园区多能互补微电网智慧能源舱系统研究

本文作者：左涛，张新太

摘要：多能互补微电网是构建“互联网+”智慧能源系统的重要支撑，随着绿色环保、多重融合、高效智能、快速建设等微电网新理念的持续深化，亟需创新研发一种全新的微电网产品和建设模式来满足微电网的发展需求。 本文以乐山一拉得电气工业园光风充储荷多能互补微电网智慧能源舱系统为例，研究了一种依托预制舱式模块化集成化设计思路，能将各系统高度集成在一台预制舱式舱体内，可以实现多种能源柔性互联互补与控制的智慧能源舱系统产品，以及一种标准化设计、工厂化加工、装配式建设的快速配送式、快速装配式微电网建设模式。

1 引言

多能互补微电网是构建“互联网+”智慧能源系统的重要支撑，建设在用电需求侧，围绕社区或者园区用电需求配置分布式光、风等清洁可再生能源和储能电源，通过新能源发电、用电能量管理与微电网策略控制，将光、风、充、储、荷等多种元素进行多重融合和互补，实现可再生能源在区域内最大限度的高效利用，保障园区电力供需平衡，确保园区重要负荷不间断供电和实现节能降耗、降本增效的社会经济效益。

但是常规微电网系统的分布式发电系统、充电系统、储能系统、变配电系统等子系统的管控部分均各自独立分散布置在单体柜内，单体柜集中放置在土建结构的配电房内，由于土建配电房现场施工流程和建站模式上的缺陷，常规微电网存在系统集成度低、设备运行环境差、施工难度大、建设周期长、占地面积多等诸多弊端。

随着绿色环保、多重融合、高效智能、快速建设等微电网新理念的持续深化 [1] ，亟需创新研发一种全新的微电网产品和建设模式来满足微电网的发展需求。本文以四川乐山一拉得电网自动化有限公司电气工业园光风充储荷多能互补微电网智慧能源舱系统为例，研究了一种依托预制舱式模块化集成化设计思路，能将各系统高度集成在一台绿色环保、便于移动、防腐防潮、隔热隔音、耐火防撞、外形美观的预制舱式舱体内，可以实现多种能源柔性互联互补与控制的智慧能源舱系统产品，以及一种标准化设计、工厂化加工、装配式建设 [2] 的快速配送式、快速装配式微电网建设模式。

2 智慧能源舱系统需求分析与总体设计

园区多能互补微电网项目以解决多种新能源柔性互联互补为依托，建设规模包含20kW分布式光伏发电系统、5kW分布式风力发电系统、6×10kW电动汽车充放电系统、80kWh电池储能系统、35kW重要负荷（园区办公楼照明和计算机电源等）、智慧能源舱等部分。

2.1 智慧能源舱系统需求分析

（1）功能需求

园区希望通过投资建设多能互补微电网起到两方面的作用：一是实现园区重要负荷无感知不间断供电，当配电网由于计划性断电或外部扰动导致的非计划性断电时，系统能够在20ms的时间内由并网转到独立运行模式（即孤岛运行状态），迅速恢复供电并持续供电2个小时 [3] ，使重要负荷不间断运行；二是光伏发电、风力发电、电动汽车充放电、电池储能等多种能源系统实现柔性互联互补，通过高峰时段参与削峰填谷，实现节能降耗、降本增效，取得一定的社会经济效益。为此，智慧能源舱系统要成为微电网的神经控制中枢，要具备微电网各种运行策略下的能量路由、信息交互、负荷管理、能量优化、电能质量调节、并离网运行、微电网调度等多种功能，实现微电网全生命周期安全、可靠、经济、高效、自治运行。

（2）建设需求

园区希望摒弃传统的土建配电房建设模式，按照标准化设计、工厂化加工、装配式建设的新理念，以模块化集成化预制舱式产品的形式，实现建设周期短、建设投资省、占地面积少、绿色环保、施工简单、安全可靠、布局灵活、外型美观的快速配送式、快速装配式建设模式。

