新能源小型微電網(wǎng)的供電模式研究

李娟 鄂德軍

摘 要： 文章結(jié)合微網(wǎng)研究和應用現(xiàn)狀，介紹三種微網(wǎng)的典型網(wǎng)架，分析每種典型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點及其應用條件，提出部分地區(qū)微電網(wǎng)供電模式的推薦配置。

關(guān)鍵詞： 微電網(wǎng);網(wǎng)架結(jié)構(gòu);供電模式

【中圖分類號】TP727 【文獻標識碼】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.40.141

1 引言

隨著能源需求不斷增加，分布式電源的研究和應用得到了快速的發(fā)展。但分布式電源在解決能源和電力系統(tǒng)應用的同時也帶來了諸多技術(shù)問題。電力可靠性技術(shù)協(xié)會（CERTS）提出微網(wǎng)是一種由負荷和微型電源共同組成的系統(tǒng)，可用來協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾。微網(wǎng)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了微電網(wǎng)的基本特征，它包含分布式電源和負荷的類型、微網(wǎng)并網(wǎng)接口形式等重要信息，設(shè)計合理的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)提高了微網(wǎng)接入中低壓配電網(wǎng)的靈活性與可靠性。由此可見，微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的研究對微網(wǎng)發(fā)展和應用有實際意義。

2 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析

微網(wǎng)的分類標準有很多，根據(jù)交、直流微網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及供電特點的不同，將微網(wǎng)分為直流微網(wǎng)、交流微網(wǎng)和交直流混合微網(wǎng)。

2.1 交流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及特性

交流微網(wǎng)是微網(wǎng)的主要形式。交流微網(wǎng)的網(wǎng)架基本結(jié)構(gòu)相似，大多采用輻射狀網(wǎng)架，DG、儲能裝置等均通過電力電子裝置連接至交流母線，通過PCC（電力系統(tǒng)中一個以上用戶負荷連接處）處開關(guān)的控制，可實現(xiàn)微網(wǎng)并網(wǎng)運行與孤島運行模式的轉(zhuǎn)換。交流網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與微電源容量及負荷對電能質(zhì)量要求也密切相關(guān)，通?？梢愿鶕?jù)容量大小將交流微網(wǎng)系統(tǒng)分為三類：系統(tǒng)級微網(wǎng)、工商業(yè)區(qū)級微網(wǎng)以及偏遠鄉(xiāng)村級微網(wǎng)。

（1）系統(tǒng)級微網(wǎng)

系統(tǒng)級微網(wǎng)結(jié)構(gòu)由母線和多條饋線呈輻射狀組成，每條饋線可分層接入大量分布式電源和就地負荷，網(wǎng)架可以經(jīng)多個PCC接入電網(wǎng)。適合分布式能源種類較為豐富、負荷相對分散的地區(qū)，利用不同種類分布式能源間的相互補充，電源與負荷相互協(xié)調(diào)來提高微網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性。

（2）工商業(yè)區(qū)級微網(wǎng)

工商業(yè)區(qū)級微網(wǎng)結(jié)構(gòu)有高度的冗余性，可以保證接入網(wǎng)架的重要負荷和敏感負荷有多個回路、不同類型的電源提供電能。這種網(wǎng)架形式通常用在醫(yī)院、學校、大型商業(yè)中心以及數(shù)字通信大樓等一類負荷區(qū)。

（3）偏遠鄉(xiāng)村級微網(wǎng)

偏遠鄉(xiāng)村級微網(wǎng)通常運行在孤島狀態(tài)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為簡單的串并聯(lián)形式。適用于偏遠山區(qū)、海島等地區(qū)供電。

