青海师范大学393kWp风、光、储能智能微电网系统
设
计
方
案
设计者：丁启明
班级：15C
学号：20151711338
指导老师：严桂林
设计时间：2018年7月1日
目录
一、项目介绍 (1)
二、项目背景 (2)
三、设计依据 (4)
（一）规范和标准 (4)
（二）政策 (5)
1.光伏发电的政策 (5)
2.风力发电的政策 (6)
四、微网系统介绍 (7)
五、微电网控制系统设计 (9)
（一）系统总体结构 (9)
（二）系统总体控制应用与控制策略 (9)
（三）并网情况下的控制策略 (10)
1.系统功率调节控制策略 (10)
2.功率波动平抑策略 (11)
（四）并/孤岛的转换及孤岛情况下的控制策略 (11)
1.孤岛运行模式的控制要求 (11)
2.孤岛运行模式下各环节的控制方法 (11)
3.并网到孤岛的转换策略 (11)
4.孤岛模式稳定运行的控制策略 (11)
5.孤岛到并网的转换控制策略 (12)
六、项目建设地点 (13)
七、光伏电站的设计 (15)
（一）设计说明 (15)
（二）设计原则 (15)
（三）太阳能资源分析 (16)
1.青海省太阳能资源分布 (16)
2.西宁市太阳能资源分析 (17)
（四）光伏设备选型 (20)
1.光伏组件选型 (20)
2.光伏支架的选型和设计 (22)
3.汇流箱及相关装置的选型 (25)
4.逆变器的选型 (29)
5.配电柜的选型 (31)
6.直流汇集电缆选型 (31)
（五）光伏设备布置 (32)
1.光伏方阵的布置 (32)
2.总平面布局 (34)
（六）光伏电站发电量计算 (34)
1.理论年发电量计算 (34)
2.25年内的理论发电量 (35)
3.PVsyst软件模拟结果 (36)
八、风电站设计 (40)
（一）设计说明 (40)
（二）风能资源分析 (40)
（三）项目的任务和规模 (44)
（四）风电机组的选型和布置 (44)
风电场微观选址基本原则： (45)
（五）主要电气设备选型 (46)
（六）土建工程 (47)
1.风电场的地理位置 (47)
2.站址土地情况 (48)
3.升压站总体规划 (48)
4.主要建设材料 (48)
5.风机基础 (48)
（七）施工组织设计 (50)
（八）年上网电量估算 (50)
（九）环境保护和水土保持设计 (52)
九、储能系统设计 (53)
（一）系统概况 (53)
（二）电池管理系统 (53)
（三）储能设备选型 (55)
1.锂电池 (55)
2.PCS变流器系统 (56)
3.DC-DC直流侧控制器 (59)
十、能量管理监控系统 (62)
（一）微电网能量管理 (62)
（二）微电网智能中央控制器 (62)
（三）其他设备 (64)
1.通讯屏与主控屏 (64)
2.智能微电网配电柜 (65)
3.网关接口柜 (66)
（四）系统硬件和软件构成 (67)
1.硬件 (67)
2.软件 (67)
（五）系统应用功能 (70)
1.设备监控 (70)
2.微电网运行控制 (70)
3.运行效益分析 (71)
4.目标控制管理 (71)
十一、财务分析 (73)
（一）概述 (73)
（二）投资估算与经济分析 (73)
1.编制依据及原则 (73)
2.运维费用 (74)
3.年收益和成本回收计算 (75)
十二、社会效益 (76)
规模：393kWp微电网系统；
建设地点：青海省西宁市城北区廿里铺镇海湖大道延伸段青海师范大学新校区；
时效：约为25年；
建设所在地光伏屋顶电站和风电场情况：
在新校区西二楼屋顶上建设47.9kWp光伏电站，屋顶的尺寸为56.6×18.6m2，在屋顶有两个通风箱（8×3×1.9m3、8×7×1.9m3）为遮挡物，该屋顶能够承受所建设光伏电站的重压力，因此适合建光伏电站，共安装168块285Wp 太阳能电池组件(形成4块组件串联，共有42列支路并联的阵列)，在学校新校区西南方向的一片空地建设345kWp风电站，空地的尺寸为207.12×189.88m2+207.12×70.83÷2m2,周围及风电场内无遮挡物，地势平坦无坡度，安装有69个5kW的大型风电机组，适合建风电场。