2.2 智慧能源舱系统总体设计

基于以上需求分析，智慧能源舱系统的总体设计方案如下：

2.2.1 辐射型拓扑结构设计

拓扑结构是指网络中的结构设计，包含了电气内部接线网络、光伏发电、风力发电、电动汽车充放电、电池储能、用电负荷在网络中所处的位置。根据微电网的工作特点，拓扑结构通常有辐射型拓扑结构、环型拓扑结构、中心环型拓扑结构三种 [4] 。综合考虑园区分布式电源和交直流负荷的分布特性，采用辐射型拓扑结构。该拓扑结构中，光伏、风力发电系统可对园区配电网容量进行补给，电动汽车充放电和电池储能参与削峰填谷，使配电网负荷曲线趋于平缓，降低了电力负荷需求，缓解了配电容量增容矛盾。

图1 智慧能源舱系统拓扑结构

2.2.2 交直流混联架构设计

传统微电网均以交流供电为主，光伏发电需要经过逆变、升压、降压后才能实现电能利用 [5] ，为了减少电能转换的中间环节，提高能源利用效率，系统电压母线采用AC380V交流与DC765V直流混联的架构，属直流性质的光伏发电、电动汽车充放电、电池储能直接接引至直流母线，属交流性质的风力发电、重要用电负荷直接接引至交流母线。

2.2.3 协调控制策略设计

微电网各子系统通过电力电子装置实现能量的转换，并提供必要的控制。因此，微电网的运行离不开稳定而完善的控制策略，国内外对于微电网控制策略的研究主要集中在两个方向：一是微电网与配电网并网运行模式下，各级微电源系统的控制；二是当配电网系统遭遇外部扰动（故障）时，微电网系统基于本地信息自主、迅速做出反应，微电网脱离配电网进入孤岛运行模式下，各级微电源系统的控制 [6] 。可分为并网启动策略、并网稳定运行策略、孤岛稳定运行策略、孤转并策略、并转孤策略（计划性）和并转孤策略（非计划性）六种 [7] 。

（1）并网稳定运行策略

微电网并网稳定运行按照“自发自用、余电上网、错峰用电”的运行模式 [8] 。策略基本原则是微电网与本地配电网连接，光伏发电系统工作于最大功率点跟踪（MPPT）控制，风力发电系统通过尾舵对风获得最大风能，在峰谷分时电价机制下（乐山市峰电价0.85元/度，谷电价0.32元/度），有两种运行场景：

■ 光伏和风力充足，出力大于负荷需求时，给负荷供电，多余的电能为电动汽车和储能电池充电，充满电后，多余电能全部上网。

■ 光伏和风力不足，出力小于负荷需求时，在电价高峰1时段（早07:00～11:00），光伏、风力、电动汽车、储能电池、配电网按照优先顺序对负荷供电，当电动汽车和储能电池放电深度DOD=80%时，电动汽车和储能电池停止放电，由光伏、风力和配电网共同对负荷供电；在电价高峰2时段（晚19:00～23:00），风力、配电网共同对负荷供电，若风力发电留有余量，则为电动汽车和储能电池充电；在夜间电价低谷时段（23:00～次日07:00），风力和配电网共同为负荷供电，为电动汽车和储能电池充电；电价平价时段（11:00～19:00），光伏、风力和配电网共同对负荷供电，电动汽车和储能电池接受光伏和风力的剩余电量充电。

表1 智慧能源舱系统充放电策略表

（2）孤岛稳定运行策略

（3）孤转并策略

当孤岛运行的微电网要与配电网并网前，微电网启动统准同期并网控制，当微电网电压偏差满足GB/T12325、电压波动和闪变满足GB/T 12326、谐波满足GB/T 14549、三相电压不平衡度满足GB/T 15543时，并离网快速切换开关闭合，在20ms内完成由孤岛切换到并网的切换过渡。

