"光储充"微电网技术在智能家居中的应用

引言

微电网是指由分布式电源、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小型发配电系统。微电网中的电源多为容量较小的分布式电源,即含有电力电子接口的小型机组,包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、小型风力发电机组等装置。它们接在用户侧,具有成本低、电压低以及污染小等特点。本文主要研究的发电设备为光伏发电。

微电网是一个能实现自我控制、保护和管理的自治系统,它作为完整的电力系统,依靠自身的控制及管理供能实现功率平衡控制、系统运行优化、故障检测与保护、电能质量治理等方面的功能。

1光伏系统在目前的大环境下以及应用情况中面临的问题

第一,随着光伏补贴的下调,"5.31"政策以后整个业界发生变化,补贴逐渐下调直至取消是大势所趋。

第二,光伏发电的不稳定性。光伏发电主要跟太阳辐射有关,由于云彩遮挡或其他天气原因,发出的电是波动性的,如果天气变化比较剧烈,它可能对电网造成一定的冲击。

第三,自发自用率低。因为针对大多居民用户,白天用电量低,以并网为主,晚上用电量较高,居民的自用率是比较低的。还有一些工商业,集中安放的组件较多,装机容量较大,负载却很小,发出的电还以并网为主。但这部分的脱硫煤标杆电价较低,经济效益较低。

通过加入储能系统能够改善上述现象,这是光伏+储能的优势。

第一,提高自发自用率,将负荷用不完的光伏发电储存起来,高峰时放出来自己使用。

第二,削峰填谷,保证能量的可控。典型案例:晚上充电,白天放电,造成峰谷电价差,减少最大需量和专变容量。

第三,构架微网系统。可通过光伏+储能系统做成微网系统,保证可靠送电。

第四,优化光伏输出曲线。

2"光储充"微电网的关键技术

本着"最大程度实现光伏系统自发自用"的理念,"光储充"微电网技术整合了光伏发电系统的连接、逆变、控制、电源管理、并网等一系列功能。

微电网系统架构,包含发电系统、储能系统、保护控制系统等,储能系统是微网的核心组成,配合光伏发电系统,同时具备对电动汽车等用电设备的充电功能。

2.1发电系统

对于光伏发电系统,光伏组件发出的直流电需采用储能双向逆变器,能完成并网/离网切换功能和同期并网切换功能。其中并离网切换控制包括主动离网和被动离网两种方式。

(1)主动离网:并网转离网无缝切换,当电网出现故障时,储能系统能快速识别并迅速切换到离网运行模式,切换时间应足够短,以最大程度地减少电网故障对供电系统内负荷和电源的影响。

(2)被动离网:逆变器处于并网状态时,通过检测并网点电压,当电压持续采样点发生电压跌落或上升超过阈值时,即认为主网与微网断开或主网故障,逆变器自动切换到离网控制模式,同时开出分闸接点跳开主网开关实现被动离网。

同期并网切换控制包括被动同期并网控制和自动同期并网控制。

(1)被动同期并网控制:采用保护装置并网合闸方式,储能双向逆变器从离网到并网的切换过程中,实现控制模式从电压/频率控制到恒功率控制的切换。并网前储能双向逆变器必须首先通过锁相环跟踪控制,使双向逆变器输出电压在幅值、频率和相位上都与电网电压匹配。否则,并网开关闭合时存在较大的电压差,从而导致并网冲击电流过大,将对双向逆变器的安全造成威胁。

(2)自动同期并网控制:采用逆变器自动判断同期点的方式,该模式下不使用同期保护装置,设备检测电网侧电压,当接收到监控系统发来的同期命令后,开始跟踪电网侧电网相位,当完成相位跟踪后,立即开出并网合闸命令,由相应的执行开关合闸完成自动同期并网。

2.2储能系统

由于电池储能具有技术相对成熟、容量大、安全可靠、噪声低、环境适应性强、便于安装等优点,所以储能系统常用电池来储存电能。目前储能系统主要由储能单元和监控与调度管理单元组成,储能单元包含储能电池组、电池管理系统、储能双向逆变器等,监控与调度管理单元包括中央控制系统、能量管理系统等[5]。

储能系统是一个可完成存储电能和供电的系统[6],它具有平滑过渡、削峰填谷、调频调压等功能,可以使太阳能、风能等发电平滑输出,减少其随机性、波动性、间歇性给电网和用户带来的冲击:通过谷价时段充电,峰价时段放电可以减少用户的电费支出:在大电网断电时,能够孤岛运行,确保对用户不间断供电。

储能系统的技术主要包含对储能双向逆变器的控制、对储能电池的管理以及监控与调度管理单元对系统能量的合理调度。

2.2.1双向逆变器控制策略

储能双向逆变器又叫功率变换系统,是储能单元中功率调节的执行设备,在监控与调度系统的调配下,实施有效和安全的储电和放电管理。目前常用的双向逆变器控制策略有Po控制、VF控制、下垂控制、虚拟同步机控制四种方式。

2.2.2电池管理系统

电池管理系统安装于储能电池组内,负责对储能电池组进行电压、温度、电流、容量等信息的采集,实时状态监测和故障分析,同时通过CAN总线与PCs、监控与调度系统联机通信,实现对电池进行优化的充放电管理控制。系统每簇电池组各自配一套电池管理系统,能达到有效和高效地使用每簇储能电池组及整体合理调配的目的。

电池管理系统应具有电池电压均衡、电池组保护、热管理、电池性能的分析诊断等功能。电池管理系统要求能够实时测量蓄电池模块电压、充放电电流、温度和单体电池端电压,并计算得到的电池内阻等参数,通过分析诊断模型,得出单体电池当前容量或剩余容量的诊断、单体电池健康状态的诊断、电池组状态评估以及放电时在当前状态下可持续放电时间的估算。

2.2.3监控与调度管理系统

监控与调度管理系统是储能单元的能量调度、管理中心,包含中央控制系统和能量管理系统,负责收集全部电池管理系统数据、储能双向逆变器数据及配电柜数据,向各个部分发出控制指令,控制整个储能系统的运行,合理安排储能双向逆变器工作:系统既可按照预设的充放电时间、功率和运行模式自动运行,也可接收操作员的即时指令运行。

其中能量管理系统是储能系统的大脑,主要实现能量的合理调度,根据电网峰谷平特点,实现微网的经济运行,具有运行优化、负荷预测、发电预测、微源调度、潮流控制等功能。

3"光储充"微电网在智能家居中推广应用的必要性

智能家居以住宅为平台,利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统,提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性,并实现环保节能的居住环境。

大规模的光伏并网电站发展已经相当成熟,但随着荒山荒地类用地逐渐饱和,大型并网电站的发电需要远距离传输造成的电能损失,建立并网电站的地区普遍用电负荷偏低等问题逐渐暴露出来,建立分布式电站尤其是安全经济的储能式分布式并网电站将成为光伏的发展趋势。将"光储充"微电网技术与智能家居结合,不仅完善了智能家居对能源的管控,也能为能源的可持续发展做出贡献。