光柴储一体化智能微网系统
方案及配置
二零一五年七月
目录
1 项目概述 (1)
2 项目整体方案 (1)
2.1微电网系统 (1)
2.2光伏发电系统 (3)
2.3储能系统 (3)
2.3.1储能变流器设计 (4)
2.3.2 储能变流器选型 (5)
2.4柴油机发电系统 (7)
2.5交流控制柜 (7)
2.6微电网能量管理监控系统 (8)
3 系统运行方式： (9)
4 设备清单及报价 (11)
1 项目概述
分布式能源具有间歇性、波动性、孤岛保护等特点，分布式能源电能质量差，分布式能源设备利用率没有被充分发掘。微电网是为整合分布式发电的优势、削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响而提出的一种新的分布式能源组织方式和结构，能有效改善分布式能源电能质量差、分布式能源设备利用率不能被充分发掘等分布式能源的不足。
微电网通过整合分布式发电单元与配电网之间关系，在一个局部区域内直接将分布式发电单元、电力网络和终端用户联系在一起，可以方便地进行结构和配置以及电力调度的优化，优化和提高能源利用效率，减轻能源动力系统对环境的影响，推动分布式电源上网，降低大电网的负担，改善可靠安全性，并促进社会向绿色、环保、节能方向发展。微电网是当前国际国内能源和电力专家普遍认可的解决方案。
本项目拟建设一个室外光储柴微网系统通过低压配电柜给营地负荷供电，可实现对各个电力电子接口采集相关信息，并通过智能配电柜对各个环节进行投切，在并网及孤岛情况下实现发电、储能及负荷的控制，保持微电网系统的平衡。
2 项目整体方案
2.1微电网系统
本微电网系统是一个独立可控制的系统。本微电网将分布式光伏发电、柴油发电机组、营地用电负荷联接起来，本微电网为离网系统，可以通过微电网能量管理系统实现内部多种分布式能源的能量均衡控制及负荷连续不间断供电。
本项目拟建设光储柴微电网系统，系统由光伏发电系统、储能系统、柴油发电系统，控制系统、监控系统以及能量管理系统构成。其中控制系统可实现对分布式电源、负载装置和储能装置的远程控制，监控系统对分布式电源实时运行信息、报警信息进行全面的监视并进行多方面的统计和分析实现对分布式电源的全方面掌控，能量管理系统可控制分布式电源平滑出力与能量经济调度。
系统一次拓扑结构如下图所示：
BAT
柴油机
KM2-N
KM2-L
KM1-N
KM1-L
KM3-N
KM3-L
QF2
QF1
QF3
PV
交流母线
一类负荷
500KVA 隔离变
压器
500KVA 隔离变
压器
储能逆变器SC
储能逆变器SC
交流汇流箱
BAT
直流断路器直流断路器
集成化储能变流器2（备用）
集成化储能变流器1(运行)
光伏阵列及组串式
逆变器
PV
交流汇流箱
光伏阵列及组串式
逆变器
PV
交流汇流箱光伏阵列及组串式
逆变器QF4QF5
QF6
KM7-N KM7-L
二类负荷
KM8-N KM8-L
三类负荷
KM9-N
KM9-L
KMG-N
KMG-L
QF7
QF8
QF9
本微电网能量管理及系统监控网络结构图如下图所示：
光伏阵列胶体铅酸电池柴
发486kW 光伏发电系统AC DC
PCS1
kW
1526.4kWh
380V 通讯管理机柴油发电机组
负载
交流接触器智能测控仪表
一类负载监控主机
监控系统
能量管理系统
交流母线二类负载二类光伏阵列
AC DC
胶体铅酸电池
PCS2互为备用
负荷控制器
kW
BMS 电池
管理系统
微电网能量管理系统可以根据储能情况及负载情况实现对柴油发电机的自动启停控制，以及微电网系统几种不同运行模式的切换，可以实现各分布式电源并离网控制，并网点电气参数监控，实现系统负载远程投切控制。配置一套电池管理系统实现对储能电池的充放电状态及电池电量估计，实现分布式电源能量均衡控制及系统的经济运行。配置负荷控制器，可以根据微电网交流母线电压频率情况，实现负荷分类切除，保证重要负荷的优先供电保障。
