性质可以分为物理机械储能、电化学储能、电磁储能光热储能等。物理机械储能又包含飞轮储能、压缩空气储能、抽水蓄能、重力储能等。电化学储能包含磷酸铁锂电池、钠硫电池、全钒液流电池、铅酸电池、铅炭电池等。电化学储能系统是以电化学电池为储能载体，通过储能变流器进行可循环电能存储、释放的系统。做为微电网系统，储能系统基本采用电化学储能，磷酸铁锂电池又是电化学储能里最重要以及使用最多的。PCS和电池作为储能系统核心部件，为方便组网应用以及现场快速安装，将PCS和电池预制到集装箱内，形成PCS升压舱和电池舱两个整体，对于容量特别小的系统也可将PCS和电池舱集成到一个集装箱内。一次系统图如下图：

1.5.1上图为一次简图，只体现了蓄电池和直流断路器，实际上电池舱包含电池系统、电池管理BMS（battery management system）及通讯系统、辅助电源系统、消防系统、火灾报警系统、通风空调系统、照明系统等。电池舱的核心部件就是电池，电池的最小单元为电芯，由电芯串联组成PACK，PACK串联组成电池簇，电池簇的电压就是PCS（power conversion system）变流器的直流侧的电压，电池簇按额定容量并联组成电池堆。BMS系统采集电池的电压、电流、容量、运行状态等数据，及时切除故障的电池组。接受EMS的控制信号实现电池的充放电控制。辅助电源系统为整舱的设备提供动力和控制电源，辅助电源需配备UPS电源，电池的容量按交流用电设备负载和使用时间确定，常规按12小时设计。

1.5.2电化学储能系统应用于电力系统宜具备但不限于平滑发电功率输出、跟踪计划发电、系统调频、削峰填谷、紧急功率支撑等应用功能，除此之外应选择经济、环保、高效、安全、可靠、少维护型设备。PCS升压舱包含PCS储能变流器、升压变压器、高压开关柜、现地监控柜、火灾报警系统、通风照明等。核心部件PCS储能变流器，在电化学储能系统中，用于连电池系统与电网或负荷，实现电能双向转换。控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。PCS 控制器通过通讯接收EMS后台控制指令，根据功率指令的方向及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。同时 PCS 可通过 RS485、CAN 等与 BMS 通讯，同时具有干接点传输方式，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。PCS储能变流器的主要参数有交直流侧额定电压、额定电流、额定功率、额定功率因数、功率因数可调范围、过载能力、高低压故障穿越能力、转换效率、相应时间、并离网切换控制逻辑、通讯方式等。额定功率能量转换效率：锂离子电池不低于92%，铅炭电池不低于86%，液流电池不低于65%。充放电响应时间不大于2秒、调节时间不大于3S，及转换时间不大于2S。做为故障穿越及紧急功率支持时响应时间需要在毫秒级别，一般是20ms左右。现地监控柜集成了保护、网络通讯、监控、辅助电源分配等功能。作为数据中转站，将PCS升压舱的运行数据采集传送只后台监控系统，将后台监控系统发出任务指令传输到各个设备。

1.6后台监控SCADA系统包含电力监控系统和能量管理系统，网络系统图如下图，本文重点介绍MEMS微电网能量管理系统。

1.6.1 MEMS（Energy Management System for Microgrids）微电网能量管理系统，是一种计算机系统，包括提供基本支持服务的软硬件平台，以保证微电网内发电，配电，用电设备安全经济运行的应用软件。在保证微电网安全稳定运行的基础上以经济优化运行为目标，对微电网的发电、配电以及用电进行管理和运行结果分析。管理系统宜具备发电预测、分布式电源管理、发用电计划、负荷管理、电压无功管理、统计分析与评估、WEB发布等功能。管理系统应遵循标准化和平台化原则，满足安全性、可靠性、开放性的要求，具备良好的可维护性和可扩展性。满足电力监控系统安全防护规定。

1.6.2协调控制器的控制范围。中央协调控制器预装了全站的整体控制策略，根据运维人员预设并结合实时潮流数据考虑的控制目标，生成各发电设备的控制指令和发电量。区域协调控制器主要对高压母线进行测量，并直接与母线上连接的PCS控制器、BESS控制器以及PV控制器进行通信，执行中央控制器下发的命令。区域协调控制器还预装了紧急调频/调压等暂态控制策略，可在电网失稳时独立控制发电设备支持电网。中央协调控制器和区域协调控制器通过专用的内部过程层交换机进行内部联网，使用IEC61850/GOOSE协议进行控制命令传输和数据交换。

