微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

朱永強(qiáng)，賈利虎，王銀順

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室華北電力大學(xué)，北京102206)

微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

朱永強(qiáng)，賈利虎，王銀順

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室華北電力大學(xué)，北京102206)

微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是微電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)需遵循一定的設(shè)計(jì)原則，而微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較之于傳統(tǒng)配電網(wǎng)又有不同。本文詳細(xì)分析了交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，并指出交直流混合微電網(wǎng)兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，更加有利于分布式電源的接入。本文闡述了微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的若干原則，在考慮分區(qū)、分層原則的同時(shí)，還要考慮資源利用最大化、能源互補(bǔ)、儲(chǔ)能和無(wú)功補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題，文中還給出了當(dāng)資源和負(fù)荷條件不能自然滿足設(shè)計(jì)原則時(shí)的解決措施。最后，以北京某大學(xué)為例進(jìn)行了微電網(wǎng)的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了上述設(shè)計(jì)原則的合理性和可行性。

微電網(wǎng);交直流混合;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)原則

1 引言

近些年來(lái)，微電網(wǎng)的研究已成為熱點(diǎn)［1-7］，文獻(xiàn)［1］詳細(xì)闡述了微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和概念，介紹了美國(guó)、日本和歐洲的微電網(wǎng)示范工程，從電力技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性、管理和市場(chǎng)方面提煉了微電網(wǎng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)，為中國(guó)的微電網(wǎng)發(fā)展提出了建議。文獻(xiàn)［2］從微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行控制、供電可靠性和電能質(zhì)量、安全機(jī)制與經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)、仿真分析與工程建設(shè)等5個(gè)方向進(jìn)行綜述。文獻(xiàn)［8］從微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、規(guī)劃設(shè)計(jì)方法、能量管理與運(yùn)行優(yōu)化、保護(hù)與控制以及仿真與實(shí)驗(yàn)等方面，對(duì)微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了概述，并指出了未來(lái)微電網(wǎng)研究的方向。由以上研究可以看出，這些文獻(xiàn)主要是指出微電網(wǎng)的研究方向以及關(guān)鍵技術(shù)，且多集中于交流微電網(wǎng)方面，對(duì)直流微電網(wǎng)就鮮有涉及。

文獻(xiàn)［9，10］則是從直流微電網(wǎng)的控制技術(shù)、保護(hù)技術(shù)、結(jié)網(wǎng)方式、通信技術(shù)和電力電子接口電路等關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行了全面的闡述，涉及到直流微電網(wǎng)的文獻(xiàn)大多數(shù)也是從以上的一個(gè)或若干方面進(jìn)行分析。

微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)是建設(shè)微電網(wǎng)的基礎(chǔ)，體現(xiàn)了微電網(wǎng)的基本特征，微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)包含了分布式電源和負(fù)荷的分布、類型、并網(wǎng)接口形式，是解決微電網(wǎng)電壓?jiǎn)栴}、潮流問(wèn)題、穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵。

目前對(duì)于交直流混合微電網(wǎng)的系統(tǒng)規(guī)劃、內(nèi)部機(jī)理、能量管理和最優(yōu)控制、保護(hù)策略等研究較少，因此還沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可循［11］。另外，關(guān)于微電網(wǎng)的研究，各研究人員只是針對(duì)自己所提出的一種具體結(jié)構(gòu)，如文獻(xiàn)［12］中的雙極性輻射型直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)［13］設(shè)計(jì)的單母線放射型結(jié)構(gòu)。這些文獻(xiàn)從運(yùn)行控制、能量管理和故障保護(hù)等方面進(jìn)行分析，其研究結(jié)論對(duì)于其他類型的結(jié)構(gòu)不具有普遍性。本文旨在從交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行研究，提出交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，為未來(lái)大規(guī)模的交直流混合微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考。本文給出了進(jìn)行交直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)流程以及遇到問(wèn)題時(shí)的解決措施，最后以一個(gè)實(shí)際算例來(lái)體現(xiàn)本文所提出的微電網(wǎng)設(shè)計(jì)原則。

