微電網(wǎng)規(guī)劃體系研究

柯人觀，周金輝，汪東輝

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

微電網(wǎng)規(guī)劃體系研究

柯人觀，周金輝，汪東輝

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

在分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備大量接入的情況下，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的供電模式和規(guī)劃方式發(fā)生了改變。通過(guò)對(duì)微電網(wǎng)的電壓等級(jí)、供電制式、接入方式和具體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究，比較各類供電模式在不同應(yīng)用場(chǎng)合的優(yōu)缺點(diǎn)，提出微電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的一般步驟和實(shí)施方案。結(jié)合我國(guó)能源結(jié)構(gòu)和負(fù)荷特性，提出4類微電網(wǎng)典型供電模式及其適用范圍，并給出我國(guó)各區(qū)域城市和農(nóng)村的典型供電模式。

微電網(wǎng)；規(guī)劃體系；供電模式；結(jié)構(gòu)模式；分布式電源

0 引言

微電網(wǎng)將分布式電源、用電負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置和控制裝置等結(jié)合，起到電能收集、傳輸、存儲(chǔ)和再分配的作用，有益于提高現(xiàn)有電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性[1，2]。在微電網(wǎng)理論探索過(guò)程中形成了計(jì)算與分析理論、保護(hù)技術(shù)、信息通信及計(jì)量、控制運(yùn)行與能量管理、包含分布式電源與儲(chǔ)能在內(nèi)的規(guī)劃設(shè)計(jì)等體系，其中規(guī)劃設(shè)計(jì)是微電網(wǎng)核心技術(shù)體系之一。

由于可再生能源發(fā)電具有間歇性，微電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃工作不同于傳統(tǒng)輸配電網(wǎng)規(guī)劃，在規(guī)劃體系初期考慮的負(fù)荷預(yù)測(cè)由于分布式電源的接入而變得困難，同時(shí)微電網(wǎng)選址、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和供電模式的確定、保護(hù)和控制的方式也將發(fā)生變化，微電網(wǎng)中確定合理的電源組合和容量配比也成為規(guī)劃中的新問(wèn)題[3]。微電網(wǎng)規(guī)劃需考慮的因素如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)規(guī)劃考慮因素

目前對(duì)于微電網(wǎng)規(guī)劃理論與方法的研究集中在含微電網(wǎng)的配電網(wǎng)規(guī)劃[4]等領(lǐng)域，在某種意義上還屬于配電網(wǎng)的規(guī)劃范疇，關(guān)于微電網(wǎng)自身供電模式等方面研究的文獻(xiàn)還較少[5-7]。文獻(xiàn)[1]在分析微電網(wǎng)網(wǎng)架的基礎(chǔ)上,根據(jù)微電網(wǎng)特點(diǎn)將其分為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)。文獻(xiàn)[8]考慮微電網(wǎng)地理特點(diǎn)、接入的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式等基本要素，研究了微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，提出微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程。

1 微電網(wǎng)規(guī)劃體系

在微電網(wǎng)規(guī)劃體系中，除了原有配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情況，所規(guī)劃區(qū)域的負(fù)荷和可再生能源結(jié)構(gòu)也是首先要考慮的因素。在微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)模式和供電模式確定之后，需進(jìn)行微電源的選址定容和優(yōu)化規(guī)劃，綜合考慮電網(wǎng)控制運(yùn)行方法之后得到最終的方案，同時(shí)要制定切負(fù)荷等一系列能量管理措施。

參照配電網(wǎng)典型規(guī)劃模式，微電網(wǎng)規(guī)劃也可分為布點(diǎn)規(guī)劃和擴(kuò)展規(guī)劃2類，其中布點(diǎn)規(guī)劃以規(guī)劃點(diǎn)自然資源條件為依托，結(jié)合分布式電源本身特性進(jìn)行微電網(wǎng)選址定容；而擴(kuò)展規(guī)劃則包括系統(tǒng)網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)模式和用戶接入方式的選擇，規(guī)劃體系流程如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)規(guī)劃體系流程

