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微燃机光伏分布式微网系统的应用研究
摘要：为了整合分布式发电的优势，协调大电网与分布式电源之间的矛盾,微网的概念出现了。微网是由各种分布式电源、储能、负荷以及监控和保护装置组成，可同时向用户提供电、供热和供冷的小型电力系统。分布式能源系统合理的供电方案能够达到在满足电力系统和用户的特定要求下，又可以提高供电系统灵活性、可靠性和安全性的目的，本文介绍了微燃机辅以光伏发电的分布式微网系统，以期能够对类似的供电设计起到些许借鉴作用。
关键词：分布式能源；微电网；微燃机；光伏；供电；方案。
Abstract: The concept of microgrid is introduced in order to take advantages of distributed generation and resolve the contradiction between large power grid and distributed generation sourse. Composed by distributed power supply, energy storage, load and monitoring and protection devices, the microgrid is a small power system which can provide users with power supply, heat supply and cool supply at the same time. With a reasonable power supply scheme, the distributed energy system can meet requirements of power users and improve the flexibility, reliability and the security of the power supply system. In this paper, a distributed microgrid system of microturbines assisted by photovoltaic generation is proposed. The new system may be useful for researchers designing the similar system.
Keywords: Distributed energy; Microgrid; Microturbines; Photovoltaic; Power supply; Scheme
作为集中式发电的有效补充, 分布式发电及其系统集成技术已日趋成熟。随着单位千瓦电能生产价格的不断下降以及政策层面的有力支持, 分布式发电技术正得到越来越广泛的应用。分布式能源系统是指将发电系统以小规模分散式的方式布置在建筑物内或建筑物附近，联合供应电、热（冷）能的系统。系统输入的能源可以是燃气、柴油、生物质能、太阳能、风能、燃料电池等。系统与公用能源供应系统在电网和冷、热水管道上进行就近支援，确保能源供应的可靠性，将能源效率发挥到最大状态，从而节约能源、保护环境。在经济较发达的地区，经济的发展带动了电力负荷持续增长，随之而来对供电可靠性、电能质量的要求不断提高。新型发电技术的发展，电力市场改革的推行，环境保护问题日益突出，分布式能源系统发电的需求在不断增加。怎样合理设计利用分布式能源供电就变的愈发关键。本文通过对某商业设施微燃机、光伏微网系统供电方案设计的分析介绍，来阐明一个合理的配电设计方案及所包含的内容和注意事项，使分布式能源系统供电能够达到在满足电力系统和用户的特定要求下，又可以提高供电系统灵活性、可靠性和安全性的目的。
本方案在“并网不上网”的条件下，建立了基于公众电网系统的微燃机、光伏微网系统，该微网系统具有自治运行功能。微网系统中的微燃机、光伏逆变器在有效的控制策略下组网运行。当并网运行时微燃机通过同期方式接入微电网，然后光伏电源启动，以功率点跟踪的方式接入微电网，实现公众电网、微燃机、光伏共同为负荷供电的运行情况。当公众电网检修或故障时，微网系统中的微燃机作为支撑电源孤网运行，光伏逆变器以功率点跟踪的方式接入微电网，实现微燃机、光伏共同为负荷供电的运行情况，即微燃机、光伏组网自治运行状态。
准确的分析大楼的电力负荷是分布式能源系统设计匹配的关键。某商业设施, 由19层10000m2 的办公楼和2层2400m2 的辅楼组成，辅楼包括商铺、娱乐场所、监控中心、职工宿舍、食堂等设施，其中监控中心须24 小时不停电。大楼现有一路市电供应，无应急电源，冷、热、电需求稳定，有充裕稳定的天然气来源，屋顶平台面积较大，因此计划采用以天然气为一次能源、光伏为辅助能源，储能为平滑调峰的分布式供能系统来保证大楼的一级电力负荷，并回收发电机组烟气余热来满足大楼冷、热需求。
由表1可知大楼的总的用电负荷为1780kW，电力供应选用2000kVA变压器。