2 交直流混合微電網(wǎng)基本概念

微電網(wǎng)的分類方法有多種，本文按照微電網(wǎng)內(nèi)主網(wǎng)絡(luò)供電方式的不同，對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行了分類，即交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)。直流微電網(wǎng)中，分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)直流主網(wǎng)架直接為直流負(fù)荷供電;而對(duì)于交流負(fù)荷，則通過(guò)電力電子裝置將直流電轉(zhuǎn)換為交流電供電。在交流微電網(wǎng)中，將所有分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)換為交流電，形成交流主干網(wǎng)絡(luò)為交流負(fù)荷直接供電;對(duì)于直流負(fù)荷，需通過(guò)電力電子換流裝置將交流電轉(zhuǎn)換為直流電后為負(fù)荷供電。在混合型微電網(wǎng)中，無(wú)論是直流負(fù)荷還是交流負(fù)荷，都可以不通過(guò)交直流間的功率變換直接由微電網(wǎng)供電［8］。

相對(duì)于單純的交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):①分布式電源及電力儲(chǔ)能裝置以交流、直流形式輸出電能，采用交直流混合微電網(wǎng)將交流電源接入交流母線，直流電源接入直流母線，可以減少AC/DC或DC/ AC等變換環(huán)節(jié)，減少電力電子器件的使用;②某些負(fù)荷(如熒光燈、風(fēng)扇、冰箱和普通空調(diào)等)只能用交流供電，某些新型的負(fù)荷(如計(jì)算機(jī)、家用電器、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、通信設(shè)備和電動(dòng)汽車等)或可采用直流供電，或者具備交直流轉(zhuǎn)換裝置，采用交直流混合微網(wǎng)供電的形式，可以減少用戶設(shè)備內(nèi)變頻裝置，降低設(shè)備的制造成本，因此采用交直流混合微電網(wǎng)的形式，省略了許多變換環(huán)節(jié)和變換裝置，使微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、控制更加靈活、損耗降低，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性［11］。

3 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

微電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)合多變，運(yùn)行和控制需求各有不同，其中的電源、負(fù)荷特性差異也可能很大，微電網(wǎng)的定容與選址還應(yīng)與電網(wǎng)規(guī)劃相協(xié)調(diào)，以確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定為前提;同時(shí)應(yīng)注意最大化整合利用微電網(wǎng)范圍內(nèi)的多種綜合能源，并進(jìn)一步對(duì)微電網(wǎng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)、城市負(fù)荷中心等不同場(chǎng)景下的應(yīng)用進(jìn)行細(xì)分研究［2］。另外，微電網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮與現(xiàn)有城市配電網(wǎng)的兼容性問(wèn)題，使兩者能夠形成良好的“互動(dòng)”。

交直流混合微電網(wǎng)結(jié)合了交流電網(wǎng)和直流電網(wǎng)各自的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于新建的微電網(wǎng)或者將要改造的微電網(wǎng)，交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)都是理想的選擇。設(shè)計(jì)交直流微電網(wǎng)時(shí)，要滿足供電可靠性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性的要求，具體來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)以下設(shè)計(jì)原則實(shí)現(xiàn):

3.1 分區(qū)原則

分區(qū)的目的是減少線路上的能量流動(dòng)，減少網(wǎng)損，滿足經(jīng)濟(jì)性要求，具體內(nèi)容包括三方面。

(1)對(duì)于分散的小容量負(fù)荷，可以設(shè)置合適的分布式電源與之搭配，就地解決發(fā)電和用電問(wèn)題，可以減少或者不用大電網(wǎng)供電，減少負(fù)荷與電網(wǎng)間的功率交換。

(2)對(duì)于工廠等重負(fù)荷區(qū)，本地分布式電源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其能量需求，供電可靠性不能保證，應(yīng)將微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的并網(wǎng)點(diǎn)(PCC)設(shè)置在重負(fù)荷區(qū)附近。一般情況下，并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置在交流母線側(cè)。