2.2光伏发电系统
本项目采用260Wp组件，20串90并，使用15台交流逆变器汇入3台交流汇流箱，然后接入光伏交流配电柜，同时在光伏交流配电柜内配置光伏电能计量表，对光伏发电电量进行计量。光伏交流配电柜的交流输出，经交流接触器KMG接入交流母线。
每个逆变器有两组MPPT输入端，每组可接入三个组件串：
每个交流汇流箱可以接入五个组串式逆变器的交流输出，三个交流汇流箱的交流输出接入光伏交流配电柜。
本系统共可接入6*5*3，共90串光伏组串，每串光伏组串由20个光伏组件串联组成，光伏发电系统容量共计90*20*260Wp = 486kWp。
2.3储能系统
储能采用2V1200AH OPZV阀控式密封胶体蓄电池，数量636只, 电气连接方式为分2组蓄电池并联运行，每组蓄电池318个，额定电压636V。储能系统容量共计：
2*1200*636 = 1524.6kWh
根据营地最新的设备清单，用需要系数法推算的需求电量为1640.6度，其中白天用电量989.5kWh，夜晚用电量651.0kWh。
因此在光照条件不良及柴油发电机故障的双重不利条件下，储能系统可以满足营地约1天的用电需求。
2.3.1储能变流器设计
在本项目分布式发电电源构建的微电网系统中，储能系统除了双向逆变功能外，同时可以进行模式切换控制，实现各电源之间的功率平衡分配，保证系统的稳定运行，提供抗短时冲击能力，平滑供电，储能，削峰填谷，并可配置电池管理系统实现电池的充放电管理。
储能变流器工作原理
储能变流器设备采用模块化设计，每个模块为62.5KW，8个模块并联可组成500KW储能变流器。设备拓扑采用三电平设计，相比较于两电平拓扑，三电平拓扑能够提高开关频率、转换效率和系统稳定性，降低输出谐波、开关损耗和变流器体积。
储能变流器电路主拓扑如下：
图1 储能变流器主拓扑图
储能变流器的一次系统图如下：
图2 储能系统接线图
2.3.2 储能变流器选型
离网逆变器选型
根据项目需求信息，本项目使用的离网逆变器器的容量为500KW。离网逆变器技术参数
型号PWS1-500K
交流输出
额定输出功率（KW）500
接线方式三相四线
输出过载能力（KW）550
带不平衡负载能力100%
并网运行模式
允许电网电压（Vac）400（-20%~15%）
允许电网频率（Hz）50/60（-2.5~1.5）
总电流谐波畸变率≤3%
电压纹波系数≤1%
功率因数0.99/-1~1
直流输入
最大直流功率（KW）550
直流电压范围（Vdc）500~800
最大输入电流（A）1000
稳压精度≤±1%
稳流精度≤±1%
直流电流分量<0.3%额定输出电流
系统参数
最大转换效率95.0%（不含变压器损耗）
尺寸（宽×高×深mm3）800*2160*800
重量（Kg）400
噪声（dB）＜65
防护等级IP20
允许环境温度-20~55
冷却方式风冷
允许相对湿度0~95%（无凝露）
允许海拔高度3000
紧急停机有
显示和通讯
显示触摸屏
通讯接口RS 485和Ethernet，Modbus协议
BMS接入有
本储能变流器具有以下功能：
并网功能
●接入锂电池时分为恒功率充电和恒流充电两个阶段；面向铅酸时，可以分为
预充电、快充、均充和浮充四个阶段。
●并网放电，可以通过预先设置或者集中监控实时调度进行控制。
●四象限独立控制有功和无功
●与电网调度系统配合，可按照历史曲线或者实时负荷进行调峰，实现电网的
削峰填谷。
●与电网调度系统及AGC配合，可参与电网二次调频。
●与AVC相配合，可实现电网静态无功控制，紧急情况下可快速输出无功，避