2 微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)模式

微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式主要指網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)，具體包括微電網(wǎng)內(nèi)部的電氣網(wǎng)絡(luò)接線結(jié)構(gòu)、供電制式的選擇和與外部網(wǎng)架的互聯(lián)接口等等，是微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的前提條件，如圖3所示。

圖3 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式分類

微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式應(yīng)遵循安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、靈活運(yùn)行、就近匹配等原則，對(duì)負(fù)荷特性的研究和負(fù)荷曲線的制定也要結(jié)合分布式電源適用性加以考慮。通常微電網(wǎng)設(shè)計(jì)有公共連接點(diǎn)，使分布式電源在供電范圍內(nèi)保證重要負(fù)荷供電可靠性和連續(xù)性；同時(shí)微電網(wǎng)作為面向終端電力用戶的電網(wǎng)形式，分布式電源應(yīng)最大程度地靠近負(fù)荷中心，與用電負(fù)荷進(jìn)行平衡；另外也需要兼顧經(jīng)濟(jì)性和冷熱負(fù)荷的需求，提高能源利用效益，目前家庭太陽(yáng)能發(fā)電和冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是較為普遍的可利用形式。

美國(guó)可靠性協(xié)會(huì)的CERTS微電網(wǎng)是最為典型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式，其典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。在實(shí)際應(yīng)用中，主接線可以簡(jiǎn)化為主母線和子母線2類形式。

圖4 基于CERTS系統(tǒng)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式

參考CERTS微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可構(gòu)造以城市開閉所為核心的典型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。其中主微電網(wǎng)通常可設(shè)置1個(gè)10 kV的開閉所（開關(guān)站）作為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，按需接入小型光伏電站或者中小型風(fēng)電；一級(jí)子微網(wǎng)可以是開閉所下設(shè)的若干個(gè)變電室，適當(dāng)配置中小型風(fēng)力發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)和儲(chǔ)能設(shè)備，就近向負(fù)荷中心供電；二級(jí)微網(wǎng)需要與建筑物配電室相結(jié)合，以接入380 V配電系統(tǒng)的樓頂光伏、儲(chǔ)能及其他分布式電源作為供電單元，結(jié)合上級(jí)開閉所或變電室的母線共同對(duì)負(fù)荷供電，形成靠近負(fù)荷終端的低壓微電網(wǎng)。

根據(jù)公共連接點(diǎn)的不同，微電網(wǎng)供電制式也有所區(qū)別。其中，按照負(fù)荷規(guī)模大小，中壓級(jí)別微電網(wǎng)可分為變電站級(jí)別和饋線級(jí)別2類，饋線級(jí)別微電網(wǎng)又可分為二次側(cè)、聯(lián)絡(luò)線、分支線等多種類型，如圖6所示。而低壓微電網(wǎng)可分為串并聯(lián)、三相/單相、樹干式、放射式、環(huán)式等多種結(jié)構(gòu)模式。

按照電壓等級(jí)劃分，微電網(wǎng)可分為中壓微電網(wǎng)和低壓微電網(wǎng)，其中CERTS微電網(wǎng)就是典型的低壓微電網(wǎng)。中壓交流微電網(wǎng)由于其分布式電源容量較大，滲透率高，適用于敏感負(fù)荷分布不集中的場(chǎng)合，供電可靠性較低，組網(wǎng)有一定難度，比如以集中型的風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站為依托的微電網(wǎng)。其特點(diǎn)是10 kV饋線上含有容量較大的分布式電源，其中每個(gè)子微電網(wǎng)獨(dú)立供能，而通常在低壓配電二次側(cè)也可布置一定數(shù)量的低壓微電網(wǎng)或者小容量的分布式電源作為支撐。