目的：在项目建设完成后主要能够为学生提供一个学习和实践的基地，促进学生能够更好的掌握相关知识和技能；其次还能够解决新校区西二楼的用电量，并且还能上网卖电，减轻学校的费用负担。
经济效益：项目总投资为5.3829万元，可在六年半时间内收回成本费用，则25年内的净赚利润为6.8万元，期间还除去25年内估算的维护费为2万元。
伴随全球能源危机形势的日益严峻，各种能源发电对节约传统能源、保护环境做出了积极示范作用，具有普遍推广的价值。
目前，新能源产业在世界各地迅猛发展，低碳经济的理念已深入人心，各国均将发展新能源产业作为重中之重。
十九大中，“建设美丽中国、推进绿色发展”的会议精神更成为重要共识。
可再生能源的综合利用对我国社会经济的可持续发展和环境保护起着重要的作用。
在当前可利用的几种可再生能源中，太阳能和风能是利用比较广泛的两种。
太阳能和风能在资源条件和技术应用上都有很好的互补特性，综合考虑太阳能和风能在多方面的互补特性而建立起来的风光发电系统是一种经济合理的供电方式，该供电方式在解决边远地区的能源供应问题中发挥着积极的作用。
关于风光发电的推广应用，系统的优化设计和运行控制是两个研究重点，前者根据系统应用地点的资源条件和负载特性对系统各个部件进行合理的选型以达到最小投资配置;后者通过对系统的动态运行分析，提出切实可行的运行控制策略，而后采取相应的技术手段实现系统可靠、高效的运行。
随着新能源DG规模的不断扩大，新能源发电技术水平的不断提升，我国太阳能发电、微电网技术、储能技术也不断成熟，越来越多的超大容量的光储、互补并网传输将成为电力供应的重要手段，另外，在我国中东部地区，大规模分布式发电也逐步成为当地电力供应的有力补充。
但大量分布式电站的接入，对传统配电网、输电网产生了较大的影响，如电网电压稳定性、频率、潮流特性、短路容量等，电网公司迫切需要一种技术来吸纳大量间歇性分布式电源，将传统的被动式的电网模式转变为主动式的电网模式，传统被动式已经不能适应现代能源结构调整的发展，主动式的配电网是智能电网其来日必然趋势与方向，微电网技术恰恰是主动式配电网发展的关键技术之一，因此未来以电网公司企业牵头，联合上下游产业开展结合储能技术与分布式、微电网供能相结合的研究，是电网企业主动适应国家能源发展战略，积极应对“低碳经济”发展模式的有效途径。
通过建设综合性微电网检测与运行控制系统，并在此平台上开展应用技术研究，掌握分布式能源微电网的运行控制特征，对分布式能源微电网接入配电网后的运行管理有重要意义。
基于本项目的建设经验和研究成果，发挥电网企业固有的技术优势，可为某些分
布式能源微电网(如偏远地区、岛屿、用电负荷重的地区)的建设提供系统集成服务，拓展对电网用户的服务内容。
随着新能源DG规模的不断扩大，新能源发电技术水平的不断提升，我国太阳能发电、微电网技术、储能技术也不断成熟，越来越多的超大容量的光储、互补并网传输将成为电力供应的重要手段，另外，在我国中东部地区，大规模分布式发电也逐步成为当地电力供应的有力补充。
青海师范大学智能风光储互补微电网系统应用平台是一项具有创新意义的系统工程。
该系统巧妙的将工程应用与教学研究平台相结合，既满足学校设施部分供电需求，又为学校师生提供了非常直观的新能源系统应用的示范基地，为学校师生研究微电网技术，提供了完善的仿真与研究的平台。
三、设计依据
（一）规范和标准
项目的制造、试验和验收可参考相关如下国家和地区标准：
1《中华人民共和国节约能源法》中华人民共和国2007年主席令第77号2《中华人民共和国建筑法》中华人民共和国2011年主席令第46号
3《固定资产投资项目节能评估和审查暂行办法》国家发展和改革委员会〔2010〕6号
