离网与并网系统——透析FA49分布式能源技术

1.概述

分布式能源以其低损耗、无污染、规模灵活、安全可靠、维护简单等优点在能源领域异军突起，尤其是基于可再生能源的风、光分布式发电技术，近年来各种政策文件的出台足见其日益明显的重要地位。随着电力体制改革的发展，分布式能源将与现有电力系统结合形成一个高效、灵活的能源体系，从而提高整个社会的能源利用率和用电的稳定性、可靠性与可持续性。

根据国家能源发展规划，“十二五”期间将以加快转变能源发展方式为主线，规划能源技术的研发和应用，解决有限能源和资源的约束，着力提高能源资源开发、转化和利用效率，充分利用可再生能源，推动能源生产和利用方式的变革。因此，分布式发电站将成为未来发展的重点，深入研究分布式发电具有重要意义。

本解决方案中的智能型风光互补路灯及屋顶光伏电站，分别属于典型的离网和并网分布式能源系统解决方案，具有先进的科学性和广泛的应用型。

2.分布式能源离网系统

（1）系统组成及功能

智能型风光互补路灯是自成体系的独立发电系统，它由发电单元、储能单元、用电单元以及远程管理单元构成（见图1）。

1）发电单元：发电单元是由控制器、风力发电机及太阳能组件构成，将风能、光能转化成电能。具备了风能和太阳能产品的双重优点，充分利用了太阳能与风能在季节、时间和地域上的互补性，大幅提升了系统的稳定性和可靠性。

2）储能单元：储能单元是控制器将采集的风能、太阳能转化的电能储存下来的单元，为系统所需提供足够的电量储备，主要储能部件为蓄电池。

3）用电单元：用电单元是在智能控制器指令下，按指定需求进行运行的负荷，风光互补路灯系统中用电单元为LED灯具。

4）远程管理单元：远程管理单元涉及无线通信、远程管理、互联网传输、计算机技术、数据储存等技术，其应用能大幅度降低对路灯的巡检和日常维护的工作量，实时发现设备的故障和异常，非常有利于优化项目的售后服务质量和提升项目的整体品质。

（2）系统智能化特点

智能型风光互补路灯除了常规新能源路灯的自发自用及自动开关灯等基本功能外，其主要特点体现在采用智能化本地和远程控制所带来的系统高效性、可靠性和便利性，系统原理如图2所示。

图1 离网系统结构单元图

1）本地控制智能化：

①采用嵌入式微电脑芯片及光伏发电最大功率点跟踪（MPPT）技术，使得控制器能智能跟踪光伏组件的最大功率，给蓄电池充电，以最大化、最优化利用太阳能。

②采用限流、恒压充电方式，与蓄电池的充电特性相匹配，自动实现均充、浮充转换；同时具有智能蓄电池专家维护管理系统，严格的过充、过放保护，能根据蓄电池剩余电量智能调整负荷输出功率，从而大大地延长了蓄电池使用寿命。

③采用新型的数字电源技术，可精确实现多时段、多功率智能调光，并实时监控蓄电池电量智能判断是否需要降低功率。

④具有多方位的保护功能，包括风机的刹车制动保护、光伏反接及过电压和欠电压保护、反向充电保护、蓄电池反接保护、充电限流及过温保护等，完善的保护功能大大地提高了系统可靠性。

⑤灵活的通信方式，可遥控设置运行参数，或设有RS485通信接口，配合无线数据采集器实现远程管理功能。

2）远程监控智能化：

①远程管理：系统软件基于B/S架构设计，在全球任何地方登陆互联网即可使用本系统，为所有新能源路灯设备建立无线连接通信平台，实现信息集中管理。

②实时遥控：通过本系统对新能源设备进行控制，如：强制开灯、强制关灯、强制风机刹车、设置亮灯参数等，足不出户即可远程操作。

③自动巡检：系统实现24h在线无人值守，自动上传部件的异常和警告，如风机异常、太阳能组件异常、蓄电池异常、负载光源异常等，最大限度地节约售后环节的人力和物力。

④智能报警：对于紧急信息，如蓄电池异常、无线模块丢失等，通过页面提醒、邮件群发、短信通知的形式，多方位提醒管理人员和业主用户，提高售后服务的实时性和有效性。

⑤统计分析：远程测量风机、太阳能板、蓄电池、负载光源等部件及设备的综合工况信息量等，为发电、用电提供分析数据、零部件故障提供统计，指导新能源产品的设计和改进。

图2 分布式能源离网系统原理图

（3）智能化关键设备

智能化关键设备主要有智能控制器、无线模块和上位机，如图3和图4所示。

图3 智能控制器

图4 上位机和无线模块

1）智能控制器：智能控制器由风力机充电控制单元、风力机制动单元、光伏MPPT充电控制单元、蓄电池充电管理单元、负荷控制单元、通信指示单元组成。具体技术参数如下：

①适用风力机功率：300～600W；

②适用最大光伏功率：480Wp；

③风力机最大输入电压：AC 110V；

④光伏板输入最高开路电压：DC 46V；

⑤负荷最大电流：20A；

⑥蓄电池浮充电压：DC 28V；

⑦蓄电池过放保护电压：DC 21.6V；(www.xing528.com)