（4）并转孤策略（计划性与非计划性）

当配电网因计划性停电或遭遇外部故障，造成市电失电时，微电网并离网快速切换开关断开，在20ms内完成由并网切换到孤岛的切换过渡，利用分布式发电、电动汽车放电和电池储能，保持微电网电压母线稳定，重要负荷受电不受影响，实现系统并离网切换过程无感知运行。

图2 智慧能源舱系统运行控制策略

2.2.4 模块化集成化预制舱式设计

常规微电网子系统的单体柜布置方式存在现场连线复杂、效率低、占地多、运行维护难度大等缺点。智慧能源舱利用预制舱式产品集成化、模块化的理念，把变配电系统、光伏发电系统、风力发电系统、电动汽车充放电系统、电池储能系统等子系统进行箱柜一体化结构设计，内部采用模块化组装，高度集成在一台预制式舱体内，形成一套完整的预制舱式产品，使其成为一个具备能量路由、信息交互、负荷管理、能量优化、电能质量调节、并离网运行、微电网调度等多功能于一体的能量魔方，实现对多种能源的协调控制与交互；同时满足微电网建设中一、二次系统集成化、装配模块化、建设过程工厂化、施工简单化的要求。

▲ 图3 预制式智慧能源舱

▲ 图4 舱内子系统集成组装

2.2.5 舱体非金属预制件装配式设计

预制舱式产品的舱体材料主要有金属与非金属两种。金属舱体存在易腐蚀，防水性能差，导热系数大，防火性能较差，使用寿命较低等缺点。近年来，随着新技术、新材料和新工艺的出现，诞生了一种以高性能纤维（玻璃纤维或玄武岩纤维）复合材料为主要成分的非金属预制件产品，以该预制件为结构壁板，通过干式工法装配形成的预制舱体具有极佳的物理性能，能够提升预制舱式舱体的隔声、传热、燃烧、抗冻、防腐等关键性能 [10] ，能够确保智慧能源舱内一二次电气设备的安全稳定运行。

3 智慧能源舱系统硬件组成

3.1 光伏发电系统

光伏发电系统由舱外光伏组件与舱内光伏控制柜模块组成。由于单晶硅光伏电池相较多晶硅光伏电池具有功率密度大、光电转换效率高等优点 [11] ，以及综合考虑技术成熟性、价格、服务等，舱外光伏组件采用24串3并共72块TPS-M6U（60）-290W型单晶硅光伏电池组件，并且为了为达到最佳的能源供给，光伏板水平夹角为21°，光伏系统出力随光照强度及温度而变化。单晶电池片性能部分参数如下：

表2 单晶电池片性能参数(部分)

舱内光伏控制柜模块包含光伏控制器、直流断路器等。光伏控制器采用扰动观察法（P&O），通过改变光伏电池的直流电压实现输出功率变化，比较不同电压下的输出功率，直至搜索到最高的功率点，实现最大功率点跟踪（MPPT），并控制光伏发电系统启停、电压调节、反孤岛保护、电能质量调整等，是并网系统能量转换的核心部件。

图5 光伏控制器P&O 搜索示意图

3.2 风力发电系统

风力发电系统由舱外XG-5kW型360V变桨距风力发电机和舱内风电控制柜模块组成。变桨距风力发电机具有全气候应用，高效率，高安全性等特点。舱内风电控制柜模块包含风电并网控制一体机、直流断路器等，风电并网控制一体机与风力发电机配合使用，能够将发电机输出的直流电进行整流、逆变、汇流后接入交流母线。风力发电机部分参数如下：

表3 风力发电机参数(部分)

