基于分布式光伏电站的微电网后备电源系统实现

李晓刚1 ，陈思铭2 ，李小平1 ，孙韵琳2*（1.海南天能电力有限公司，海南 海口 570100；2. 顺德中山大学太阳能研究院，广东 顺德 528300）摘 要分布式发电以其调峰性好，起动和停止快，便于灵活调度等特性，是大型集中式单一供电系统的重要补充，结合微电网进行应用，十分适合在传统的大型电力供应系统出现故障或停电时充当紧急备用电源。本文以一套实际搭建的基于分布式光伏电站的微电网后备电源系统为研究对象，对其工作性能及特性进行了测试和研究。测试结果表明，本光伏微电网后备电源系统在实现光伏发电优先利用功能的同时满足了并网模式和离网模式之间平滑切换的技术要求。作者信息：李晓刚（1969-），男，硕士，从事光伏发电技术，海南天能电力有限公司。通讯作者：孙韵琳（1984-），男，博士研究生，从事光伏发电技术应用与研究。Email：[e-mail]基金项目：海南省重点科技计划项目“大型太阳能光伏并网发电在海南的应用研究”（ZDXM20120092）关键词：分布式；光伏；微电网；后备电源系统The Micro Grid Backup Power Supply Based on Distributed Photovoltaic SystemLI Xiao-gang1, Chen Si-ming2, LI Xiao-ping1, Sun Yun-lin2*(1. Hainan Tianneng Power Co., Ltd, Haikou, 570100, China; 2. ShunDe SYSU Institute for Solar Energy, Shunde, 528300, China )AbstractDistributed generation (DG) is an important supplement of the large-scale centralized single power supply system for its outstanding peak load regulating performance, controllability of quick start and stop, and flexible scheduling features. Applied in combination with micro grid, DG is very suitable to be the emergency standby powers for the public power grid when it fails. This paper described a micro grid backup power supply based on distributed PV system, whose performance and characteristics are also investigated in this paper. It is demonstrated that the micro grid backup power system based on DG PV system is functioned well in priority utilizing PV power, as well as the smooth switching between on-grid and off-grid modes.0 引言近年来，随着电力工业的发展，很多国家的电力系统已发展成以“大机组、大电网、高电压”为主要特征的集中供电单一系统[1]。由于全球变暖以及生态环境进一步遭受严重破坏，世界各地极端天气、地震等自然灾害出现的次数越来越频繁，传统大型电力供应系统在灾害过后由于部分甚至全面瘫痪而导致灾区电力供应不足，极大妨碍了灾区灾后救援以及重建工作的进展。作为集中式单一供电系统的重要补充，分布式发电以其调峰性好，起动和停止快，便于灵活调度等特点[2]，能够有效解决大型电网不能灵活追踪负荷，偏远地区供电难以及局部故障导致大面积扰动或地区停电等问题[3]，十分适合于作为大型电网的后备电源系统进行配置，在大型电网出现故障时提供充足的后备电力。然而，分布式发电系统一般为不可控发电单元，需要采取隔离的方式来消除其对配电网的影响，根据IEEE P1547中规定，当电力系统发生故障时，分布式能源必须马上退出运行[4]。为了协调分布式电源与大电网的矛盾，减少分布式发电对电网的冲击，微电网的概念应运而生[5], [6]。微电网（micro-grid）是由多个分布式电源、负载等按照一定拓扑结构组成的小型发配电系统。微电网由于可以孤岛运行、并网运行及两种运行模式自动切换，且相对于外电网为可控单元，因此能够协调分布式发电系统与主电网之间的矛盾。分布式发电种类较多，本文以一套基于分布式光伏电站的微电网后备电源系统为研究对象，对其工作模式以及在不同工作模式下切换的暂态特性进行研究。1 后备电源系统组成及工作模式图1所示为基于分布式光伏电站微电网后备电源系统的整体架构图以及光伏阵列的外观图。本系统主要由光伏阵列、并网光伏逆变器、双向逆变器、蓄电池组、自动切换控制器、用户负载等组成。光伏阵列接入容量为3.03kWp，负载的使用可根据光伏阵列的发电情况及蓄电池的荷电状态（SOC）进行手动调节。微电网系统自2012年3月开始运行至今，运行情况良好。表1、2为光伏组件详细参数及系统关键部件的具体型号及参数。