免负荷低压脱口及电压崩溃，实现紧急无功控制
●实现平抑各个间歇性电源功率，稳定输出。
离网运行
●离网运行时，可为负载提供稳定的电压和频率。
●离网运行时，光伏可以通过变流器给电池充电，电池同时可以给负载放电，
实现能源利用最大化。
模式切换
●储能变流器与后台监控系统配合可实现并网、离网模式自动切换，可实现计
划性无缝切换。非计划性孤岛并离网切换最快可达80ms。
图3 500KW储能变流器机柜图
2.4柴油机发电系统
根据营地一期总设备容量355.6kW，计算负荷有功功率204.5kW，无功功率137.4kVar视在功率248.0kV A。
考虑到连续数日光照不良的天气状况，柴油机输出功率应该能满足营地用电需求，同时应该考虑部分富余功率对蓄电池储能系统进行充电，以备出现柴油发电机故障时，可以由储能系统完成对营地用电负荷的供电只需。
柴油发电机通常工作在30~70%额定功率范围内，其燃油经济性最优，因此综合考虑配置一台500kW柴油发电机组，如果柴油发电机控制部分可以以通讯方式将柴油发电机组运行参数送出，则可将其接入微电网能量管理监控系统，实现对柴油发电机组运行数据的实时监测和报警。
2.5交流控制柜
本微电网系统配置1面光伏交流配电柜，实现3个交流汇流箱的交流输入，经汇流后经光伏发电计量装置，其输出接入交流母线。光伏发电计量表的实时发电量数据可以通过通讯管理机送至微电网能量监控系统实现实时监控及发电量统计报表等功能。
本微电网系统配置3面交流控制柜：
交流控制柜1实现储能变流器1（正常情况下长时间运行）交流输出及光伏
交流配电柜交流输出的并联接入
交流配电柜2实现储能变流器2（正常情况下停运，备用状态）的交流输出及柴油发电机交流输出的并联接入。
交流配电柜3实现负荷的分类分级输出，共设置三个交流负荷供电回路。 交流配电柜间通过屏间电缆连接，实现交流母线的互联。 2.6微电网能量管理监控系统
光伏阵列胶体铅酸电池柴
发486kW 光伏发电系统AC DC
PCS1
kW
1526.4kWh
380V 通讯管理机柴油发电机组
负载
交流接触器智能测控仪表
一类负载监控主机
监控系统
能量管理系统
交流母线二类负载二类光伏阵列
AC DC
胶体铅酸电池
PCS2互为备用
负荷控制器
kW
BMS 电池
管理系统
我公司采用“多微电网结构与控制”在示范工程中实施的微电网三层控制方案结构。最上层称做配网调度层，从配电网的安全、经济运行的角度协调调度微电网，微电网接受上级配电网的调节控制命令。中间层称做集中控制层，对DG 发电功率和负荷需求进行预测，制定运行计划，根据采集电流、电压、功率等信息，对运行计划实时调整，控制各DG 、负荷和储能装置的启停，保证微电网电压和频率稳定。在微电网并网运行时优化微电网运行，实现微电网最优经济运行；在离网运行时调节分布电源出力和各类负荷的用电情况，实现微电网的稳态安全运行。下层称做就地控制层，负责执行微电网各DG 调节、储能充放电控制和负荷控制。
微电网监控系统通过采集DG 电源点、线路、配电网、负荷等实时信息，形成整个微电网潮流的实时监视，并根据微电网运行约束和能量平衡约束，实时调度调整微电网的运行。微电网监控系统中，能量管理是集成DG 、负荷、储能以
及与配电网接口的中心环节。
微电网能量管理对微电网内部分布式电源（包括分布式发电与储能）和负荷进行预测，在微电网并网运行、离网运行、状态切换过程中，根据分布式电源和负荷特性，对内部的分布式发电、储能装置、负荷进行优化控制，保证微电网的安全稳定运行，提高微电网的能源利用效率。
微电网能量管理系统功能如下：
1）分布式电源并离网远程自动控制
2）分布式电源并网点电气运行参数监控
3）营地负荷的自动分级控制，该功能由负荷控制器根据母线电压、频率等实现对负载的分级切除