图6 变桨距风力发电机

3.3 电动汽车充放电系统

电动汽车充放电系统由舱外落地式直流充放电桩和舱内双向充放电控制柜模块组成。落地式直流充放电桩是智慧能源舱系统与电动汽车能量双向流动和交互的接口设备，以落地式安装居多，也有壁挂式、车档式等不同安装方式。舱内双向充放电控制柜模块包含1台功率分配单元PDU以及6×10kW双向DC/DC充电模。PDU直流功率分配单元采用矩阵式连接，大大提高了电力电子模块的利用率，可对直流电能的流动进行双向控制与计量，使功率输出和分配更具柔性，从而实现电动汽车充放电管理、CMS柔性充电、主动防护故障处理、充电优先级等功能。双向DC/DC充放电模块是电动汽车与电网能量交互的控制开关，具有体积小、噪音小、抗高温、高效率、宽电压范围等特点，具有功率双向流动能力，同时模块内含有双向直流变压器（BDCT），能够实现微电网与配电网两侧之间高频隔离和电压变换。

3.4 电池储能系统

电池储能系统直接接引至直流母线，能在电价高峰时段调峰削峰，减小负荷峰谷差；能在配电网失电时，稳定直流母线电压，保证重要负荷不间断供电，提高供电可靠性和供电质量。储能系统集成在智慧能源舱内，由储能电池簇(柜)和储能控制柜模块组成。由于磷酸铁锂电池电化学储能性能相较于钴酸锂电池、锰酸锂电池、三元锂电池、钛酸锂电池，具有功率密度高、输出电压高、输出电压稳定、充放电循环性能好以及循环寿命长、工作温度范围广、安全可靠等优点 [12] ，故舱内电池储能采用384个单体额定容量5AH、额定电压3.2V的磷酸铁锂电池单体经过串并联组合起来，形成标称电压为614.4V、标称容量150Ah，最大电量为92.16kWh的储能电池簇(柜)。储能控制柜模块包含DC/DC变换模块、直流断路器等。其中DC/DC变换模块功率达到60kW，可对直流微网与储能单元进行大功率电能交互进行控制。

图8 储能电池簇(柜)

4 智慧能源舱系统软件组成

智慧能源舱系统软件管理部分包括能量管理系统和电动汽车群管群控系统。

4.1 能量管理系统

主要负责监视和控制配电负荷及接入的光伏、风力、电动汽车、储能电池的运行情况，并与后台系统、充电云平台、能源云平台进行远程交互，实现远程监测、管理、计量、自动计费、电网协同调度。同时，监测系统并网点的用电量和余量上网的光伏发电量以及充放电及光伏收益，帮助园区运营人员做出精准的电能使用决策，最大限度降低企业用能成本。

能量管理系统的主界面主要分为园区配电、能耗概况、光伏监控、用电分布、报表查询、告警管理几个部分。可实时查看各种可调配负荷的状况，当天园区光伏发电情况，以及当日的用电量、节电量。

▲ 图9 能量管理系统主界面

4.2 电动汽车群管群控系统

电动汽车群管群控系统是一套包含电能交互层、智能监控层和数据平台层的智能充电系统。电能交互层包含电网接入、变电设备、配电设备、充放电设备、电动车接口等，设备集成在双向充放电控制柜模块内，完成高低压供电和交直流充电功能，并实现每路的自动检测、保护和计量计费功能。智能监控层通过群管群控实现智能微调度、电网安全管理和负荷平衡，并创新柔性充电技术，提高充电效率和模块利用率，通过对电池的主动充电管理，对电池进行全寿命智能充电，电池寿命大幅提高。数据平台层基于移动互联技术和大数据分析技术，从业务接入、业务支撑、数据交换、系统集成、增值服务五个方面，通过APP人机对话实现运营监控、充电服务管理、租车修车服务、云支付、电子电商等功能。

5 智慧能源舱系统关键技术

5.1 交直流混联微电网技术

交直流混联微电网由交流子网、直流子网以及DC/AC四象限变换器组成，融合了交流微电网和直流微电网各自优点，具有损耗小、效率高、灵活性强、电网改造成本低等特点，更加利于分布式电源的接入，提高了系统的稳定性、可靠性、安全性和经济性 [13] 。在系统拓扑结构中，将直流电驱动的光伏发电、电动汽车充放电、电池储能直接接引至直流子网，风力发电系统、配电系统直接接引至交流子网，省去了传统微电网中大量直流到交流再到直流的变换环节，减少了因多层级变换而产生的电能损耗，交直流子网通过DC/AC四象限变换器进行功率传输和能量多向交互流动。DC/AC四象限变换器是实现能量路由与互联的核心器件，整合了逆变、整流、SVG、APF、离网运行、储能变流器、光伏逆变器等电力电子产品的多种功能，具有正向、反向工作功能，能以高效、柔性、经济、可控的方式将传统垂直刚性结构配电网柔性化、扁平化 [14] 。