（a）整体架构图（b）光伏阵列外观图图1 基于分布式光伏电站的微电网后备电源系统表1 光伏组件参数型号京瓷KD202GH-2PU-KH峰值功率202W最大功率点电压26.6V最大功率点电流7.60A开路电压33.2V短路电流8.25A尺寸1500mm×990mm×46mm表2 系统关键部件的具体型号及参数关键部件型号参数蓄电池汤浅UXF150-12额定容量150 Ah标称电压12 V并网逆变器SMASunny Boy SB 1200最大输入功率1.32 kW最大输入电压400 V最大功率跟踪范围100 V～320 V最大输入电流12.6 A最大效率92.1%欧洲效率90.7%电能输出方式单相输出电压220V 50Hz双向逆变器SMASunny Island 2012输入交流电压230 V (172.5-264.5V)输入交流频率50 Hz (40-70 Hz)最大输入电流25 A最大输入功率5.75 kW蓄电池电压12 V (8.4-15.6 V)蓄电池最大充电电流/持续充电电流180 A/160 A蓄电池类型铅酸/镍镉蓄电池容量100-10000 Ah最大效率93%图2为基于分布式光伏电站的微电网后备电源系统工作原理图。根据图2，通过切换控制器，整个系统有四个工作模式：1. 对公共电网进行实时监测，当公共电网供电正常时，公共电网与光伏电站组成并网分布式光伏电站向用户负载供电，与传统并网分布式光伏电站相同；2. 当检测到公共电网出现故障或停电时，切换控制器将控制切换电路开关KM1，断开用户负载端与公共电网端的连接，切换至与储能设备端的连接状态，经由双向逆变器将蓄电池组输出的直流电转变为交流电向用户负载供电；在开关KM1动作的同时，切换电路开关KM2将短暂断开光伏电站与供电系统的连接，经过一定的延时和判断后，再将光伏电站重新接入微电网系统与蓄电池共同为负载供电，或对蓄电池充电；3. 当蓄电池的放电深度达到一定值而导致蓄电池的电压低于设定限值时，若公共电网已恢复正常供电，控制器将自动切换电路开关KM1断开用户负载端与储能设备端的连接，并将用户负载端连接到公共电网端，由公共电网向用户负载供电；同时开关KM2将短暂断开光伏电站与供电系统的连接，经过一定的延时和判断后，光伏电站再重新接入微电网系统继续工作；4、若在蓄电池电压低于设定限值而公共电网仍处于停电状态时，在太阳辐射辐照度允许的情况下，光伏电站将同时给用户负载端供电和对蓄电池进行充电。

图2 基于分布式光伏电站微电网后备电源系统的工作原理图图3 微电网后备电源系统中使用的切换控制器实物图当公共电网因大型灾害、战争等原因而导致长期停电时，切换控制器将自动切换至离网工作模式给用户负载端和蓄电池组供电。虽然蓄电池容量有限，但只要有太阳辐照，光伏阵列输出的电能就能给负载提供电力，并同时对蓄电池进行充电，因此只要对用电负荷进行合理的分配，微电网后备电源系统将可以很好地维持电力的输出。面对大型自然灾害或战争后公共电网恢复前的艰难时日里，这些电力将是十分珍贵，因而这种基于分布式光伏发电站的微电网后备电源系统可给灾区人民带来更多的生存希望。图3为本文微电网后备电源系统中使用自主研发的切换控制器实物图。2 微电网后备电源系统运行模式分析分别对微电网后备电源系统并网模式和离网模式下的光伏阵列的发电功率、负载的用电功率、蓄电池的充放电功率采用智能双向电表进行实时测量。智能双向电表设置位置如图4所示。测试期间天气状况为雷阵雨转晴，其中每个过程测试时间为30分。

图4 智能双向电表在微电网后备电源系统中的连接图2.1 并网模式微电网系统在并网模式下，双向逆变器处于待机状态，微电网系统各模块实时功率如图5所示，其中负载用电功率小于光伏阵列发电功率。

图5 并网模式下负载较小时微电网后备电源系统各模块实时功率（注：电网实时功率的正负分别代表输出或输入电网的功率，图6同。）通过调节负载的用电功率使其大于光伏阵列的发电功率，此时微电网后备电源系统各个模块的实时功率如图6所示。

图6 并网模式下负载较大时微电网后备电源系统各模块实时功率从图5和6可见，并网状态下，光伏阵列与公共电网共同给负载供电，当负载用电功率小于光伏阵列发电功率时，分布式光伏电站的输出功率基本为负载用电功率与流入公共电网的功率之和，而引起两者功率细小偏差的主要原因是线路损耗和双向电表本身的计量误差；当负载用电功率大于分布式光伏电站输出功率时，负载用电功率为分布式光伏电站输出功率与公共电网输出功率之和。即在并网运行状况下，无论负载用电功率大于还是小于光伏电站输出功率，分布式光伏电站电能输出都优先提供给负载使用。2.2 离网模式微电网后备电源系统处于离网模式下时，光伏阵列与蓄电池共同为负载供电，测试时蓄电池的初始SOC为61.6%。微电网系统各模块实时功率如图7所示，其中负载用电功率小于光伏阵列发电功率。