接着我们分析大楼的用电峰谷时段：根据大楼功能特性可知，大楼的用电高峰时段为 9:00-22:00，夜间监控中心，辅助用房，部分办公楼及商业中心，仍需用电。一类负荷主要为监控系统（70kW）和消防(60kW)。
为了让分布式能源系统达到最佳的使用效率，提高经济性，系统电力至少应输出满足一类电力负荷的使用需求，并兼顾其他负荷使用需求，不足电力由电网补充。
根据国家电网《分布式电源接入电网技术规定》当公共连接点处并入一个以上的电源时，应总体考虑它们的影响。分布式电源总容量原则上不宜超过上一级变压器供电区域内最大负荷的25%。分布式电源接入电压等级宜按：200kW及以下分布式电源接入380V电压等级电网；200kW以上分布式电源接入10kV（6kV）及以上电压等级电网。
由负荷分析可知，该大楼总负荷为1720kW，一类负荷约130Kw，考虑接入电网的便利性，380V接入系统更加适宜，因此分布式能源装机容量应在130kW至于200kW之间。
该商业设施为公共场所，其分布能源系统要求实用、简洁、美观。考虑光伏组件，安装于屋顶，不占用有效使用面积，后期发电成本低的优点。微型燃气轮机发电机组较内燃机发电机组具有附件少，占地面积小，噪音低等优点。本商业设施的分布式能源系统采用光伏屋顶与微型燃气轮机发电机组组合的方式。
根据屋顶面积和负荷分析，本项目可用屋顶面积约为300平米。选用235W多晶硅组件180块，20块组件组成一串，装机容量42.3kW.，配置20kW逆变器两台。
相关技术参数如下：
表2 多晶硅组件参数
表3 光伏逆变器参数
另配置额定发电量为150kW的微燃机一台，微燃机运行稳定，维护较少，可大大降低用户运行维护成本。相关技术参数如下
表4 微燃机技术参数
孤网模式、并网模式和双模式，是分布式能源系统常用的三种供电模式，双模式可实现并网、孤网模式下的转换，电网失电时，分布式能源系统可转为孤网运行，保证用户一级电力负荷需求，提高用户用电安全。但当用户用电负荷较小，微燃机发出的多余电力不可向公共电网输出。鉴于目前分布式电量上网的各种限制，本系统设计时按并网不上网系统进行考虑。
现有的微燃机系统通过微电脑控制均可实现双模式下并网和孤网的自动切换。微燃机在并网模式下运行时，当公用电网出现故障或维护状态时，微燃机需要在孤网运行状态持续给用户荷载供电，在双模式工作状态中，微燃机在感知电网失电的情况下，首先进入低电压穿越模式下的工作状态，如超过失压时间，将立即切断与电网的连接，转为孤网运行模式对用户进行持续供电，待电网恢复后，通过双模切换开关进入并网运行模式。
光伏系统由于稳定性较差，一般不采用孤网运行模式，光伏系统在电网失电后，将断开与电网的连接，在电网或者微燃机孤网系统运行正常后，通过逆变器监测电网情况，恢复并网发电。
系统方案如下
本项目中当电网侧故障后，光伏逆变器断开与电网连接，停止运行；微燃机通过内部开关与电网隔离，并自动实现并网到孤网的发电模式转换，进入孤网运行状态，此时微燃机作为独立电源，支持商业设施一类负荷的正常运行，光伏逆变器检测到孤网运行情况后，重新并网投入孤网运行。当电网恢复后，微燃机自动实现孤网到并网发电模式的转换，重新连接电网，回到并网状态，光伏逆变器根据主电网电压频率，调整输出，重回并网状态。为了减少分布式能源系统对公用电网的冲击和防止电量上网，分布式能源系统中应配置同期装置和防逆流装置。
根据国家电网《分布式电源接入电网技术规定》当公共连接点处并入一个以上的电源时，应总体考虑它们的影响。分布式电源总容量原则上不宜超过上一级变压器供电区域内最大负荷的25%。分布式电源接入电压等级宜按：200kW及以下分布式电源接入380V电压等级电网；200kW以上分布式电源接入10kV（6kV）及以上电压等级电网。。
本商业设施分布式能源系统发电装置的装机容量为192.3kW，因此采用400V 电压等级接入用户配电站。
本商业设施分布式能源发电项目采用“并网不上网”的方式接入电网，发电量就地消化。
7.1向电网倒送电量，因此需在并网线路系统侧配置逆功率保护装置。当分布式能源系统向电网倒送电时，电网侧逆功率保护，将信号传递至微燃机，光伏逆变器控制系统，现在发电装置出力，在控制失效的情况下，应迅速跳开并网线路电网侧开关，以保证分布式能源系统不向电网倒送电量。
7.2分布式能源系统在并网线路用户侧适当位置安装开关，设置明显断开点并可进行隔离操作。
7.3为了检测发电装置的谐波对系统的影响，可以考虑在并网线路系统侧，加装电能质量监测装置。无功补偿一般以就地平衡，电能质量、功率因数等应符合国家、地方有关规范和规定。
本文主要从多个方面介绍了光伏、微燃机组成的分布式能源系统的供电方案设计。在分布式能源系统项目中应根据建筑功能，用户需求等进行设计。使分布式供能装置与大电网密切配合，提高供电可靠性，在电网崩溃和意外灾害情况下，协助维持用户的关键供电。目前, 分布式发电技术、微网技术和智能配电网技术分别处于不同的发展阶段。其中, 部分分布式发电技术已经比较成熟, 处于规模化应用的关键阶段, 如果有政策上的支持将加快分布式发电技术的推广与应用。
参考文献
[1] Q/GDW 480-2010 分布式电源接入电网技术规定【S】
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