2.2 直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及特性

在交流微網(wǎng)中，分布式電源的同步并網(wǎng)，變壓器、電動機的勵磁涌流，三相不對稱，控制復雜等問題的存在與用戶希望微網(wǎng)能夠提供高效、可靠、高電能質(zhì)量供電服務(wù)的要求存在矛盾。隨著微網(wǎng)直流發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大以及負荷類型逐漸多樣化，直流微網(wǎng)以其在這些方面的獨特優(yōu)勢獲得了較大的發(fā)展。直流微網(wǎng)按用戶對電能質(zhì)量多樣性需求分為多環(huán)狀直流微網(wǎng)和輻射狀直流微網(wǎng)。

（1）多環(huán)直流微網(wǎng)

多環(huán)直流微網(wǎng)網(wǎng)架采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)，形成多回路供電系統(tǒng)，滿足用戶對電能質(zhì)量的不同需求。適合大范圍綜合性大樓、數(shù)據(jù)中心、工廠密集區(qū)等對電能質(zhì)量要求不同的用戶。

（2）輻射直流微網(wǎng)

輻射直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)一般為串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，由聯(lián)絡(luò)饋線和直流母線連接電源和負荷。可用在對供電可靠性要求不高，但對電能質(zhì)量要求較高的地區(qū)。

2.3 交直流混合微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及特性

混合微網(wǎng)的提出是為了避免DG和負荷接入交流微網(wǎng)或直流微網(wǎng)時需要多次進行換流所帶來的諸多問題。既含有交流母線又含有直流母線，既可以直接向交流負荷供電又可以直接向直流負荷供電，因此可稱為交直流混合微網(wǎng)。

混合微網(wǎng)與交、直流微網(wǎng)相比具有更高的靈活性和效率，適用于直流電源（負荷）和交流電源（負荷）比例相當，同時對供電可靠性及電能質(zhì)量要求較高的地區(qū)。

3 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法研究

微電網(wǎng)具有節(jié)約能源，提高電能質(zhì)量、供電可靠性，優(yōu)化電網(wǎng)性能，降低發(fā)電成本等優(yōu)點，微網(wǎng)網(wǎng)架構(gòu)建的基本原則是保證微網(wǎng)內(nèi)能量守恒，一方面正常運行時DG容量與配電網(wǎng)提供的電能之和同微網(wǎng)負荷容量匹配，另一方面微網(wǎng)計劃孤島運行時，DG容量能夠為重要負荷提供充足電能，在偏遠鄉(xiāng)村級微網(wǎng)中還需額外提供備用容量。在滿足基本原則的前提下，綜合考慮地理位置、DG特性、負荷特性等諸多因素對微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響。微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接決定了微網(wǎng)性能的發(fā)揮，網(wǎng)架設(shè)計除了參考眾多要素外還需要合理的流程，微網(wǎng)網(wǎng)架構(gòu)建的步驟如下：

①明確微網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則和要素，收集、分析影響微網(wǎng)網(wǎng)架的因素;

②綜合考慮地理特點，DG、負荷特性以及技術(shù)能力，在兼顧投資的情況下合理選擇微網(wǎng)結(jié)構(gòu)類型;

③根據(jù)所選擇的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)類型、DG類型和數(shù)量、負荷位置分布，以網(wǎng)損為約束條件，合理選擇微網(wǎng)電壓等級;

④由所選的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)類型和電壓等級，考慮負荷對電能質(zhì)量及供電可靠性要求以及運行方式，確定網(wǎng)架的基本連接方式;

⑤根據(jù)DG發(fā)電特性及負荷對電能要求，確定微網(wǎng)中需要分布的單元微網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)目、結(jié)構(gòu)及接入微網(wǎng)位置;

⑥以單元微網(wǎng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，考慮孤島運行及微網(wǎng)中一類負荷位置，設(shè)計計劃孤島網(wǎng)架結(jié)構(gòu);

⑦將小型微網(wǎng)網(wǎng)架、計劃孤島網(wǎng)架按照基本連接方式組成局部網(wǎng)架，同時考慮微網(wǎng)中的其他DG、二類負荷、三類負荷的地理位置、特性，嚴格遵守能量守恒原則將其接入局部網(wǎng)架;

