风光储一体化智能微网
——以上海电力大学为例

王宁 薛欧琦 姚源 邱亦然 潘肖 陈东生

上海电力大学，中国·上海 200090

风力发电；光伏发电；空气源热泵；太阳能集热器结；微电网

1 引言

智能微网是“智能电网”与“微电网”的结合。它是一个自动化的供电网路，能够通过传感器来对供电与用电设备起到实时监控与收集整合，由控制系统来对电力系统起到优化管理的作用[1]。“微电网”是指由分布式能源、储能装置、能量转换装置、相关负荷及监控组合而成的小型发电配电系统。

2 中国上海电力大学临港新校区概况

中国上海电力大学临港新校区在2018年9月被中国国家发改委、国家能源局列为“新能源微电网示范项目”。同时，它也是中国28 个示范项目在上海市的唯一一个中国仅有的大学校园示范项目。上海电力大学的能耗比一般的校园能耗低四分之一。

上海电力大学与国家电网节能服务公司合作，铺设了一张新能源微电网。它主要包括： 1 套智慧能源管理系统；装机容量2061 千瓦光伏发电系统；300 千瓦风力发电系统，10套太阳能+空气源热水系统和总容量500 千瓦时多类型储能系统等，其系统结构如图1所示。该智能微网能与城市大电网并网运行，它能够承担起新校区约六分之一的供电。在遇到紧急断电情况时，智能微电网可以迅速转换成孤岛模式独立运行，并保存重要数据。

为了实现能源智慧化，其设计的管控系统结合需求响应和电能质量控制等技术，实现了用电信息自动采集、供电故障快速响应、综合节能管理、智慧办公互动、电动汽车充电服务、新能源接入管理等功能。

图1 风光储一体化智能微网结构

3 风力发电原理及数据

临港处于东海大桥附近海域，陆上风力资源非常丰富，风能蕴藏量约11.3×104kW。年风功率密度在200W/M2米以上。大于或等于 6 m/s 的风速也有4000 h 左右[2]。

风能是空气流动所产生的动能，空气流扫过风力发电机的叶片时，叶轮就会转动，从而将风能转化为机械能，然后通过发电机将机械能转化为电能，此时空气流的质量流量为ρvA，由此可以得出空气流每秒携带的能量为：

式中：ρ为空气密度，kg/m3；A为叶轮的面积，m2；v为风速，m/s。

在学校的西北侧树立着一个300 千瓦的微风风力发电系统，为了研究该风光储一体化系统的性能，以2019年1月1日为例，当天风速约为3-4 级。根据系统所提供的风机发电数据，一天中其发电总量随时间是逐渐增加的，如图2所示。由图中以看出：

（1）与光伏发电相比，风力发电不受时间的限制，不论白天还是黑夜，只要有风就能发电。

（2）发电总量从0 点的27750 Kwh，增加到24 点的28508 Kwh。一天的发电总量约为758 Kwh。因此，年发电量约为286525 Kw，接近设计的300 Kw。

3.1 度新能源发的电，可以减少约0.997 Kg 二氧化碳，所以一台风力发电机一天可减少755.2 Kg 二氧化碳，一年可减少275648 Kg 二氧化碳。

图2 风力发电机组一天所发的电量与时间的关系

为了更详细地了解每个时间段风机的发电情况，每选取2 个小时作为一个时间段，其不同时间段风机发电增量的关系如图3所示。由图可知：

（1）不同时间段，风机发电增量上下振荡较为严重，最小发电量是25 度/2 小时，最高发电量是124 度/2 小时。这种差异性是由于不同时间段，风速不同而遭成的。

（2）峰时段，发电总量为523 Kwh；谷时段，发电总量为235 Kwh。

图3 风力发电机组每相差2 小时所发电的增量

为了研究其经济效益，按表1进行电费的计算。根据上海地区分段收费用原理则，可以发现峰值电费为323 元左右，谷低电费约为72 元左右。一天可以节省电费约为400 元，一年可以节省14.6 万元左右。

表1 不同时间段发电量及费用表

风力发电部分有机结合了临港校区较为丰富的风力资源，有效合理地利用了风力资源，对整个风光储一体化发电系统的稳定性起到了重要作用。该风机可随时调控、检测，为整个发电系统的发电功率的稳定性起到很好的调节作用。

4 太阳能发电原理及数据

太阳电池（solar cell）是以半导体制成的，将太阳光照射在其上，太阳电池吸收太阳光后，能透过p 型半导体及n型半导体使其产生电子（负极）及电洞（正极），同时分离电子与电洞而形成正压降，再经由导线传输至负载[3]。

除去风力发电外，光伏发电是风光储一体化当中最重的一部分。上海地区七月总辐射量最多，其次是8月和5月，6月正午太阳高度角虽然最大，但天空遮蔽度比五月、七月、八月大，因此总辐射量比五月、七月、八月要少[4-5]。

学校23 个建筑屋面的2 万平方米楼宇屋顶采用PERC、BHPV、单晶、多晶等多种组件形式，产生清洁能源的同时，还为学校师生免费提供研究新能源技术的场所。其年发电总量为2 兆瓦。数理学院屋顶上装有102KW 容量的光伏发电系统，如图4所示。

图4 屋顶光伏电路板

选取某一局部逆变器对应的数据，数据是从早上6：00 到下午18：00 这一时间段，其余时间段内由于太阳辐射量为零或较少，故数据采集器所获得的数据值皆为0.00。分析时间与输出功率的关系做出图5。

图5 系统局部输出功率与时间的关系

由图可知：局部光伏系统在13 点左右能达到输出功率最大值。在一天内系统效率约有8 小时能达到约90%，日发电量达到10.28 Kwh，符合效益标准，有效节约资源能源，达到节能环保目的。

5 储能系统

由于风能和太阳能的间歇性，目前普遍附加蓄电池来平衡供电，组成风光储系统，规模较小的情况下即为风光储微网系统[6]。蓄电池充放电效率高，能够适应负荷动态变化特性。风光储系统同时配有容量为100 千瓦×2 小时的磷酸铁锂电池、150 千瓦×2 小时的铅碳电池和100 千瓦×10 秒的超级电容储能设备等总容量500 千瓦时储能系统等。

学校的风光储一体化发电用电系统是绿色能源、智慧能源、综合能源的有机结合体。整个风光一体储能新能源发电系统已累计发电100 万千瓦时。

6 结论

作为中国首批、上海唯一的“新能源微电网示范项目”和教育部能效领跑者示范项目，上海电力大学临港新校区综合能源服务示范项目具有环保，创新及前瞻性。该项目的实施不仅是对学校自身的能耗缩减起到重要作用，而且还可以让学生更加全面地了解各类新能源发电技术，有利于培养高质量的电力人才，推动新能源事业的发展。同时，该项目涵盖面广、模式创新，是国网节能在先进技术集成化、能源信息融合化，运营管理智慧化等方面深入探索的成果。