5.2 电动汽车双向充放电技术

电动汽车是支撑电网运行的分布式移动储能资源。作为负荷，电动汽车可以消纳可再生能源的间歇性发电，减少弃风、弃光现象的发生；作为电源，电动汽车是零成本的移动储能单元，能够协助电网削峰填谷，通过低谷充电、高峰卖电，实现电动汽车和配电网的双向能量交互，同时也利用配电网峰谷电价差获取直接经济效益。园区电动汽车要实现双向能量交互必须依靠双向DC/DC充电模块的能量双向充放电控制技术，相较于电动汽车传统的单向充电技术，双向充放电采用具备低电磁干扰、小关断电流、控制策略简单、转换效率高的CLLC-BDCT双向直流电压器拓扑 [15] 及四象限控制技术，能够提供更宽的功率变换范围，能够支持对端口电压、电流及其变化速率等进行更灵活的调整，能够适应并改善电池侧的不均衡性和电网侧的电能质量。

5.3 新型高效电力电子器件技术

电力电子器件是电动汽车双向充放电中实现电能变换和控制的核心，是影响充放电效率、可靠性、安全性及性价比的关键基础。以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）为代表的第三代宽带隙半导体材料，其带隙宽度大于或等于2.3eV，使导体材料中的电子跃迁到导带所需的能量变大，不容易成为导体，从而使导体材料承受温度极限和电压等级的水平和能力提高 [15] 。其良好的耐高温、抗辐射、击穿电场强度、化学稳定性等性能，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件，从而使应用了新型高效电力电子器件的双向DC/DC充电模块在更高电压等级（1000V+）、更高功率密度（60W/in 3 ）和更高峰值效率（98%）等诸多性能方面得到突破。

5.4 舱体高性能纤维复合预制件技术

舱体采用高性能纤维复合预制件为舱体的装配式结构壁板。这是一种把玻璃纤维或玄武岩纤维丝（网、布）、高分子材料、快硬硫铝酸盐水泥、砂、化合物等多种材料按特定比例，经搅拌高压喷射浇筑在用槽钢、钢筋制作成型的模具内，经24小时静置形成的纤维复合材料。由于这种复合材料聚集了高性能纤维、高分子材料和金属钢材的性能优势，从而使舱体具备了极好的物理性能，如户外运行好、防腐能力强、防辐射性高、隔音性能强、密封性能好、燃烧性能高、耐火性能长等诸多优点，极大满足了多能互补微电网建设要求绿色、环保、美观、安全、可靠、快速、经济的多种需求。

表4 玄武岩纤维复合预制件部分物理性能检测数据

5.5 智能变电站模块化建设技术

按照智能变电站模块化建设“标准化设计、模块化建设”的原则，在工厂内完成智慧能源舱体设计生产，并在舱体内布置一次设备、二次设备、电源设备、通信设备和安防、消防、视频监控等辅助设施。同时，设置空调、风机、照明、应急灯设施，为舱内设备运行及运维操作提供了安全适宜的环境。所有设备在工厂内完成组装、配线、调试等工作，并在综合考虑运输条件下，采取适当措施有效固定后，以模块化预制舱形式整体配送至微电网建设现场，通过机械化现场作业，完成吊装、组合、就位等工作，减少现场“湿作业”，减少劳动力投入，实现环保施工，提高施工效率 [16] 。