4）光伏组串式逆变器运行参数监视
5）储能变流器运行参数监控，遥调指令下发
6）储能电池管理系统运行数据监视，并根据储能电池电量状态，实现对其智能充放电控制
7）分布式电源发电量数据报表统计，负荷用电情况报表统计及系统经济运行分析
8）根据监视数据实现对系统运行模式的自动切换控制
9）微电网系统有功、无功自动控制，实现微电网系统电压及频率稳定
3 系统运行方式：
1>离网运行模式：光伏和储能变流器1正常供电。
接触器KM3、KMG吸合，接触器KM1、KM2断开，储能变流器1工作在v/f模式，光储对负载供电。
在该模式下，能量管理系统依据负荷功率、光伏功率、电池状态进行协调控制，维持系统功率平衡，保证系统频率和母线电压稳定，具体控制策略如下：1）当光伏发电大于用电负载时，光伏发电给负载供电，若电池未充满则多余的电存储在电池中，若电池已充满则将光伏发电功率进行限制；
2）当光伏发电小于用电负载或光伏不发电时，光伏发电给负载供电，同时储能系统放电给负载供电。当电池电量低于一定值（可设置，需保证柴油机启动时间内电池有足够的电量维持系统稳定运行）时，进入离网运行+柴油机运行模
式；
2>离网运行光伏+储能+柴油机供电模式：
离网模式运行时，当电池电量低于一定值（可设置，需保证柴油机启动时间内电池有足够的电量维持系统稳定运行）时，接触器KM2吸合，启动柴油发电机，使得储能变流器工作在P/Q模式，柴油发电机给负荷供电同时，并根据设定的充电功率对电池充电，当检测到电池容量大于一定值（可设定）时
恢复到离网运行模式。
3>应急运行模式
当储能变流器1故障时，此时能量管理系统使整个系统进入停机指令，整个系统处于无电状态，需现场运维人员排除故障，此时可利用备用的储能变流器2使系统进入应急模式，保证负荷供电。
手动断开QF3，由现场运维人员从监控系统发送应急运行模式指令后，接触器KM1、KMG吸合，接触器KM2断开、储能变流器2工作在v/f模式，与光伏一起对负载供电。此模式下的控制逻辑与离网运行模式类似。
4>柴油机供电模式
当储能变流器1和储能变流器2全部故障时，此时能量管理系统使整个系统进入停机指令，整个系统处于无电状态，需现场运维人员排除故障，并可使系统进入柴油机供电模式继续给负荷供电。
手动断开QF1和QF3，由现场运维人员从监控系统发送柴油机供电模式指令后，接触器KM1、KM3、KMG断开，接触器KM2吸合，启动柴油机，由柴油机给负载供电。
4 设备清单及报价
序号设备名称基本型式数量单位单价总价备注
1
储能变流器
（单级500kW）
三相户内型 2 台
2 A500交流控制柜1与储能变流器1、
光伏交流配电柜
配套
1 台
内含智能测
控计量仪表
3 A500交流控制柜2与备用储能变流
器、柴油发电机
配套
1 台
内含智能测
控计量仪表
4 A500交流控制柜3 配置三个负载供
电回路
1 台
内含智能测
控计量仪表
4 光伏交流配电柜实现3个光伏交
流汇流箱接入
1 台
内含智能测
控计量仪表
5 集装箱定制 1 台
6 柴油发电机500kW 1 台
7 蓄电池2V1200Ah 636 只
8 光伏组件260W 1800 块
9 光伏支架486kWp 1 项
10 组串式逆变器33kW 15 台
11 光伏汇流箱交流 3 台
12 能量管理系统
MEMS-8000
监控主机 1 台
放置与储
能变流器
集装箱内通讯管理机 1 台
负荷控制器 1 台
GPS对时 1 台
UPS电源 1 台
能量管理系统
机柜
1 台
能量管理系统
软件
1 套
13 电缆光伏直流电缆 1 项低压交流电缆 1 项
14 技术服务费用
含设备调试
、试验、试运行、
技术培训
1 项
15 施工费含建筑、安装等 1 项