4《中华人民共和国可再生能源法（修正案）》中华人民共和国〔2009〕23号
5《中华人民共和国清洁生产促进法（修正案）》中华人民共和国〔2012〕54号
6《实施工程建设强制性标准监督规定》建设部令第81号
7《关于加强民用建筑工程项目建筑节能审查工作的通知》建科[2004]74号
8《青海省固定资产投资项目节能评估和审查暂行办法》发改法规〔2012〕219号
9GB/T2589-2008《综合能耗计算通则》
10GB24790-2009《电力变压器能效限定值及能效等级》
11JB/T3837-2010《变压器类产品型号编制方法》
12GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》
13GB50176-93《民用建筑热工设计规范》
14GB50019-2003《采暖通风与空气调节设计规范》
15GB/T18479-2001《地面用光伏（PV）发电系统导则》
16GB/T20046-2006《光伏（PV）系统电网接口特性》
17GB2297-89《太阳光伏能源系统术语》
18GB/T18210-2000《晶体硅光伏方阵I－V特性的现场测量》
19GB/T20514-2006《光伏系统功率调节器效率测量程序》
20GB/T20513-2006《光伏系统性能监测测量、数据交换和分析导则》
21GBT20047.12006《光伏（PV）组件安全鉴定+第一部分结构要求》22GB/T14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》
23GB4064-1984《电气设备安全设计导则》
24GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》
25DL5027-1993《电力设备典型消防规程》、
26GB/T2589-2008《综合能耗计算通则》
27GB24790-2009《电力变压器能效限定值及能效等级》
28JB/T3837-2010《变压器类产品型号编制方法》
29GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》
30GB50176-93《民用建筑热工设计规范》
31GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准》
32GB50009-2001（2006年版）《建筑结构荷载规范》
33GB50191《建筑抗震设计规范》
34GB50017—2003《钢结构设计规范》
35GB50018-2002《冷弯薄壁型钢结构设计规范》
36EN50178《用于电力安装的电气设备》、《中华人民共和国消防法》、《电力监管条例》（国务院令〔2005〕第432号）、《中华人民共和国电力法》、《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》的通知、关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见（财建〔2009〕128号）。
（二）政策
1.光伏发电的政策
国家最新的《2018年光伏发电有关事项的通知》；青海省按照国家能源局《关于分布式光伏发电项目管理暂行办法的通知》（国能新能〔2013〕433号）、《关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》（国能新能〔2014〕406号）要求，结合我省实际情况，给出了我省光伏政策，以下就是对分布式光伏的的优惠政策。
(1)开展多种形式分布式光伏发电应用。
鼓励利用具备条件的建筑屋顶（含附属空闲场地）、火车站、高速公路服务区、飞机场航站楼、综合交通枢纽
建筑、体育场馆和停车场等公共设施建设分布式光伏电站。
因地制宜利用闲置土地、荒山荒坡等建设分布式光伏电站。