6 智慧能源舱系统实际应用效果验证

6.1 功能需求验证

（1）无感知不间断供电效果

园区多能互补微电网智慧能源舱系统建成投运后，在某次配电网非计划突然停电时，系统瞬时感知，按照并转孤策略，在20ms内完成了由并网切换到孤岛运行的状态转化，并利用分布式发电、电动汽车放电和电池储能放电，保持了系统电压母线稳定并持续供电2小时，实现了园区重要负荷无感知不间断供电。

（2）削峰填谷、降本增效效果

下面以该园区某天的实际用电为例展示智慧能源舱系统的削峰填谷、降本增效效果。

图11为整个园区的用能情况，用电负荷主要集中在日间，且负荷变化趋势与电价峰值时段基本吻合，在电价高峰时段负荷逐步增大，11时左右达到峰值，午后逐渐下降。

图11 园区日负荷曲线

图12为电动汽车不接受调度，处于插枪后立即启动充电的无序充电状态，这会导致园区用电负荷在峰值电价时进一步增加。

▲ 图12 纯负荷+电动汽车无序充电负荷曲线

图13为光伏和风力参加削峰调峰，发出的电能最大化自发自用，减少配电网购入电量，可使负荷功率和购入电价下降。

▲ 图13 纯负荷+电动汽车无序充电+光伏+风力负荷曲线

图14为在图13的基础上，电动汽接受电网调度，实行群管群控的有序充放电，并增加电池储能的低充高放、削峰调峰功能，使使负荷功率和购入电价进一步下降。

▲ 图14 纯负荷+光伏+风力+电动汽车有序充放电+电池储能负荷曲线

由此可见，智慧能源舱系统将多种能源系统柔性互联互补，削峰填谷，实现节能降耗、降本增效的作用和效果主要体现在：（1）项目收益构成为光伏自用收益+风电自用收益+电动汽车参与削峰填谷收益+电池储能参与削峰填谷收益；（2）分布式光伏发电系统每年发电量约20000kWh，光伏电量全部自发自用，结合乐山市峰值电价，每年节约电费用约1.7万元；分布式风力发电系统每年发电量约8000kWh，风力电量全部自发自用，每年节约电费约0.85万元；电动汽车每天参与削峰填谷1次，每年放电收益约1.2万元；80kWh电池储能系统每天参与削峰填谷1次，日均按80%放电深度，乐山市峰谷电价差按0.53元计算，电池储能每年放电收益约1.24万元，项目年盈利约5万元，具有较好的经济收益。

6.2 建设需求验证

园区多能互补微电网项目建设采用快速配送式、快速装配式建设模式。通过工厂集约化生产，10天内即可完成整套智慧预制舱系统的生产调试，大大减少了现场装配时间；通过满足公路道路运输要求的标准化设计，智慧能源舱可以以模块化预制舱形式整体配送至微电网项目建设现场，免去了传统配电房的土建工作，摒弃了传统的现场“湿作业”，现场仅需要制作简单的舱体基础，大大减少了设备占地面积和现场土建工作量；通过机械化装配作业，一次性即可完成舱体的吊装、组合、就位等工作，待现场调试验收后即可交付投运，2～3天即实现了微电网电站设备从无到有的便捷高效建设，比传统微电网建设模式节省30天左右的时间，大大缩短了项目建设周期，完全满足新型微电网建设的需求。

▲ 图15 模块化预制舱形式整体配送

▲ 图16 机械化吊装组合就位

6 结束语

本文以乐山一拉得电气工业园多能互补微电网智慧能源舱系统为例，详细介绍了系统需求分析与总体设计思路，描述了由分布式光伏、风力、电动汽车充放电、电池储能、用电负荷构成的光风充储荷一体化微电网智慧能源舱的硬件和软件构成，阐明了支持智慧能源舱系统运行和建设的五项关键核心技术，并通过实际应用效果验证了系统对功能需求和建设需求的满足情况。可以得出，模块化集成化预制舱式的能源舱系统不仅实现了多种能源柔性互联互补与控制，也为新型微电网项目的建设提供了一种新思路、新方法、新模式，值得进一步推广与应用。

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