(3)在微電網(wǎng)內(nèi)部存在的電源和負(fù)荷形成的局部小系統(tǒng)，直流電源和直流負(fù)荷搭配，交流電源和交流負(fù)荷搭配，減少電力電子變換設(shè)備的投資。

3.2 分層原則

分層是微電網(wǎng)中母線電壓等級(jí)的選擇問(wèn)題。分層的目的有兩個(gè):①對(duì)于高壓母線是為了增加輸電容量，減少輸電損耗，減小用戶側(cè)的電壓降;②對(duì)于低壓母線是為了使用戶用電更加方便和安全。

根據(jù)負(fù)荷和電源情況設(shè)置不同的電壓等級(jí)，對(duì)交直流母線在不同電壓等級(jí)之間的連接關(guān)系進(jìn)行合理的選擇。在微電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃初期，對(duì)已存在的負(fù)荷區(qū)域進(jìn)行分析，相同電壓等級(jí)的負(fù)荷最好設(shè)置在相鄰區(qū)域，這樣區(qū)域內(nèi)部電源之間可以互為備用，提高供電可靠性。

3.3 資源充分利用

資源充分利用包含兩個(gè)方面內(nèi)容。

(1)資源利用最大化

資源利用最大化考慮的單個(gè)可再生能源的利用問(wèn)題。微電網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)劃初期，應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)氐目稍偕茉?太陽(yáng)能、風(fēng)能和生物質(zhì)能等)進(jìn)行充分的調(diào)研分析，掌握當(dāng)?shù)卦偕茉吹那闆r，根據(jù)其年輸出功率情況制定有效的發(fā)電方案，使得資源利用最大化，減少?gòu)拇箅娋W(wǎng)中所需的輸電容量，減少或緩建大型發(fā)電廠和高壓輸電網(wǎng)，從而節(jié)約投資。同時(shí)，使得與之相連的輸配電網(wǎng)潮流減少，降低了網(wǎng)損。

(2)能源的互補(bǔ)性

可再生能源發(fā)電具有不穩(wěn)定性、無(wú)規(guī)律性、波動(dòng)性和間歇性等特點(diǎn)，我們無(wú)法按照我們的意愿對(duì)其進(jìn)行調(diào)控，但是如果將這些能源進(jìn)行打包，利用資源之間的互補(bǔ)性就可以使“電力包”成為相對(duì)穩(wěn)定和易于調(diào)控的資源。能源的互補(bǔ)性包含三方面:①時(shí)間上的互補(bǔ)性;②空間上的互補(bǔ)性;③電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用［14］。

所謂時(shí)間互補(bǔ)性是指某些資源在某段時(shí)間內(nèi)較為充足，而一些資源在另外一些時(shí)間段內(nèi)比較充足，例如太陽(yáng)能白天較為充足，而風(fēng)能夜晚較為充足，將這兩種資源連接在同一電壓等級(jí)的饋電線上，即可減小饋電線與母線間的功率流動(dòng)。所謂空間互補(bǔ)性是指在同一時(shí)刻不同區(qū)域的微電網(wǎng)中的資源具有互補(bǔ)性。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，范圍越大資源的互補(bǔ)性越強(qiáng)。一個(gè)微電網(wǎng)與配電網(wǎng)間的功率交換可能很大，但是將多個(gè)微電網(wǎng)連接在一起再與配電網(wǎng)相連，其與配電網(wǎng)的功率交換就會(huì)減少。電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用是指電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池將可能是未來(lái)電網(wǎng)的主要負(fù)荷，可以將其看作是電源資源。在太陽(yáng)能和風(fēng)能較為充足時(shí)，對(duì)其進(jìn)行快速充電，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，也可以作為緊急備用電源向電網(wǎng)輸出功率［15］。

