"光儲(chǔ)充"微電網(wǎng)技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用

引言

微電網(wǎng)是指由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。微電網(wǎng)中的電源多為容量較小的分布式電源,即含有電力電子接口的小型機(jī)組,包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏電池、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等裝置。它們接在用戶側(cè),具有成本低、電壓低以及污染小等特點(diǎn)。本文主要研究的發(fā)電設(shè)備為光伏發(fā)電。

微電網(wǎng)是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng),它作為完整的電力系統(tǒng),依靠自身的控制及管理供能實(shí)現(xiàn)功率平衡控制、系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化、故障檢測與保護(hù)、電能質(zhì)量治理等方面的功能。

1光伏系統(tǒng)在目前的大環(huán)境下以及應(yīng)用情況中面臨的問題

第一,隨著光伏補(bǔ)貼的下調(diào),"5.31"政策以后整個(gè)業(yè)界發(fā)生變化,補(bǔ)貼逐漸下調(diào)直至取消是大勢所趨。

第二,光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性。光伏發(fā)電主要跟太陽輻射有關(guān),由于云彩遮擋或其他天氣原因,發(fā)出的電是波動(dòng)性的,如果天氣變化比較劇烈,它可能對(duì)電網(wǎng)造成一定的沖擊。

第三,自發(fā)自用率低。因?yàn)獒槍?duì)大多居民用戶,白天用電量低,以并網(wǎng)為主,晚上用電量較高,居民的自用率是比較低的。還有一些工商業(yè),集中安放的組件較多,裝機(jī)容量較大,負(fù)載卻很小,發(fā)出的電還以并網(wǎng)為主。但這部分的脫硫煤標(biāo)桿電價(jià)較低,經(jīng)濟(jì)效益較低。

通過加入儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠改善上述現(xiàn)象,這是光伏+儲(chǔ)能的優(yōu)勢。

第一,提高自發(fā)自用率,將負(fù)荷用不完的光伏發(fā)電儲(chǔ)存起來,高峰時(shí)放出來自己使用。

第二,削峰填谷,保證能量的可控。典型案例:晚上充電,白天放電,造成峰谷電價(jià)差,減少最大需量和專變?nèi)萘俊?

第三,構(gòu)架微網(wǎng)系統(tǒng)?？赏ㄟ^光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)做成微網(wǎng)系統(tǒng),保證可靠送電。

第四,優(yōu)化光伏輸出曲線。

2"光儲(chǔ)充"微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

本著"最大程度實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)自發(fā)自用"的理念,"光儲(chǔ)充"微電網(wǎng)技術(shù)整合了光伏發(fā)電系統(tǒng)的連接、逆變、控制、電源管理、并網(wǎng)等一系列功能。

微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu),包含發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、保護(hù)控制系統(tǒng)等,儲(chǔ)能系統(tǒng)是微網(wǎng)的核心組成,配合光伏發(fā)電系統(tǒng),同時(shí)具備對(duì)電動(dòng)汽車等用電設(shè)備的充電功能。

2.1發(fā)電系統(tǒng)

對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng),光伏組件發(fā)出的直流電需采用儲(chǔ)能雙向逆變器,能完成并網(wǎng)/離網(wǎng)切換功能和同期并網(wǎng)切換功能。其中并離網(wǎng)切換控制包括主動(dòng)離網(wǎng)和被動(dòng)離網(wǎng)兩種方式。

(1)主動(dòng)離網(wǎng):并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)無縫切換,當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)能快速識(shí)別并迅速切換到離網(wǎng)運(yùn)行模式,切換時(shí)間應(yīng)足夠短,以最大程度地減少電網(wǎng)故障對(duì)供電系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷和電源的影響。

(2)被動(dòng)離網(wǎng):逆變器處于并網(wǎng)狀態(tài)時(shí),通過檢測并網(wǎng)點(diǎn)電壓,當(dāng)電壓持續(xù)采樣點(diǎn)發(fā)生電壓跌落或上升超過閾值時(shí),即認(rèn)為主網(wǎng)與微網(wǎng)斷開或主網(wǎng)故障,逆變器自動(dòng)切換到離網(wǎng)控制模式,同時(shí)開出分閘接點(diǎn)跳開主網(wǎng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)離網(wǎng)。

同期并網(wǎng)切換控制包括被動(dòng)同期并網(wǎng)控制和自動(dòng)同期并網(wǎng)控制。

(1)被動(dòng)同期并網(wǎng)控制:采用保護(hù)裝置并網(wǎng)合閘方式,儲(chǔ)能雙向逆變器從離網(wǎng)到并網(wǎng)的切換過程中,實(shí)現(xiàn)控制模式從電壓/頻率控制到恒功率控制的切換。并網(wǎng)前儲(chǔ)能雙向逆變器必須首先通過鎖相環(huán)跟蹤控制,使雙向逆變器輸出電壓在幅值、頻率和相位上都與電網(wǎng)電壓匹配。否則,并網(wǎng)開關(guān)閉合時(shí)存在較大的電壓差,從而導(dǎo)致并網(wǎng)沖擊電流過大,將對(duì)雙向逆變器的安全造成威脅。

