史珺博士：智能光伏微电网的特点与构建

一、前言

随着国务院[2013]第24号文的发布，我国建设分布式光伏电站的高潮即将到来。针对光伏发电的技术和应用特点，本文指出，要使分布式光伏电站能够顺利健康地发展，必须结合智能微网技术，建设以光伏为主、多种新能源为辅、储能与发电结合、信息与控制系统完备的智能光伏微电网，才能够充分发挥光伏发电的优点，避免光伏发电不稳定的缺点，保障供电的稳定性和可靠性，促进光伏发电的全面普及。

二、光伏发电的特点

光伏发电具有清洁、无限量、不受地域限制、运行维护量小等优点，因此，相对风电、核电、生物智能等可再生能源来说，优势比较明显。但是，光伏发电的缺点同样也很明显。过去，限制光伏发电的主要因素是成本高，这也是导致早期光伏发电难以推广的主要缺点。但自从2006年光伏产业发展以来，光伏发电的装机成本已经从每峰瓦60元人民币，下降到了现在的约8元人民币。成本的下降促进了光伏装机容量的迅猛上升。

但随着光伏装机容量的上升，光伏发电的其它一些技术弱点也逐渐变得明显而不能被忽视。

首先，是光伏发电的不稳定性。光伏发电的不稳定并非是光伏发电系统自身的不稳定，而是源于日照的不稳定。例如，夜晚完全不能发电，而天气的影响对光伏发电量的影响也很大，更严重的是晴天有云的时候，一朵云彩的飘过会造成发电量的巨幅波动。从电力供应的角度来说，这是一个很大的弊端。目前，采取发电侧并网的地面电站，完全依赖主干电网进行调节，当光伏发电的容量逐步增大时，瞬间的大容量波动会给电网造成较大的冲击。我国的电网设计容许的波动，通常不超过15%，这也意识着如果光伏发电的容量比重超过这个比例，那么，发电量的不稳定有可能造成电网的崩溃。

其次，是光伏发电的能量密度较低。这源于日照强度的特性和光伏发电的光电转换效率，通常，每平方米的组件的峰值功率上限目前大约在150瓦以下，大部分时间在100瓦左右。这会导致光伏发电的占地面积较大，因此，大型地面电站仅在荒漠和戈壁比较适宜，而在我国东部、特别是东南沿海，几乎不可能建造大型地面电站。这就是为什么要鼓励发展分布式光伏发电的原因，尽量利用建筑物的顶部而不占用土地进行发电。由于负载的特性大多也是分布式的，因此，分布式发电是一种与负载分布形式匹配的发电方式。

第三，光伏发电的功率可调性差。当负载增加时，光伏发电无法提供更多的电力，当负载下降的时候，光伏发电也无法根据负载降低功率。所以，在利用光伏发电的时候，要么采用与主干网并网的方式，将主干网作为功率调节池，要么就要采用其它能源进行补充，同时，还必须采用储能的方式，将负载下降时产生的多余能量存储起来。

随着光伏发电的规模的增加，上述弱点将越来越明显，对光伏发电的阻碍和限制也越来越大。为了保证光伏发电的健康发展，促进光伏这个具有明显优势的清洁能源的推广应用，无论是地面光伏电站还是分布式光伏发电系统，必须要设法通过各种技术手段解决上述缺点，保障光伏能够提供进行大规模稳定的电力供应。

智能光伏微电网是解决这个问题的唯一手段。

三、智能光伏微电网的特点

微电网，又称微网，是相对传统大电网的一个概念，它是指多个分布式电源、负载、储能系统和控制装置按照一定的拓扑结构组成的电力网络。在微电网内部，电源和负荷能够基本匹配，并能够实现自我控制、保护和管理，可以孤立运行，同时，也可以与外部电网并网运行。

由于微电网的概念是将发电系统即电源与负荷置于同一个区域内，因此，特别适合光伏发电等能量密度较低的新能源进行分布式发电。同时，微网内部采取多种电源形式的高可靠供给，可以完全克服光伏发电不稳定的弱点，充分促进光伏发电及其它可再生能源的大规模接入，有利于促进传统电网向智能电网的过渡。

智能光伏微电网指的是，采用光伏发电作为白天的主要供电电源，同时利用其它能够与光伏互补的各种可再生能源的同时接入来满足不同气候条件下的电力供应，并利用储能系统和包括微型燃气轮机等清洁能源作为供电的调节手段，通过先进的自动控制技术和信息网络技术实现网内的智能控制和网间的远程调度，保障在负荷与电源发生变化时的供电稳定性。总结出十六字方针，就是“光伏为主、多能互补、发储结合、智能调控”。

智能光伏微电网的特点主要有以下四点：

1） 多种新能源的结合

由于光伏发电仅能够在白天天气较好的情况下进行供电，即便与主干网相连，当光伏发电的容量增大，在某一地的局部对当地电网有可能形成较大的冲击。因此，在一个微电网的范围内采取多种形式的新能源相结合，是缓和光伏发电的波动性、稳定电力的必要手段。