3.4 電能質(zhì)量保證原則

電能質(zhì)量保證原則包括以下兩方面的內(nèi)容。

(1)儲(chǔ)能配置

儲(chǔ)能配置的前提是滿足經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和系統(tǒng)運(yùn)行性能指標(biāo)，儲(chǔ)能的目的有兩個(gè)。目的一是削峰填谷，一般情況下不考慮將微電網(wǎng)多余電能回饋到配電網(wǎng)中，只有緊急情況，如電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，微電網(wǎng)中的分布式電源作為應(yīng)急電源向配電網(wǎng)提供功率。正常情況下，當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)電功率大于用電功率的時(shí)，將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)。目的二是保證重要負(fù)荷不間斷供電，對(duì)于微電網(wǎng)內(nèi)部的一級(jí)負(fù)荷(醫(yī)院、銀行和政府辦公樓等)必須設(shè)置儲(chǔ)能裝置，保證其用電可靠性，具體內(nèi)容包括:

1)對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷進(jìn)行分類:直流負(fù)荷和交流負(fù)荷，敏感負(fù)荷和非敏感負(fù)荷，重要負(fù)荷和非重要負(fù)荷。

2)儲(chǔ)能類型的選擇，如電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、超導(dǎo)儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等。

3)儲(chǔ)能容量和位置的選擇，根據(jù)各種類型儲(chǔ)能裝置的特點(diǎn)以及各種優(yōu)化算法進(jìn)行設(shè)置。

(2)無(wú)功補(bǔ)償配置

在經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)運(yùn)行性能指標(biāo)前提下對(duì)交直流混合微電網(wǎng)中合理設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。微電網(wǎng)內(nèi)部包含眾多感性負(fù)載，例如變壓器、異步電動(dòng)機(jī)等，另外微電網(wǎng)中使用了大量電力電子變換裝置等非線性裝置(如整流器、逆變器和斬波電路等)，都需要消耗大量的無(wú)功功率，同時(shí)這些設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，而諧波源也需要吸收大量的無(wú)功功率。因此，微電網(wǎng)內(nèi)部需配置合理的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。

4 設(shè)計(jì)原則的應(yīng)用分析

在微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果當(dāng)?shù)氐那闆r與本文提出的設(shè)計(jì)原則基本符合，那么按照設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)即可，但是如果遇到不滿足的情況，本文也給出了解決措施。

當(dāng)出現(xiàn)不滿足分區(qū)原則時(shí)，實(shí)際情況是本地負(fù)荷大小(SL)和電源的容量(SDG)不匹配，可采取的措施有:

(1)SL＜SDG時(shí)，設(shè)置儲(chǔ)能，將多余的電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，當(dāng)分布式電源發(fā)電不足時(shí)或微電網(wǎng)故障時(shí)，為負(fù)荷提供可靠電能，提高供電可靠性，如圖1(a)所示。

(2)SL＞SDG時(shí)，建立新的分布式電源，利用資源的互補(bǔ)性原則，可以在負(fù)荷的周圍設(shè)置不同類型的新能源發(fā)電系統(tǒng)，如風(fēng)能與太陽(yáng)能、生物質(zhì)能搭配，一方面可以滿足負(fù)荷的功率要求，另一方面也可以平滑其向電網(wǎng)注入的功率，如圖1(b)所示。

(3)與其他區(qū)域進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，如圖1(c)所示，A區(qū)域功率出現(xiàn)短缺時(shí)，B區(qū)域功率充足，這時(shí)可以通過(guò)能量管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，使B區(qū)域的功率流向A區(qū)域。

圖1 解決措施示意圖Fig．1 Diagram of solutions

微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)其性能有著重要影響，影響微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的基本要素主要包括:地理位置和特點(diǎn)，配電網(wǎng)網(wǎng)架、容量和保護(hù)，分布式電源的類型、容量和發(fā)電特性，負(fù)荷的容量、增長(zhǎng)速度，微電網(wǎng)的控制和運(yùn)行方式，能量管理以及投資等［16］。本文給出其一般的設(shè)計(jì)流程。圖2為簡(jiǎn)要的設(shè)計(jì)流程。