项目建设必须坚持节约集约用地原则，在符合当地土地利用总体规划的前提下，尽量占用存量建设用地和未利用地。
(2)提供简便高效的并网运行服务。
当地电网企业应主动配合市州能源主管部门（投资主管部门）落实分布式光伏发电项目在已有电网框架内的接入方案。
对项目法人及自然人已备案的分布式光伏发电项目，当地电网企业须及时开展相关配套并网工作。
电站建成发电后，电网企业按价格部门批准的电价给予结算。
(3)加强分布式光伏发电工程质量管理。
各市州能源主管部门（投资主管部门）协调质量监督管理部门、安全生产管理部门加强分布式光伏发电项目质量监督管理和安全监管。
根据以上青海省对于分布式光伏给出的优惠政策，是积极鼓励大家利用空闲的场地及屋面建立分布式电站。
因此，本项目符合国家的光伏政策，更迎合了青海省的光伏政策，充分利用了青海省优越的太阳能资源。
2.风力发电的政策
风力发电的成本主要是固定资产投资成本，约占总投资的85％以上。
按照我国增值税抵扣政策，固定资产投资的增值税不能抵扣。
风力发电执行17％的增值税税率，因为没有购买燃料等方面的抵扣，因此风力发电实际税负明显高于火力发电。
针对风力发电上述问题，国家经贸委在深入调查研究的基础上，经与财政部、国家税务总局协调，提出给予风力发电减免增值税优惠政策的建议，以鼓励风力发电产业的进一步发展。
经国务院批准，财政部和国家税务总局联合下发文件明确：对风力发电实行按增值税应纳税额减半征收的优惠政策。
按照新的税收政策，我国风电电价平均将降低约5~6分钱，新建风电场电价水平有望降低到0.50元/千瓦以下，这将会对我国风力发电产业化发展产生积极的影响。
四、微网系统介绍
微电网（Micro-Grid,MG）是由分布式发电（Distributed Generation,DG）、负荷、储能装置及控制装置构成的一个单一可控的独立发电系统。
微电网中DG 和储能装置并在一起，直接接在用户侧。
对大电网来说，微电网可视为大电网中的一个可控单元；对用户侧来说，微电网可满足用户侧的特定需求，如降低线损、增加本地供电可靠性。
微电网是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。
微电网可以看作是小型的电力系统，它具备完整的发、输、配电功能，可以实现局部的功率平衡与能量优化，又可以认为是配电网中的一个“虚拟”的电源或负荷。
微电网也可以由一个或者若千个小型的虚拟电厂（Virtual Power Plant,VPP）组成，它可以满足一片电力负荷聚集区的能量需要，这种聚集区可以是重要的办公区和厂区，也可以是传统电力系统供电成本较高的远郊的居民区等。
相对传统的输配电网，微电网的结构比较灵活。
(1)分布式发电（DG）：DG可以是以新能源为主的多种能源形式，如光伏发电、风力发电、燃料电池；也可以是以热电联产（Combined Heat and Power，CHP）或冷热电联产（Combined Cooling、Heat andPower，CCHP）形式存在，就地向用户提供热能，提高DG利用效率和灵活性。
(2)负荷：负荷包括各种一般负荷和重要负荷。
(3)储能装置：储能装置可采用各种储能方式，包括物理储能、化学储能、电磁储能等，用于新能源发电的能量存储、负荷的削峰填谷，微电网的“黑启动”。
(4)控制装置：由控制装置构成控制系统，实现分布式发电控制，储能控制、并离网切换控制、微电网实时监控、微电网能量管理等。
图3微电网的组成和结构
五、微电网控制系统设计
（一）系统总体结构
本项目微电网系统建设393kW发电容量，其中分别两路交流接入光伏发电系统和两交流接入风力发电系统，24V/5kWh锂电池系统通过100kW DC-DC接入直流母线，通过直流母线调节进行光伏波动平滑，由于需要给教学楼走廊直流LED 供电，需要增加降压型负载用DC-DC，用于稳定直流负载供电。
配电系统为交、直流配电系统，留有其它负荷接口和备用接口，系统带有电能参数监测，数据通过微电网中央控制系统进行策略控制，形成智能控制系统，如图1所示。