图7离网模式下负载较小时微电网后备电源系统各模块实时功率（注：双向逆变器实时功率的正负分别代表蓄电池处于放电或充电状态，图8同）当负载用电功率大于光伏阵列发电功率，微电网系统各个模块的实时功率如图8所示。

图8 离网模式下负载较大时微电网后备电源系统各模块实时功率从图7和8可见，微电网后备电源系统在离网运行状态下与公共电网断开，由蓄电池通过双向逆变器与光伏电站共同为负载供电。当负载用电功率小于光伏阵列发电功率时，光伏阵列在供给负载用电后多余电能通过双向逆变器给蓄电池充电，光伏电站的输出功率基本为负载用电功率与蓄电池充电功率之和。当负载用电功率大于光伏电站的输出功率时，蓄电池经过双向逆变器补充用电功率不足部分，负载用电功率为光伏电站输出功率与蓄电池输出功率之和。即离网运行状态下，无论负载用电功率大于还是小于光伏电站输出功率，分布式光伏电站电能输出都为优先提供给负载使用。概括来说，无论微电网系统处于并网模式还是离网模式下，分布式光伏电站的电能输出都为优先供给负载使用，在满足负载电能使用的状况下，多余电能将输送到公共电网或给蓄电池充电；当分布式光伏电站的输出功率较小，低于负载的用电功率时，则由公共电网或蓄电池与分布式光伏电站共同为负载供电。3 不同工作模式平滑切换运行测试为了验证微电网后备电源系统能够平滑切换及稳定运行，使之在并网模式与离网模式之间进行多次切换操作，包含手动切换模式及全自动切换模式的测试。其中，负载为1台1.5匹冷暖空调与1台式计算机，如图9为工作模式切换瞬间微电网后备电源系统电压的波形变化。

(a)(b)

(c)(d)图9 工作模式切换瞬间微电网后备电源系统电压的波形变化(a)和(b)为从并网模式至离网模式切换的电压波形；(c)和(d)为从离网模式至并网模式切换的电压波形

图10 微电网后备电源系统从离网模式至并网模式切换电压经傅里叶变换后的频率分布图从图9可以看出，微电网系统并网模式与离网模式之间切换可实现在20 ms内完成切换；在切换过程中，电压波形呈现为幅度骤降、纹波增大且相位出现变化。在切换前后负载工作正常，无出现异样运行状况，这说明微电网后备电源系统能够实现在不同工作模式下的平滑切换。另外，从图9(b)和(d)可见，微电网后备电源系统在离网模式运行稳定后的交流输出电压比公共电网的交流电压略高，推测其原因可能与离网模式下双向逆变器输出的控制方式有关。图10为微电网后备电源系统从离网模式至并网模式切换电压经傅里叶变换后的频率分布。从图中可见，离网至并网模式切换过程中主频为50 Hz。4 总结本文介绍了基于分布式光伏电站的微电网后备电源系统的基本组成，并基于实际搭建的微电网后备电源系统进行了系统工作模式以及不同工作模式切换的暂态特性进行测试研究，测试结构证明：(1) 微电网后备电源系统不管是在并网模式还是离网模式下，光伏阵列电力输出均优先供给负载使用，多余部分送上公共电网或给蓄电池充电，不足部分则由公共电网或者蓄电池补充。(2) 微电网后备电源系统能实现在20 ms内完成并网模式和离网模式之间的相互平滑切换，切换瞬间负载运行无异样。以上结论均说明微电网后备电源系统运行情况良好，且能实现在不同运行模式下保证负载供电的可靠性和连续性。参考文献[1] Venkataramanan G, Marnay C. A larger role for microgrids [J]. Power and Energy Magazine, IEEE, 2008,6(3):78-82[2] Pepermans G, Driesen J, Haeseldonckx D, et al. Distributed generation: definition, benefits and issues [J]. Energy policy, 2005, 33(6): 787-798[3] Joos G, Ooi B T, McGillis D, et al. The potential of distributed generation to provide ancillary services [C]. Power Engineering Society Summer Meeting, IEEE, 2000, 3: 1762-1767[4] IEEE Standards Coordinating Committee 21. IEEE 1547-2003 Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems [S]. July 2003[5] Gilbert M. 王宾，董新洲译, 高效可再生分布式发电系统. 北京：机械工业出版社，2009：249-297[6] Lasseter R, Akhil A, Marnay C, et al. Integration of distributed energy resources. The CERTS Microgrid Concept[J]. 2002