圖2 設(shè)計(jì)流程Fig．2 Design flow

詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟為:

(1)在考慮基本要素和設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)之上，對(duì)本地負(fù)荷和分布式電源的類型、數(shù)量、分布位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)區(qū)域內(nèi)的電源和負(fù)荷進(jìn)行分區(qū)處理。

(2)設(shè)計(jì)幾種可能的交直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，從供電可靠性、靈活性以及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行分析比較，初步選擇合適的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

(3)并網(wǎng)點(diǎn)的選取，在充分掌握本地區(qū)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)的影響做出準(zhǔn)確評(píng)估，選擇合理的并網(wǎng)點(diǎn)。

(4)選擇合適的約束條件，例如以網(wǎng)損最小為約束條件，進(jìn)行微電網(wǎng)內(nèi)部各母線電壓等級(jí)的選擇，即進(jìn)行分層設(shè)計(jì)。

(5)以單元微電網(wǎng)為基礎(chǔ)，考慮孤島運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)中重要負(fù)荷能否不間斷供電，設(shè)置合理的儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括容量和類型的選擇，形成主要結(jié)構(gòu)。

(6)在設(shè)計(jì)好孤島運(yùn)行結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)其他的分布式電源、二級(jí)和三級(jí)負(fù)荷，按照所處的地理位置、特性，接入微電網(wǎng)主要結(jié)構(gòu)中。

(7)充分考慮本地負(fù)荷和電源的增長(zhǎng)速度，在基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上預(yù)留一定數(shù)量的分布式電源和負(fù)荷的接口，形成較為完善的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

(8)考慮微電網(wǎng)的運(yùn)行方式的切換策略，設(shè)置合適的隔離開(kāi)關(guān)和斷路器。

(9)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的設(shè)置，在大功率感性負(fù)荷處設(shè)置靜止無(wú)功補(bǔ)償器和少量動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

(10)對(duì)所設(shè)計(jì)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，模擬其運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和完善。

5 算例分析

以北京某高校為例進(jìn)行交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)所提出的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行適應(yīng)性分析。

5.1 電源負(fù)荷調(diào)研

(1)學(xué)校氣候概況:學(xué)校地處北京西北部，屬于典型的半濕潤(rùn)大陸性氣候，風(fēng)向有明顯的季節(jié)變化，冬季盛行西北風(fēng)，夏季盛行東南風(fēng);北京太陽(yáng)年輻射量全年平均為4688～5693MJ/m2，年平均日照小時(shí)數(shù)為2000～2800h。

(2)資源概況:學(xué)校無(wú)工廠等重負(fù)荷區(qū)，大多數(shù)為輕負(fù)荷區(qū);學(xué)校內(nèi)的建筑物較多，且頂部平坦，適宜安裝太陽(yáng)能光伏電池板;學(xué)校的西北和東北部為空曠地區(qū)，無(wú)大型建筑物阻擋，適宜安裝小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，且不會(huì)影響校園綠化。

(3)交直流負(fù)荷概況:學(xué)生公寓多為L(zhǎng)ED照明、計(jì)算機(jī)、手機(jī)充電器等直流負(fù)荷;食堂多為排風(fēng)扇、微波爐、抽油機(jī)冰柜等交流負(fù)載以及電烤箱、消毒柜等直流負(fù)荷;醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備多為交流設(shè)備;行政樓多為計(jì)算機(jī)、手機(jī)充電器、打印機(jī)等直流負(fù)荷以及排風(fēng)扇、空調(diào)等交流負(fù)荷。

(4)負(fù)荷重要性分類:醫(yī)院內(nèi)的急診部、手術(shù)部、培養(yǎng)箱、血庫(kù)等重要的生命安全類負(fù)荷以及消防用電負(fù)荷列為一級(jí)負(fù)荷對(duì)象;行政辦公樓內(nèi)重要部門的用電列為一級(jí)負(fù)荷。

