某小型建筑群智能微电网设计

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摘要：文章介绍了某小型建筑群智能微电网系统设计过程，包括系统组成、工作原理、太阳能光伏系统容量确定、蓄电池容量确定，并简单叙述了智能微网管理系统的功能、系统架构，为相同项目提供可借鉴案例。

关键词：智能微电网 太阳能光伏 蓄电池

1引言

进入21世纪，全球性的能源短缺、环境污染、气候变暖等问题日益困扰着人类社会，生态文明建设成为大势所趋。在该大背景下促进了生物质能电站、风电站、太阳能电站等可再生分布式能源系统的发展。针对具体的建筑群我们可以根据具体条件配置合理的可再生分布式能源系统，提高可再生能源的利用，降低对传统能源的依赖。

然而分布式电源并网有可能造成电力系统不可控、不安全和不稳定，从而影响电网运行。微电网可以充分发挥分布式发电的优势、消除分布式发电对电网的冲击和负面影响，使用系统的方法解决分布式发电并网带来的问题。通过将地域相近的一种微电源、储能装置与负荷结合起来进行协调控制，微电网对配电网表现为“电网友好型”的单个可控集合。本文介绍了一个小型建筑群的微电网应用。

2 项目概述

本文所讨论的小型建筑群具体情况如下：

1）分布式能源包括太阳能光伏系统（分布于三栋建筑屋面）、冷热电三联供系统、蓄电池储能装置。空调系统的水源热泵机组作为辅助储能系统。冷热电三联供系统是指以天燃气为主要燃料带动燃气轮机等发电设备运行，系统排出的废热通过余热回收利用设备向用户供冷及生活用水。本项目考虑到制冷需求，三联供机组装机总容量为400KW。

2）建筑群由办公楼（面积约6000m2）、会议馆（面积约4500 m2）、展厅（面积约5500 m2）及附属小建筑（主要用于餐饮和住宿，面积约4000 m2）。建筑高度为20米到25米。

3）建筑群供电系统组成如下：

变压器配置：本工程供配置两台干式变压器，容量分别为1#变压器800KVA（供除空调外设备用电）、2#变压器 630KVA（供空调系统用电）。

接线方式：低压供电系统采用单母线分段接线方式，1#变压器接于Ⅰ号母线段，2#变压器接于Ⅱ号母线段。

市电可以保证在智能微电网无法正常工作情况下供电系统的正常工作。

3 智能微电网设计

智能微电网的总体设计原则为优先使用清洁能源。运行模式分为孤网运行和并网运行两种模式。具体接线方式及运行原则如下：

？ 太阳能光伏系统、蓄电池储能系统均接于Ⅲ号母线段，组成一独立的电源系统（下称“Ⅲ号母线段”）；

？ Ⅲ号母线段通过一断路器K2接于Ⅰ号母线段，实现与1#变压器并网供电，并且各太阳能并网逆变器及储能变流器输出交流参数均同步于1#变压器低压侧参数；

？ 三联供机组与2#变压器互锁，为空调系统供电。由于三联供系统不用时，会丧失部分制冷量，需运行备用制冷机组，故变压器的容量比三联供发电机组容量大；

？ Ⅲ号母线段提供电能除满足非空调负荷需求还有较多余量时，可通过切换，实现为空调末端供电；

？ 周末非工作时间，Ⅲ号母线段提供电能除采用蓄电池储能外，多余的采用水蓄冷储能。该项目最大水蓄冷量可达到5200KWh，需要电量为1400KWh （转化比约为3.7）。

？ 在电网故障情况下，Ⅲ号母线段及三联供系统可实现孤网运行，保证建筑群的部分供电。

Ⅰ～Ⅲ号母线段接线示意图如下：

4 太阳能光伏及蓄电池安装容量确定

太阳能光伏系统安装容量以满足日常照明、办公用电需求设计，不考虑对空调系统及厨房等负荷供电。蓄电池容量以满足工作日调峰填谷要求。

4.1 太阳能光伏系统容量确定

根据面积指标估算用电情况（未计空调系统及厨房设备）如下表：

从上表可知除去空调系统、厨房设备后的总安装容量为592.5kW，计算容量为250kW。则8小时工作时间需要电量为：250×8=2000度。

根据工程经验，太阳能电池板在晴朗天气发电效率为70%的时间约为5小时。为满足需太阳能供电设备的用电需求需安装太阳能电池板容量约为：2000÷5÷0.7=571kW≈600kW。