能够作为微电网的电源的其它可再生能源有如下几种：

微型风力发电。主要是微风风力发电，在风力条件能够满足发电的条件下，可以作为光伏发电的补充。微风电站适合风力条件满足的村镇和高层建筑。

小型水力电站。指在有条件的村镇附近，可采用小型水电站或抽水蓄能电站的方式，作为微电网的补充能源。

生物质能电站。可在村镇或者小型城市周边，利用沼气进行发电，作为微电网的补充能源。沼气发电可与垃圾处理、有机肥的生产相结合。

微型燃气轮机。微型燃气轮机采用天然气发电，适用于城市社区和农村。

各种形式的新能源综合使用，可以大大减少光伏发电的波动性，尤其是在光伏发电量下降的时候对光伏发电进行补充，同时，也能够因地制宜，充分利用微电网所在地区的各种可再生能源和资源。

2） 储能技术

无论是采用何种新能源，都不能完全保证微电网的供电绝对稳定。另外，在电源事故或电网故障的情况下，为了保证用电负荷的安全，储能系统作为备用电源也是必不可少的。

目前，储能技术较为成熟的是铅酸蓄电池，但有寿命短和铅污染的问题。能够适用于智能光伏微电网的新型储能系统有如下几种：

钒流体电池。该技术采用钒化合物作电解质，通过钒的不同电价的转换进行充放电。优点是容量大、电流密度大、供电稳定、充放电次数多（使用寿命长）、充放电效率高；缺点是，且目前成本较高，产业化不够成熟，市场规模受钒资源限制。

飞轮储能。优点是充放电次数多、电流密度大、供电稳定、无化学反应；缺点是自放电较严重。

超级电容。优点是电流密度大、充放电次数多、寿命长、无化学反应；缺点是自放电严重，单次储能时间较短，产业化程度不够。

以上各种新型储能技术目前均存在成本较高的情况。但随着产业化程度的不断成熟，相信产品的质量、性能、稳定性均将有大幅提高，成本也可以大幅度下降。

微电网的储能系统要满足以下三种情况的要求：1）在电源或电网事故情况下，储能系统能够迅速替代电源，为微电网内部的负荷供电；这种情况，储能系统相当于紧急备用电源的角色，要求电流密度大；2）在微网内大型负荷启动时，由于电流往往数倍于运行电流，因此，可能正常电源的容量不足以满足负荷的启动要求，需要储能系统提供瞬时大电流；3）在光伏以及其它电网发电不足时，起到为微网内负荷供电的功能。

目前，上述各种储能技术难以同时满足以上三个要求，可考虑各种不同储能方式的结合，例如，钒流体电池与飞轮或超级电容结合使用，即可避开各自的缺点，而满足微电网的储能需求。

3） 电力质量控制与保护系统

智能光伏微电网的每个网内，都有电源和负荷。设计时，要求电源和负荷容量是基本匹配的。但是，由于可再生能源的发电自身的不稳定性，这种匹配只能在理想状态下实现。负载的变化、电源的波动，都需要通过储能系统进行调节。

每个微网都需要有一个微网控制中心，除了监控每个电源、负荷和储能的电力参数、开关状态和电力质量与能量参数外，还要通过开关控制对上述内部的电力调度进行控制，此外，微网控制中心还要对每个装置内部进行控制和调节，这种调控可以通过每个装置的本地控制器来进行，但必须与微网控制中心联网。

微网控制中心还必须有在孤岛运行与并网运行之间的切换装置，和针对负荷、电源和电网的保护装置。

微电网内部由于总体容量较小，因此，负荷阻抗的感性还是容性就对功率因数影响较大。为此，在微电网内部，必须根据负荷的阻抗性质配置相应的补偿系统。另外，多电源的并网可能会造成网内的谐波分量较大，纹波系数较高，因此，要有消除高次谐波的装置。

4）智能光伏微电网的信息系统

而由于储能成本的限制，储能系统对于负荷和电源变化的调节不可能是无限的。因此，微电网在正常运行时，最好采取与主干电网并网运行的方式。在微电网的电源故障情况下，电网可以为微电网进行供电，而在微电网的负荷停机时，微电网要向电网发电。为此，需要进行微电网与主网的潮流控制，其中，微电网和主网要进行实时信息交换。

通常，主干电网对于微电网的负荷变化或者发电量的变化是能够消纳的，但是，主电网对于这种变化需要一定的时间响应。如果是瞬时大容量的变化，无论是发电还是供电，都会对电网带来影响。为此，微电网内部的控制系统需要与主干网的电力调度系统联网进行信息通讯，要做到在电源或负荷变化时，先用储能系统调节供电，同时，通过信息系统将信息通报给主电网，并给主电网以充足的时间进行调度，这样，就可以保证微电网的供电和主电网的稳定。