(2)自動(dòng)同期并網(wǎng)控制:采用逆變器自動(dòng)判斷同期點(diǎn)的方式,該模式下不使用同期保護(hù)裝置,設(shè)備檢測電網(wǎng)側(cè)電壓,當(dāng)接收到監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)來的同期命令后,開始跟蹤電網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)相位,當(dāng)完成相位跟蹤后,立即開出并網(wǎng)合閘命令,由相應(yīng)的執(zhí)行開關(guān)合閘完成自動(dòng)同期并網(wǎng)。

2.2儲(chǔ)能系統(tǒng)

由于電池儲(chǔ)能具有技術(shù)相對(duì)成熟、容量大、安全可靠、噪聲低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、便于安裝等優(yōu)點(diǎn),所以儲(chǔ)能系統(tǒng)常用電池來儲(chǔ)存電能。目前儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由儲(chǔ)能單元和監(jiān)控與調(diào)度管理單元組成,儲(chǔ)能單元包含儲(chǔ)能電池組、電池管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能雙向逆變器等,監(jiān)控與調(diào)度管理單元包括中央控制系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)等[5]。

儲(chǔ)能系統(tǒng)是一個(gè)可完成存儲(chǔ)電能和供電的系統(tǒng)[6],它具有平滑過渡、削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓等功能,可以使太陽能、風(fēng)能等發(fā)電平滑輸出,減少其隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性給電網(wǎng)和用戶帶來的沖擊:通過谷價(jià)時(shí)段充電,峰價(jià)時(shí)段放電可以減少用戶的電費(fèi)支出:在大電網(wǎng)斷電時(shí),能夠孤島運(yùn)行,確保對(duì)用戶不間斷供電。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)主要包含對(duì)儲(chǔ)能雙向逆變器的控制、對(duì)儲(chǔ)能電池的管理以及監(jiān)控與調(diào)度管理單元對(duì)系統(tǒng)能量的合理調(diào)度。

2.2.1雙向逆變器控制策略

儲(chǔ)能雙向逆變器又叫功率變換系統(tǒng),是儲(chǔ)能單元中功率調(diào)節(jié)的執(zhí)行設(shè)備,在監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)配下,實(shí)施有效和安全的儲(chǔ)電和放電管理。目前常用的雙向逆變器控制策略有Po控制、VF控制、下垂控制、虛擬同步機(jī)控制四種方式。

2.2.2電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)安裝于儲(chǔ)能電池組內(nèi),負(fù)責(zé)對(duì)儲(chǔ)能電池組進(jìn)行電壓、溫度、電流、容量等信息的采集,實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測和故障分析,同時(shí)通過CAN總線與PCs、監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)機(jī)通信,實(shí)現(xiàn)對(duì)電池進(jìn)行優(yōu)化的充放電管理控制。系統(tǒng)每簇電池組各自配一套電池管理系統(tǒng),能達(dá)到有效和高效地使用每簇儲(chǔ)能電池組及整體合理調(diào)配的目的。

電池管理系統(tǒng)應(yīng)具有電池電壓均衡、電池組保護(hù)、熱管理、電池性能的分析診斷等功能。電池管理系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r(shí)測量蓄電池模塊電壓、充放電電流、溫度和單體電池端電壓,并計(jì)算得到的電池內(nèi)阻等參數(shù),通過分析診斷模型,得出單體電池當(dāng)前容量或剩余容量的診斷、單體電池健康狀態(tài)的診斷、電池組狀態(tài)評(píng)估以及放電時(shí)在當(dāng)前狀態(tài)下可持續(xù)放電時(shí)間的估算。

2.2.3監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)

監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)是儲(chǔ)能單元的能量調(diào)度、管理中心,包含中央控制系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng),負(fù)責(zé)收集全部電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)、儲(chǔ)能雙向逆變器數(shù)據(jù)及配電柜數(shù)據(jù),向各個(gè)部分發(fā)出控制指令,控制整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行,合理安排儲(chǔ)能雙向逆變器工作:系統(tǒng)既可按照預(yù)設(shè)的充放電時(shí)間、功率和運(yùn)行模式自動(dòng)運(yùn)行,也可接收操作員的即時(shí)指令運(yùn)行。

其中能量管理系統(tǒng)是儲(chǔ)能系統(tǒng)的大腦,主要實(shí)現(xiàn)能量的合理調(diào)度,根據(jù)電網(wǎng)峰谷平特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,具有運(yùn)行優(yōu)化、負(fù)荷預(yù)測、發(fā)電預(yù)測、微源調(diào)度、潮流控制等功能。

3"光儲(chǔ)充"微電網(wǎng)在智能家居中推廣應(yīng)用的必要性

智能家居以住宅為平臺(tái),利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成,構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng),提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性,并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。

大規(guī)模的光伏并網(wǎng)電站發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟,但隨著荒山荒地類用地逐漸飽和,大型并網(wǎng)電站的發(fā)電需要遠(yuǎn)距離傳輸造成的電能損失,建立并網(wǎng)電站的地區(qū)普遍用電負(fù)荷偏低等問題逐漸暴露出來,建立分布式電站尤其是安全經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)能式分布式并網(wǎng)電站將成為光伏的發(fā)展趨勢。將"光儲(chǔ)充"微電網(wǎng)技術(shù)與智能家居結(jié)合,不僅完善了智能家居對(duì)能源的管控,也能為能源的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。