智能风光储互补发电系统监控与能量管理系统由微电网协调器和集中控制
器组成，包括光伏并网逆变器投切（或输出功率控制）、储能子系统的功率控制、负荷投切、储能变流器、光伏逆变器、风力发电机组、变压器、电网和西二楼的负荷等通过LDU连接，构成微电网的发电、储能和用电环节。
协调控制器获取各个支路的功率等信息，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。
就地监控系统通过网线或者光纤与上位机软件交换必要的运行信息和控制
指令，主要用于监视和示范，在必要情况下通过MDS执行一定的控制功能。
微电网系统运行过程中，要保证电磁辐射和噪声在国家标准的限定范围内，确保对周围的人员及用电设备的正常运行产生不利的影响。
为了有效实现微电网的负荷管理，对各类负荷进行分类，可以设置重要负荷,在市电断电后保证自身用电。
为了微电网的智能化和高效运行，微电网集中控制器在必要地方配有量测、控制功能的开关。
（二）系统总体控制应用与控制策略
本项目风光储互补发电系统目标是在监控调度系统的控制下，协调各部分的工作，以满足在并网和离网情况下的运行要求，以及电池的定期维护。
为达到此目标，在系统及组成部分的层面制定完善的能量调度、状态切换、运行监控和故障保护策略。
光伏系统尽可能按照最大功率点运行，以最大限度地发挥可再生能源的作用，同样风力发电系统将寻找最佳风速和风向下运行。
能够最好的利用风电机组，
只有在特殊情况下才进行光伏变流器输出功率的干预。
因此，电池储能系统在并网和离网情况下的应用要求及相应的控制方法，是本系统的能量调度控制策略的核心内容。
（三）并网情况下的控制策略
在并网情况下，负荷通过配电柜接入智能系统，负荷的能量优先由光伏和储能调节提供，不足部分由电网提供，储能系统主要起到能量均衡调节作用。
储能系统在并网情况下的作用
储能系统在系统中可以分别或同时发挥3种不同的作用：
1备用电源
在并网情况下储存光伏或电网的能量，满足电网故障情况下重要负荷的供电需求。
2抑间歇性能源的功率波动
光伏发电系统的输出功率存在随机性、大范围的波动，利用储能系统的功率快速调节能力，可以有效地降低这种功率波动对电网和负荷的影响，保证电网的安全运行和负荷的可靠供电。
3削峰填谷或移峰填谷
通过在电网的用电低谷时段存储能量，用电高峰时段释放能量，一方面可以利用电网的峰谷电价差，降低用电成本，另一方面可以减小微电网系统本身的负荷的波动范围，以降低总装机容量。
1.系统功率调节控制策略
在本系统中，并网情况下的控制策略是首先考虑电网故障时的备用能量需求，因此将电池容量的N%用于备用，当电池存储的能量低于此设定值时，对电池进行充电。
在满足备用容量需求的前提下，将电池容量的（1-N）%用于平抑光伏、风电的功率波动。
为了满足电池维护的需要，在并网运行的过程中定期对电池进行满充满放的控制。
在并网运行过程中，优先利用光伏系统的输出功率，即负荷、电池需要的能量优先由光伏提供，有必要时增加逆流的防护控制。
2.功率波动平抑策略
以光伏统前平均功率P作为平抑功率波动的控制目标，对储能并网变流器进行功率的双向实时调节，使光伏、储能的总输出功率在更大的时间尺度上保持稳定，从而实现功率波动的平抑控制。
功率波动平抑策略，是在监控调度系统的协调下进行的。
（四）并/孤岛的转换及孤岛情况下的控制策略
1.孤岛运行模式的控制要求
微电网系统在孤岛情况下的控制目标，是通过光伏及储能系统的协调控制，在保证供电质量的前提下实现供、用电的功率平衡。
2.孤岛运行模式下各环节的控制方法
在孤岛运行模式下，储能系统既是功率调节的主要执行环节，同时也是电网电压的控制环节，光伏系统是功率的输出环节，因此各部分需按照如下的要求进行控制。
1储能系统中储能变流器维持微电网交流母线电压的稳定；