圖5 典型城市微電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

圖6 中壓微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式

由于分布式電源的容量限制，中壓微電網(wǎng)需要主網(wǎng)支持，在故障情況下可靈活地選取公共連接點(diǎn)，進(jìn)入孤島解列模式，分解成多種結(jié)構(gòu)的小型微電網(wǎng)以保證用電可靠性。

對(duì)于分布式電源數(shù)量眾多而負(fù)荷較小的居民區(qū)小型微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)[9]。直流微電網(wǎng)的規(guī)劃包含電壓等級(jí)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。一般而言，直流微電網(wǎng)母線的構(gòu)成形式可以分為4類：?jiǎn)文妇€結(jié)構(gòu)、雙層式母線結(jié)構(gòu)、雙母線結(jié)構(gòu)和環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)[10]。而國(guó)內(nèi)尚無(wú)直流微電網(wǎng)電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，需要綜合考慮國(guó)內(nèi)外實(shí)際微電網(wǎng)運(yùn)行情況后進(jìn)行選擇。

由于交流和直流微電網(wǎng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，交直流混合微電網(wǎng)的概念應(yīng)運(yùn)而生。交直流混合微電網(wǎng)以交流微電網(wǎng)為主，運(yùn)行方式更加靈活，是未來(lái)微電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，可根據(jù)用戶的不同需求，為內(nèi)部用戶提供不同質(zhì)量的電能。

3 微電網(wǎng)典型供電模式

微電網(wǎng)供電模式的選擇主要考慮負(fù)荷特性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模式、微電源和儲(chǔ)能的種類和容量、接入電網(wǎng)電壓等級(jí)配置選擇等因素。根據(jù)我國(guó)可再生能源的情況和目前國(guó)內(nèi)外已有微電網(wǎng)建設(shè)工程經(jīng)驗(yàn)，將典型微電網(wǎng)供電模式分為風(fēng)光柴儲(chǔ)供電系統(tǒng)、小水電結(jié)合抽水蓄能供電系統(tǒng)、微型燃?xì)廨啓C(jī)及內(nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)以及其他分布式電源結(jié)合儲(chǔ)能設(shè)備構(gòu)成的微電網(wǎng)系統(tǒng)4大類。

風(fēng)光柴儲(chǔ)微電網(wǎng)主要分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型2類，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電是國(guó)內(nèi)發(fā)展比較成熟的分布式電源種類，而柴油發(fā)電是傳統(tǒng)的離網(wǎng)供電模式。在自然資源豐富的東部海島和西部農(nóng)村地區(qū)，如果沒(méi)有集中供電的條件，可以采用屋頂光伏和小型風(fēng)機(jī)為主的分散式發(fā)電形式。而對(duì)于風(fēng)力資源匱乏、樓層密集的城市，風(fēng)機(jī)不適宜作為分布式電源?？紤]電動(dòng)汽車充電樁等直流負(fù)荷日漸增多的情況，可采用屋頂光伏輔助以儲(chǔ)能設(shè)備構(gòu)造直流或交直流微電網(wǎng)，或以燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)構(gòu)造冷熱電聯(lián)供形式微電網(wǎng)。

構(gòu)造以小水電為主的微電網(wǎng)不應(yīng)局限在常規(guī)水電站，也可以采用包括抽水蓄能電站、潮汐能電站、海流能電站等在內(nèi)廣義的水力發(fā)電系統(tǒng)，在我國(guó)東西部的廣大農(nóng)村和邊遠(yuǎn)山區(qū)存在大量無(wú)調(diào)節(jié)能力、水頭很低的河床式水電廠、引水式水電廠等，可以通過(guò)技術(shù)改進(jìn)來(lái)構(gòu)造微電網(wǎng)，充分利用水能資源。由于我國(guó)風(fēng)能、太陽(yáng)能和水能的季節(jié)特性十分明顯而資源浪費(fèi)比較嚴(yán)重，利用小水電結(jié)合風(fēng)光等其他分布式電源進(jìn)行發(fā)電是發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)合理的規(guī)劃就可實(shí)現(xiàn)可再生能源的優(yōu)勢(shì)補(bǔ)充，應(yīng)用價(jià)值明顯。