(5)擴(kuò)建情況:位于學(xué)校西側(cè)的主教學(xué)樓A、E座以及學(xué)生14#公寓近期將進(jìn)行開(kāi)工建設(shè)，5#教學(xué)樓近期剛剛竣工，國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將設(shè)置在此處，這幾處適宜建設(shè)交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可操作性較強(qiáng)。

5.2 交直流混合微電網(wǎng)設(shè)計(jì)接線圖

北京某高校AC/DC微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中虛線區(qū)域是根據(jù)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。其中區(qū)域1為主樓交直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，區(qū)域2為14#公寓直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，區(qū)域3為學(xué)校孵化樓交流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，區(qū)域4為5#教學(xué)樓交流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，區(qū)域5為學(xué)生公寓群直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

5.3 結(jié)構(gòu)特性分析

(1)可靠性方面。整個(gè)微電網(wǎng)各區(qū)域之間通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行互聯(lián)，互為備用，能夠提高系統(tǒng)各區(qū)域的供電能力裕度。區(qū)域1和區(qū)域4、5采用交直流互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，兩臺(tái)雙向變流器互為備用。當(dāng)主逆變器檢修或故障時(shí)，啟動(dòng)備用逆變器。原有配電網(wǎng)中含有醫(yī)院等一級(jí)負(fù)荷，區(qū)域2通過(guò)DC/AC變流器與原配電網(wǎng)相連，可以作為電網(wǎng)故障情況下的備用。另外區(qū)域1、3和4與原配電網(wǎng)通過(guò)區(qū)域聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行連接，能夠大大提高原配電網(wǎng)的供電可靠性。

(2)經(jīng)濟(jì)性方面。采用交直流混合結(jié)構(gòu)，減少了電力電子變換器的使用，節(jié)約投資成本。按照能源互補(bǔ)性原則結(jié)合當(dāng)?shù)氐馁Y源情況，修建風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)，例如在學(xué)校的西北和東北區(qū)域建設(shè)風(fēng)-光-儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，在學(xué)校公寓、食堂等建筑物的頂部建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，減少了從主網(wǎng)中吸收的功率。并且在風(fēng)能和太陽(yáng)能豐富時(shí)期，還可通過(guò)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)變流器的控制，向主電網(wǎng)注入功率，改善主網(wǎng)的潮流分布，降低網(wǎng)損。

圖3 某高校AC/DC微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig．3 Structure of university AC/DC microgrid network

5.4 設(shè)計(jì)原則體現(xiàn)

(1)分區(qū)原則。區(qū)域1屬于負(fù)荷和電源密度較高的區(qū)域，適宜組成局部小型微電網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和交流負(fù)荷接入交流母線組成局部交流微電網(wǎng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)和直流負(fù)荷接入直流母線組成局部直流微電網(wǎng)，然后兩個(gè)微電網(wǎng)再通過(guò)雙向變流器互聯(lián)。

根據(jù)分區(qū)原則中的就地消納負(fù)荷的原則，新建14#公寓樓多為輕負(fù)荷，適宜建設(shè)小型局部直流微電網(wǎng)?？梢栽谠薪涣麟娋W(wǎng)的基礎(chǔ)上，在樓頂設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)，輔助交流配電網(wǎng)。根據(jù)調(diào)研可知，在每天10∶00～23∶00之間，用電量較小，此時(shí)可采用光儲(chǔ)一體化的方式將多余電能儲(chǔ)存起來(lái)。

(2)分層原則。主要涉及電壓等級(jí)的選擇，根據(jù)交直流負(fù)荷特點(diǎn)和用電安全方便原則，新建微電網(wǎng)交流主干線路選擇380V電壓等級(jí)，直流主干線路選擇220V，支路選擇48V。