2光伏逆变器以正常模式工作，输出与交流母线电压一致的电流；输出电流的大小主要由变流器根据发电功率确定，储能变流器进行功率调节，达到用电负荷平衡。
3.并网到孤岛的转换策略
1储能变流器通过孤岛检测算法，监测孤岛情况的发生；当检测到电网故障时，立即通知智能配电柜和监控调度系统；
2智能配电柜接到孤岛指令后，迅速断开与电网的连接，并按照孤岛供电预案，保留或切除其它负荷，保留敏感负荷；
3光伏不参与孤岛检测，在并网到孤岛的转换过程中也不必采取特别的措施；
4在智能配电柜断开与电网连接的过程中，有可能出现储能、光伏因过载而脱网的情况，导致“并网→孤岛”无缝切换失败。
此时，需要按黑启动运行模式。
4.孤岛模式稳定运行的控制策略
系统在孤岛运行期间总的控制原则，是尽量充分利用光伏功率，以延长孤岛运行的时间。
因此制定负荷控制策略、储能控制策略、光伏控制策略。
5.孤岛到并网的转换控制策略
1当电网供电恢复时，储能变流器通过检测电网的电压和频率予以确认，并向监控调度系统反馈相关信息；
2监控调度系统按并网模式及控制策略运行储能系统。
六、项目建设地点
本项目位于青海省西宁市城北区廿里铺镇海湖大道延伸段青海师范大学新校区，光伏电站的建设屋顶是新校区的西二楼；风电场的建设地点在是新校区的西南处，如下图3，新校区与青海大学北部毗邻，距离西宁市中心约13.1km，场址中心点坐标：北纬36°38′，东经101°48′。
青海地形复杂多样，形成了独具特色的高原大陆性气候，主要特征是：太阳辐射强，气温日差较大，年温差较小，冬季漫长，夏季凉爽，降水分布地区差异显著，季节变化大，东部地区雨水较多，西部、南部地区干燥多风。
西宁地处青海东部，黄河支流湟水上游，四面环山，三川汇聚，扼青藏高原东方之门户。
位于青藏高原的东北角，黄土高原和青藏高原的过渡地带，属于盆地地形。
西宁属大陆性高原半干旱气候，年平均日照为1939.7小时，年平均气温7.6℃，最高气温34.6℃，最低气温零下18.9℃，属高原高山寒温性气候。
夏季平均气温17-19℃，气候宜人，是消夏避暑胜地，有“中国夏都”之称。
市区海拔2261米，年平均降水量380毫米，蒸发量1363.6毫米，湟水及其支流南川河、北川河由西、南、北汇合于市区，向东流经全市。
图4青海师范大学
图5光伏电站建设楼顶图6风电场建设区
综上所述，从能源资源利用，电力系统需求情况，项目开发条件等各个方面分析，均有利于项目的建设，因此，两种系统的装机规模相加初拟为393kWp是合适的
七、光伏电站的设计
（一）设计说明
在青海师范大学新校区西二楼楼顶（56.6×18.6m2）建设一个47.9kWp光伏电站，系统的直流电压为48V，共安装168块285Wp太阳能电池组件(形成4块组件串联，共有42列支路并联的阵列）。
首先利用电站发出的电能供西二楼使用，在保证全年学校西二楼不会出现断电情况的前提下运行余电上网模式。
太阳电池将发出的电转换成直流电，通过控制器将部分电能储存在储能装置中，用来维持学校西二楼的用电，再将其余部分通过逆变器变换成交流电，通过开压变压器与高压输电线路相连，再通过输电线路将电力输送到变电站进行并网。
当电网发生故障或变电站由于检修临时停电时，电站也会自动停机不发电；当电网恢复后，电站会检则到电网的恢复，而自动恢复并网发电。
（二）设计原则
1.合理性
由于分布式光伏发电系统也是属于光伏电站的一种，所以其设计、施工均需满足光伏发电站设计规范要求，将根据其对项目站址选址、太阳能发电系统、电气部分、接入系统进行合理性设计。
2.安全性
设计的光伏系统需安全可靠，防止意外情况造成的人身意外伤害与公共财产的损失。
光伏系统的安装施工纳入建筑设备安装施工组织设计，并制定相应的安装施工方案和特许安全措施；
3.美观性
对光伏方阵与地面上的土建房屋等进行统一设计，美观大方，实现整体协调。
4.高效性
优化设计方案，尽可能的提高光伏系统的整体发电效率，减少不必要是能耗损失。
达到充分利用太阳能、提供最大发电量的目的。