1.6.3微电网系统的工作模式。微电网的电源一般有BESS系统、柴油发电机组、太阳能发电系统等，但是分布式光伏的响应和功率调整特性无法满足支撑电网，一般不作为控制逻辑的电源。因此根据两种主电源方案，系统可以分为“BESS做电源”和“柴发机组做电源”两种主要运行模式。

柴发机组做电源时，白天光照充足，光伏发电量大。满足电网负载还有多余的电量将给电池充电，晚上无光照或阴天发电量低的时候再将电量放出，充分利用光伏发电和减少柴发出力，降低油耗，提高系统运行的经济性。控制系统需要设置电池SOC的上下限制，防止过充过放损坏电池。根据负载变化实施调节柴发的出力，达到发电和用电的平衡。柴发的功率控制再合理范围，一般在30%～70%，既保证功率调节的预量，也不至于柴发的负载过重，为稳定系统频率，一般会控制多台柴发并列运行。光照强的时候，光伏发电功率如果超过系统的总负载，会导致系统频率上升，超过柴发的调节范围而导致发电机逆功率、解列等事故，所以控制器需要根据负载限制光伏逆变器的功率输出，保证电网的平稳运行。

BESS做电源时，此方案仅在光伏发电充足时使用，一些柴发机组需要切换到“负荷调节”模式，当光伏输出大于极限值或柴油发电机组输出功率小于额定容量的30%时，微网控制系统可以进行功率模式切换控制：PCS变流器由PQ控制模式转为下垂控制模式→逐个退出所有负荷分担模式（Load Sharing）的柴油发电机组→保留或启动部分“负荷调节”模式（Load govern）的发电机组作为能量平衡调节设备→PCS变流器转为V/F控制模式。具体选择那种模式有EMS系统要根据具体的系统配置和运行工况确定，通过EMS系统可编程控制器，设定各种运行模式，自动切换运行模式，也可手动输入限制，手动控制系统运行。最终实现安全稳定经济运行的目的。

2 未来发展前景

微电网系统以前都是单一的发电机组作为电源，运行不稳定。随着光伏、风力发电、储能等新能源装备的兴起和技术的积累，现在的微电网电源可以做到多元化，运行更加安全稳定和经济。在我国国家不遗余力的建设电网，就算再偏远的地方也有国家电网的服务，人民都能用上平价的电。这归功于国家不计成本的为人民服务以及特高压技术的研发和应用。但是在国外一些偏远或者落后的国家，比如非洲、太平洋一些岛国。这些地方的电网建设落后，覆盖率低。但是这些地方有着非常丰富的太阳能资源。以村庄或者地区为单位，建设光储柴的微电网就特别适合。微电网投资有规模小，建设周期短，方案灵活等优势。未来随着光伏发电和储能技术及材料的进步，成本进一步降低，光伏加储能的微电网也可并入国家电网，实现微电网的工商业化，一定程度的减轻电力的紧张。为国家双碳目标提供多一份助力。

结语

在我国微电网建设还处在起步阶段，由于电网建设的成熟，微电网建设显得没有那么迫切。随着未来新能源的进一步普及，园区、工商业储能等微电网项目大有发展潜力。如何协调控制电源、电网、负荷之间的同步是微电网的核心技术所在。从事此类工作的专业人员在清楚掌握专业技术知识之外，还应对微电网系统的工作原理有深刻的理解，特别是从事系统产品设计和研发的人员。系统的安全和稳定是第一位的，产品的设计开发和应用需要不断的试验，不断实践，总结改进，形成标准及完善的产品和系统。

参考文献：

[1]《GB/T 17468-2019变压器选用导则》

[2]《GB/T 32900-2016光伏发电站继电保护技术规范》

[3]《GB/T 34120-2017电化学储能系统储能变流器技术规范》

[4]《GB/T 36558-2018电力系统电化学储能系统通用技术条件》

[5]《GB/T 36274-2018微电网能量管理系统技术规程》