⑧通信方式：本地遥控或远程监控；

⑨工作环境温度：-30～50℃；

⑩外形尺寸：294mm×124mm×82mm。

2）无线模块/上位机：

①无线模块：负责对终端控制器进行数据采集及存取，通过本地无线组网的方式，实现终端控制器与上位机之间的无线通信。

②上位机：与无线模块组成一个网状网，通过GRRS模块及本地2.4G无线通信方式，分别与远程监控中心和无线模块进行无线通信。

技术参数见表1。

表1 技术参数表

（4）离网应用案例

截至目前，本方案已经在全国各地众多城市道路、江堤、农村道路等领域广泛应用（见图5）。

图5 使用在各种环境下的离网系统

图5 使用在各种环境下的离网系统（续）

3.分布式能源并网系统

（1）分布式光伏系统简介

分布式光伏发电系统，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存电网的经济运行方面的要求。

分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有光伏设备的监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过连接电网来调节，系统原理与结构如图6和图7所示。

图6 分布式能源并网系统原理图

图7 系统结构图

（2）分布式光伏系统特点

1）系统相互独立，可自行控制，启停快速，便于实现全自动，安全性高；

2）可对区域电力的质量和性能进行实时监控，非常适合向农村、牧区、山区，发展中的大、中、小城市或商业区的居民供电，大大减小环保压力；

3）输配电损耗低，无需建配电站，降低或避免附加的输配电成本，土建和安装成本低；

4）系统运行故障少，运维简单，无需专人值守。

（3）分布式光伏系统关键设备

1）光伏组件选型：目前使用较多的两种太阳电池板是单晶硅和多晶硅太阳电池组件（见图8）。单晶硅太阳电池组件的单体光电转换效率为16%～20%，转换效率较高，但是生产成本也高，多晶硅太阳电池组件的单体光电转换效率为15%～17%，制作成本比单晶硅太阳电池组件要便宜，材料制造简便，总生产成本较低，因此得到大量发展和大规模应用。

2）并网逆变器：并网逆变器是光伏发电系统中的一个关键部件（见图9），高效稳定的逆变器是系统稳定运行的保证，并网逆变器的选型应着重考虑逆变器的可靠性和逆变效率。同时，并网逆变器应具有相关保护功能，且输出谐波应满足电网要求。另外，逆变器在低输入功率时也应保证可靠高效输出。

图8 多晶硅光伏组件图

图9 集中式并网逆变器和组串式并网逆变器

（4）分布式光伏并网系统成功案例

1）宁乡灰汤华天城酒店会议中心550kW并网型光伏屋顶发电系统（见图10）：该项目建设在宁乡灰汤华天城酒店会议中心的屋顶上，整个光伏系统直流额定发电功率554.6kWp，由2360块多晶硅标准太阳电池组件组成，光伏系统技术成熟、安全、稳定，并可通过实时监控和远程传输运行状况和发电输出数据。

2）湖南神州光电1.008MWp屋顶光伏电站项目（见图11）：该项目建设在湖南神州光电主厂房钢结构屋顶上，计划光伏系统直流额定发电功率1.008kWp，由3600块多晶硅标准太阳电池组件组成，光伏系统技术成熟、安全、稳定，并可通过实时监控和远程传输运行状况和发电输出数据。

3）湖南益阳10MWp屋顶光伏电站项目（见图12）：该项目在益阳市高新技术开发区混凝土屋面上进行电站建设。光伏系统技术成熟，安全、稳定，并可通过实时监控和远程传输运行状况和发电输出数据，参与地调。

4）云南师大1MW屋顶光伏电站项目（见图13）：该光电建筑项目建设在云南师范大学各建筑混凝土及钢结构屋顶上，整个光伏系统直流额定发电功率1000kWp，光伏系统技术成熟、安全、稳定，并可通过实时监控和远程传输该运行状况和发电输出数据。

图10 宁乡灰汤华天城项目远景图

图11 神州光电1MW屋顶电站远景图

图12 神州光电1MW屋顶电站远景图

图13 云南师大1MW屋顶光伏电站项目

（作者：中科恒源科技股份有限公司 李谟映 潘东山 刘素平 何龙 王鹏）