智能光伏微电网的信息系统还可以帮助微电网之间的互联和互相调度，这样，有助于主电网的稳定，减少主电网的供电压力。并在主电网故障时，减少故障对于微电网内负荷的影响。

四、智能光伏微电网的构建

智能光伏微电网是以光伏作为主力发电，其它新能源为辅助动力，储能系统作为调节作用的，因此，首先要保证各发电单元的可靠性，同时，要求对天气变化（日照、风力等）的影响有一定的预测功能。其次，所有的发电系统必须根据微网内部的电压等级设计，进行开放性与规范性兼顾的互联。

由图1可以看出，智能光伏微电网由光伏、微风发电、微型燃机发电等电源系统，钒电池、超级电容和飞轮等储能系统，网内负载，输配电系统、保护系统和微网控制中心（微网控制器）组成。所有的发电系统必须具备本地的智能控制功能，能够将本身的发电运行数据发送到微网控制中心，并通过微网控制中心送到外电网。

微电网通过隔离变压器和保护装置与外电网相连。微电网可以并网运行，也可以脱离主电网进入孤岛运行模式。微网控制器对微电网的内部运行进行统一控制和调度，同时负责与外部电网的调度。

（图略）

图1 智能光伏微电网的结构

智能光伏微电网的设计，首先要考虑当地的电力负荷需求，然后根据当地的日照、风力、水力、沼气等资源，进行发电系统的容量配置和选址，并根据负荷的用电需求和电源的容量以及发电的时间特性进行储能系统和微型燃机发电系统的设计，最后，从组网的角度进行整个微电网的组网设计。

在智能微电网监控主站系统的设计上，必须充分考虑与配网自动化系统平台在系统建模、维护、信息共享、运行管理等方面的一致性，针对微电网内部不同厂家的设备，要进行规范性、标准性的建模与规范设计，严格遵循国网公司制定的标准与规范设计，包括：国际标准IEC 61968、IEC 61970等，并提供开放的应用编程接口（API），有利于系统今后的功能扩充。系统将商用关系型数据库和实时数据库在设计上有机地结合在一起，提供对数据模式的建立、数据存贮、报表系统以及对外部系统的数据接口。

多个微电网之间可以通过主干网相连，也可以直接通过一个独立于现有公网之外的新的子网相连。微电网之间的调度通过远程调度系统实现。不同微电网之间的互联能够减少主电网的负担，增加电网的稳定性，并在主网故障时，为主网提供必需的电力。

设计之后，进行微电网的设备选型，要求是可靠性，智能性，和开放性。

智能光伏微电网的建设，包括各发电系统的建设、储能系统的建设、中心配电站（含输配电系统、并网系统、微网控制中心等）的建设、微网内部电缆的敷设、以及信息系统的安装和调试。

运行调试首先进行孤岛运行调试，对各装置的启停和切换进行调试，同时，观察负载变化时储能系统的调节能力。然后进行并网调试，观察光伏电站等电源接入和断开时，电网的调节能力和电力质量的波动情况。还要进行各类保护试验。

智能光伏微网由于发电和负荷以及控制均在一地，设备数量较多，而且控制要求复杂，维护内容首先要求对于光伏电站进行系统维护，保证光伏发电的最大出力，其次，对于其它发电系统如风力、水电、生物质能、微型燃机等设备进行维护，而且，还要对于配网、保护、控制中心进行维护。因此，对于微电网的维护要求要比传统电网的配电维护要高出许多。这要求微网公司的业主或微网系统集成公司在当地要有常驻的维护和运行队伍，而且，对于运维人员的技术要求比较高，需要经过专门的职业培训。

智能光伏微网的运行需要与主干网有及时和充分的信息交互，每个微网控制中心要与电网的调度系统和SCADA系统进行联网通讯，这样才能保证微电网与主干网能够相互支持，而减少或消除相互的影响。多个微电网联网时，要有自己的县域甚至省域SCADA系统，可通过公用无线网络进行远程通信。而微电网的业主可以通过控制中心对于各个微电网的运行情况、设备状态、电力参数和电力质量进行监控，对各微电网的设备进行远程监控。

五、结语

智能光伏微电网的建设和发展，能够将各种形式的新能源发电集成起来，并能够克服光伏发电和其它新能源发电的弱点，保证光伏发电的稳定性，充分发挥新能源清洁和可再生的优点；微电网的建设可减少电网的投入，大大减少火力发电的容量和雾霾、酸雨等大气污染，将大量的煤炭、石油、天然气等能源节约下来作为原材料而不再是燃料使用。而随着微电网的数量的增加与互联，能够将城市、城镇和农村的大量工业与民用建筑和工农业设施均变为发电建筑和发电设施，不仅可以解决新农村和城镇化带来的新增用电需求，而且也对原有的电力需求予以规模性的替代，对于实现第三次工业革命有着极其重要的意义。