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電在國(guó)外微電網(wǎng)中已有較廣泛的應(yīng)用，與其他分布式電源相比其出力平穩(wěn)，尤其是快速啟停和調(diào)節(jié)特性有利于補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)的出力波動(dòng)，能夠保證供電質(zhì)量。我國(guó)在居民和商業(yè)負(fù)荷用戶中有大量供冷供熱的需求，在燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)本體研究和西氣東輸?shù)忍烊粴夤こ倘〉眠M(jìn)展后，可以大量使用微型燃?xì)廨啓C(jī)作為微電源。

生物質(zhì)能微電網(wǎng)有2類形式：一類以小型垃圾發(fā)電為基礎(chǔ)，利用城市周邊已有的垃圾焚燒發(fā)電廠組成微電網(wǎng)進(jìn)行供電，在滿足微電網(wǎng)內(nèi)供電的同時(shí)，以配電網(wǎng)線路等形式向外供應(yīng)電能；另一類利用工業(yè)有機(jī)廢水和城市生活污水進(jìn)行沼氣發(fā)電，主要以氣化直燃爐和內(nèi)燃熱氣發(fā)電機(jī)組為基礎(chǔ)，貼近負(fù)荷中心，因地制宜，適合實(shí)際推廣應(yīng)用。

另外微電網(wǎng)的分布式電源還包括燃料電池、地?zé)崮?、海洋能和其他以?nèi)燃機(jī)和儲(chǔ)能為主的各類微電網(wǎng)類型。

我國(guó)各地電網(wǎng)負(fù)荷特性差異很大，對(duì)負(fù)荷進(jìn)行具體分析，能夠使微電網(wǎng)規(guī)劃符合各地發(fā)展方向。微電網(wǎng)的規(guī)劃應(yīng)針對(duì)不同區(qū)域、不同能源結(jié)構(gòu)和用戶需求，按照可再生能源的分布情況和負(fù)荷對(duì)于供電可靠性的需求等多方面特性進(jìn)行配置，分別適應(yīng)城市、農(nóng)村、海島等不同供電區(qū)域，結(jié)合不同區(qū)域的具體負(fù)荷需求，提出具有針對(duì)性的供電模式，如表1和表2所示。

4 結(jié)論

微電網(wǎng)規(guī)劃理論是微電網(wǎng)理論體系的重要組成部分，由于分布式電源和大量電力電子器件的

表1 我國(guó)各區(qū)域城市微電網(wǎng)典型供電模式

表2 我國(guó)各區(qū)域農(nóng)村微電網(wǎng)典型供電模式

接入，其規(guī)劃方法有別于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，需要構(gòu)造新的方法加以實(shí)現(xiàn)。

研究并提出微電網(wǎng)典型規(guī)劃體系和供電模式的確定方法，包含網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、供電制式選擇、分布式電源接入等，提出了針對(duì)城市、農(nóng)村等各類負(fù)荷特性下供電模式的應(yīng)用場(chǎng)合和優(yōu)缺點(diǎn)。

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（本文編輯：方明霞）

Study on Planning System of Microgrid

KE Renguan，ZHOU Jinhui，WANG donghui
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

With the large-scale access of distributed generation and storage devices，supply mode and planning method of traditional distribution networks are changed.By investigating voltage class，power supply mode，access mode and the specific grid structure as well as comparing merits and demerits of various power supply mode in different applications，the paper introduces general steps and implementation plan of microgrid planning and construction.According to energy mix and load characteristic in China，the paper presents four typical supply modes of microgrid and the range of application；in addition，it introduces typical power supply modes of urban and rural areas in all parts of China.

microgrid；planning system；power supply mode；structure mode；distributed generation

TM715+.3

：A

：1007-1881（2016）02-0023-04

2015-07-22

柯人觀（1988），男，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃、繼電保護(hù)與控制。