(3)資源利用和能源互補(bǔ)原則。主樓A座位于學(xué)校西北側(cè)，地勢(shì)寬廣平坦，風(fēng)力和光照資源較為豐富，根據(jù)資源利用最大化原則，適宜設(shè)置小型風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)，且以風(fēng)力發(fā)電為主建設(shè)交流微電網(wǎng)，以光伏發(fā)電系統(tǒng)為主建設(shè)直流微電網(wǎng)，交直流電網(wǎng)之間設(shè)置有區(qū)域聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)區(qū)域間的能量交換，以及時(shí)間上和空間上的能量互補(bǔ)。

學(xué)校孵化樓為大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地，地理位置空曠，適宜建設(shè)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

(4)儲(chǔ)能配置原則。學(xué)校原配電網(wǎng)中具有醫(yī)院等一級(jí)負(fù)荷，新建的5#教學(xué)樓擁有國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，有大量專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，為重要負(fù)荷，為保證不間斷供電，配備了電池儲(chǔ)能設(shè)備，從而降低停電概率。為平滑風(fēng)光等新能源發(fā)電的波動(dòng)性，在各交直流母線側(cè)也配備有儲(chǔ)能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)平抑功率波動(dòng)和提高微電網(wǎng)的電能質(zhì)量的功能。

(5)無(wú)功補(bǔ)償原則。為了滿足整個(gè)微電網(wǎng)對(duì)無(wú)功的需求，盡可能減小電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送無(wú)功功率，在交流10kV進(jìn)線母線側(cè)設(shè)置了無(wú)功補(bǔ)償裝置。

6 結(jié)論

本文對(duì)交直流微電網(wǎng)的定義、分類和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析比較，指出交直流混合微電網(wǎng)在未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展方面的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而提出了交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，包括分層、分區(qū)原則，資源利用最大化和能源的互補(bǔ)性原則，以及儲(chǔ)能配置、無(wú)功補(bǔ)償原則等。這些設(shè)計(jì)原則的提出也是為了滿足電力系統(tǒng)供電可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性的要求。根據(jù)所提出的設(shè)計(jì)原則，本文給出了交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般流程，旨在為交直流混合微電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)提供參考。最后以北京某高校為例，對(duì)交直流混合微電網(wǎng)設(shè)計(jì)的原則、步驟和注意的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析，可以得出以下結(jié)論:交直流混合微電網(wǎng)綜合利用了現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、地形和資源等，對(duì)于已有的交流為主的配電網(wǎng)，在對(duì)其改造時(shí)直流微電網(wǎng)一般作為補(bǔ)充，用于改善交流配電網(wǎng)的供電質(zhì)量和可靠性，直流電網(wǎng)處于從屬地位;而對(duì)于新建電網(wǎng)則可以充分考慮各類設(shè)計(jì)原則，在對(duì)所選區(qū)域進(jìn)行交直流混合微電網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)處于平等地位。

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(，cont．on p.63)(，cont．from p.49)

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Basic design principles for micro-grid architecture

ZHU Yong-qiang，JIA Li-hu，WANG Yin-shun

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

Micro-grid architecture design is the basis of the micro-grid construction．It is necessary to follow certain design principles when designing micro-grid，which differs from traditional distribution network designing．Based on the detailed analysis on the advantages and disadvantages for AC microgrid and DC microgrid，it is pointed out that the AC/DC hybrid microgrid has the advantages both of them，and it can be a good solution to the problem of distributed energy connected to a distributed network．This paper describes several micro-grid structure design principles，taking into consideration of the partition and hierarchical principle，as well as maximization of resource utilization，energy complementary，energy storage and reactive power compensation．It also proposes the solutions when the resources and load conditions cannot meet the design principles．Finally，this paper designs a microgrid architecture for a university of Beijing to verify the rationality and feasibility of the above design principles．

micro-grid;AC-DC hybrid;architecture design;design principles

TM727

A

1003-3076(2015)09-0044-06

2014-12-08

中國(guó)-丹麥政府間科技合作項(xiàng)目“智能直流微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)證合作研究”(2014DFG72620)

朱永強(qiáng)(1975-)，男，天津籍，副教授，博士，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與并網(wǎng)技術(shù);

賈利虎(1988-)，男，河北籍，博士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)、微電網(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)。