4.2 太阳能电池板配置

本工程太阳能光伏系统采用多晶硅光伏组件作为光电转换装置，光伏组件峰值功率为250Wp，系统峰值总功率600kWp。整个光伏系统由2420块多晶硅光伏组件、14个直流汇接箱、3台直流柜、10台光伏并网逆变器组成。光伏系统分装于办公楼、会议楼、展厅三栋建筑屋面。直流汇接箱置于屋面组件附近，直流柜和逆变器集中安装于地下一层太阳能光伏系统及蓄电池设备房。

4.3 蓄电池容量确定

蓄电池设计的主要目的是满足削峰填谷，提高太阳能光伏的利用率。

需存储的多余电能：

1）根据经验，太阳能电池板在中午休息时间平均发电效率为80%。而12：00到14：00为休息时间该部分时间消耗电能较少，按工作时间的50%估算，该时间产生多余电量约为480KWh。

2）早6：30到9：00该时间段为电池板发电，但不用电时段，平均发电效率按30%计算产生电能为450KWh。故蓄电池需能存储电能约为900KWh，供低谷期或晚上需工作设备用电。

考虑蓄电池放电深度不大于20%，并预留10%的余量，需蓄电池能容量为1200KWh。

4.4 蓄电池配置

综合经济、环保、安全等因素，该项目采用磷酸铁锂蓄电池作为储能蓄电池。

储能系统的总设计容量为1200kWh，分三组设计，并根据孤岛运行的需要，将储能变流器（PCS）按主从设计（一主二从），其中，主PCS的容量为500kW，保证其能承受120KW水源热泵启动的冲击电流，从PCS的容量为250kW。主PCS所带储能电池组为500kWh，从PCS所带储能电池组为372kWh。储能电池组工作在浅充浅放模式下，并自动电池管理系统（BMS），具备自动均衡功能。储能系统共由10个124kWh的储能电池串组成，每个储能电池串由216个CAI180（3.2V/180Ah）单体电池组成。

5 微网监控系统

微网监控系统是整个微电网系统的中枢神经，负责调配电能，实现微电网设计的运行原则。本工程微电网控制系统由天津大学开发。

微网监控系统主要由测控装置、保护装置、监控主机、监控软件、通讯网络、UPS等部分组成。微电网监控系统可实现微电网内数据信息实时采集、设备监控、界面化展示、能量管理等功能。

底层测控装置集成分布式电源及储能系统控制、负荷监视、参数调节、数据采集等，可实现系统“四遥”功能，即：遥测、遥信、遥控和遥调。微网监控系统在各负荷进线和馈线支路安装智能电表，实时监测各回路电压、电流、无功功率、有功功率、电能、频率、谐波等，重要位置的开关（K1、K2、K21、K3、K4、K6、K7）配置“三遥”功能。

监控系统的通讯网络采用以太网连接、分层组件化设计形式，主要由底层的测控装置、中间层通讯服务器以及上层的网络交换机、用户工作站、数据服务器、通讯服务器等设备构成。

通讯服务器具有多个上行和下行通讯网络接口，一方面能够将测控装置汇总的微电网数据进行一定数据处理，并按照规定的通讯格式上送给上位机或数据服务器，完成系统的遥信、遥测功能。另一方面接收上位机下达的指令，转发给测控装置，完成开关远动或设备参数整定，实现系统遥控和遥调功能。通讯服务器与测控装置采用以太网通讯接口，采用IEC60870-5-104通讯规约。

微电网能量管理系统是监控系统的一个重要功能，由数据采集监控、历史数据处理、数据预测、优化决策、报表统计分析、历史库等模块组成。

6 小结

本项目目前正在施工过程中，各项进展顺利，竣工后将为智能微网应用及太阳能光伏建筑一体化提供很好的示范作用，为绿色建筑及零排放建筑提供可借鉴之处。该项目太阳能光伏系统年发电量可达到60万度，每年可以减排二氧化碳598.2吨；节约243.5吨标煤。

参考文献

[1] 太阳能建筑一体化技术与应用，杨洪兴 周伟， 中国建筑工业出版社，2009.01