智能微网系统设计

来源:用户上传      作者: 刘广斌

　　摘 要： 主要介绍智能微电网系统，各种设备的选型和设计方法。
　　关键词： 智能微网；光伏；逆变器
　　中图分类号：TP13 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220073－02
　　1 智能微电网
　　智能微电网也称智能微网，是由新能源发电技术组成的新型电网，利用先进的电力电子技术，把新能源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的发配电系统。
　　2 智能微网初步设计
　　广东省某地1MW智能微网初步设计原理图：
　　3 太阳能电池
　　太阳能电池材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅（薄膜）等。单晶硅的转换率12%-19%，是太阳能电池中转换率最高的一种，但安装位置要求高，价格相对较高；多晶硅电池转换效率高，技术也较为成熟。规模生产时的转化效率为14.6%，与单晶硅相差不大，且比单晶硅价格低；薄膜电池转换率不高，但安装位置要求低，受光照影响也较低。本项目建议采用多晶硅太阳能电池组件。
　　太阳能电池参数如下：
　　
　　因为100kW光伏并网逆变器的直流工作电压范围为：450Vdc～820Vdc，所以太阳电池组件串联的组件数量Ns=820/36.3≈23（块），这里考虑温度变化系数，取太阳电池组件23块串联，单列串联功率P=23×230Wp=5290Wp；单台100kW光伏并网逆变器需要配置太阳电池组件并联的数量Np=100000÷5290≈19列。当Np取19列，这样100kW光伏并网逆变器的光伏阵列单元设计为23块光伏电池串联，19列支路并联，光伏电池直流工作电压为23*29.5=678.5V，在100kW光伏并网逆变器的直流工作电压450Vdc～820Vdc范围之内。并且实际功率为100.510kWp。所以，1兆瓦太阳能光伏并网发电系统每个单元设计23块光伏电池串联，19列支路并联，共计4370块太阳电池组件，实际功率达到1005.100kWp。
　　4 防雷直流汇流箱
　　对于大型光伏并网发电系统，为了减少光伏组件与逆变器之间连接线，方便维护，提高可靠性，一般需要在光伏组件与逆变器之间增加直流汇流装置，使用光伏阵列汇流箱，用户可以根据逆变器输入的直流电压范围，把一定数量的规格相同的光伏组件串联组成一个光伏组件串列，再将若干个串列接入光伏阵列汇流箱进行汇流，通过防雷器与断路器后输出，方便了后级逆变器的接入，保证了系统的安全，大大缩短了系统安装时间。
　　太阳能光伏并网发电系统每个单元设计23块光伏电池串联，19列支路并联，所以每个发电单元配置2个10进1出的防雷直流汇流箱并联接入并网逆变器直流侧。
　　防雷直流汇流箱原理图如下：
　　5 并网逆变器
　　并网逆变器采用最大功率跟踪技术，最大限度地把太阳能电池板转换的电能送入电网。逆变器自带的显示单元可显示太阳能电池方阵电压、电流，逆变器输出电压、电流、功率，累计发电量、运行状态、异常报警等各项电气参数。同时具有标准电气通讯接口，可实现远程监控。具有可靠性高、多种并网保护功能（比如孤岛效应等）、多种运行模式、对电网无谐波污染等特点。该岛屿建立1MW的智能微网，采用10台100kW并网逆变器。每台并网逆变器技术参数如下：
　　6 双向变换器
　　双向逆变器包含整流、电池管理，逆变三个部分，并具有远程通讯，并机等功能，是一类适合智能电网建设，应用在储能环节，具有一系列特殊性能、功能的变换器。智能电网中的储能环节能有效调控电力资源，能很好地平衡昼夜及不同季节的用电差异，调剂余缺，保障电网安全。是可再生能源应用的重要前提和实现电网互动化管理的有效手段。没有储能，智能电网的实现是不可能的。
　　7 蓄电池
　　蓄电池在太阳能光伏发电中的应用，目前采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池，胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。国内目前被广泛使用的太阳能蓄电池主要是：铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池，因为这两类蓄电池固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统，特别是无人值守的工作站。蓄电池的任务是在太阳能辐射量不足时，保证系统负载的正常用电，同时对电网也起到削峰填谷的作用，根据双向逆变器蓄电池侧直流电压要求范围，选取2V，1000Ah单节蓄电池240个串联组成480V直流电压。
　　8 监控系统
　　监控系统组成元件包括系统监控软件、电池能量管理系统、探测器及相关软件等，采用RS485或Ethernet（以太网）远程通讯方式，实时采集电站中所有设备运行状态及工作参数并上传到监控主机。监控系统可以显示出光伏并网系统的工作电压和电流、交流输出电压和电流、功率、频率、故障信息、以及环境参数等资料，并能统计和显示日发电量、总发电量等信息。同时，电池能量管理系统能通过软件友好的人机界面操作控制蓄电池的充放电控制，可实现光伏系统发电就地消耗和储存。软件界面可根据客户要求更改。监控工作站的液晶显示器（LCD）须实时显示光伏并网系统的工作状态以及进行集中监控。
　　9 电量计算
　　根据NASA美国太空总署气象数据库，可以查的当地太阳能辐射量、温度等气象数据，是设计系统的关键数据。图表如下：
　　
　　根据数据显示，广东省某地的平均日照峰值时间为3.87小时，平均温度为25.4℃而太阳能电池是在标准25℃条件下测试的，温度对太阳能电池基本影响不大，太阳能电池一年发电量为1000kW*3.87*365*0.75（系统效率）=1053937.5kWh=105.4万度电。这个只是太阳能系统的估算电量，没有计算本地阴雨天等特殊情况。
　　10 环境效益
　　太阳能发电系统一年累计估算输出电量为105.4万度电。而柴油机效率为220g-230g/每度，随机负荷应该翻一倍为400g/每度，105.4万度电耗油421.6吨柴油，1吨柴油等于1162升，根据SO2 4g/L，NOx 2.56g/L，烟气量可按12m3/kg。
　　SO2约1.96吨
　　NOx约1.3吨
　　烟气约505万立方米
　　11 总结
　　利用智能微电网系统来发电，能够提高电网的电能质量，远远超过中国国家电网标准，给用户生活生产带来很大的方便，大大提高人们生活质量。使用双向逆变器可以给电网送电，也可以从电网拉电，这样可以使系统运作更加灵活，能很好地平衡昼夜及不同季节的用电差异，调剂余缺，保障电网安全。
　　
　　参考文献：
　　[1]李钟实，太阳能光伏发电系统设计施工与维护，人民邮电出版社，2010.01.
　　[2]谭金超、谭学知、谢晓丹，10KV配电工程手册，中国电力出版社.
　　[3]沈辉、曾祖勤，太阳能光伏发电技术，化学工业出版社.
　　[4]吴财福、张建轩、陈裕恺，太阳能光伏并网发电系统及照明系统，科学出版社.
　　
　　作者简介：
　　刘广斌（1983-），黑龙江人，大学本科，电气助理工程师，研究方向：智能微电网系统集成方向。

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