⑧由微網(wǎng)的運行方式，確定局部網(wǎng)架接入配電網(wǎng)PCC的位置及數(shù)目，形成組合微網(wǎng)的基本架構(gòu);

⑨考慮微網(wǎng)負荷增長速度及運行維護要求，在基本網(wǎng)架中預留DG接口，構(gòu)成較完善的微網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

4 大電網(wǎng)未覆蓋地區(qū)微電網(wǎng)的配置方法研究

在進行大電網(wǎng)未覆蓋地區(qū)微電網(wǎng)規(guī)劃時，應充分考慮不同區(qū)域、能源結(jié)構(gòu)和用戶需求，合理規(guī)劃微電網(wǎng)，確定出符合當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的微電網(wǎng)供電模式。

4.1 負荷的分類

大電網(wǎng)未覆蓋地區(qū)的用電負荷大致可分成三類，即工業(yè)負荷、農(nóng)業(yè)負荷和居民負荷。工業(yè)負荷包括傳統(tǒng)工業(yè)和加工業(yè)，該類負荷普遍對可靠性要求較高，可自備柴油機等備用電源。一些軍用設(shè)施，對可靠性要求較高，也納入此類負荷。農(nóng)業(yè)負荷一般可分為種植農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖農(nóng)業(yè)兩大類，用電設(shè)備主要包括灌溉水泵、循環(huán)水泵、消毒設(shè)備等。居民用電設(shè)備主要有各類家用電器、照明燈，在夜間有明顯的用電高峰，該類負荷對用電可靠性要求相對較低。

4.2 獨立微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析

大電網(wǎng)未覆蓋地區(qū)主要采用低壓交流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)微電源情況劃分，微電網(wǎng)典型供電模式可分為獨立微源類和多能互補類微電網(wǎng)兩大類。

1）獨立微源類微電網(wǎng)

獨立微源類微電網(wǎng)是指僅以一種分布式電源為主供電適當配置儲能設(shè)備的微電網(wǎng)。主要包括以風力發(fā)電、光伏發(fā)電、小水電、燃氣輪機、生物質(zhì)或其他分布式電源為主的電網(wǎng)。

2）多能互補類微電網(wǎng)

多能互補類微電網(wǎng)是指采用多種可再生能源互補發(fā)電的微電網(wǎng)。主要包括風光儲互補、風光柴儲互補、風光水互補等形式。

4.3 微電網(wǎng)規(guī)劃基本原則

微電網(wǎng)應結(jié)合當?shù)仉娫春拓摵商匦?，充分利用自然資源，分布式發(fā)電就地消納，容量配置和設(shè)備選型，適當考慮當?shù)亟?jīng)濟負荷發(fā)展情況，應結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、實現(xiàn)實用化組網(wǎng)目標。

4.4 微電網(wǎng)供電模式配置方法分析

大電網(wǎng)未覆蓋地區(qū)微電網(wǎng)供電模式的優(yōu)化配置主要考慮交直流供電形式、離并網(wǎng)類型、微電源接入形式、微電源類型4個方面。

1）交直流供電形式選擇

由于大電網(wǎng)未覆蓋地區(qū)普遍以低壓交流負荷為主，故適宜采用交流低壓微電網(wǎng)供電形式，少量直流負荷可以通過逆變接入低壓網(wǎng)。對于個別直流負荷占比較大的地區(qū)，可考慮采用直流微電網(wǎng)供電形式。

2）離并網(wǎng)類型選擇

離并網(wǎng)類型的選擇主要考慮其技術(shù)經(jīng)濟性方面的因素。其優(yōu)點在于可以大電網(wǎng)為備用電源，且改造難度小，建設(shè)成本降低。因地理、歷史等原因，部分地區(qū)未與外部大電網(wǎng)相連。傳統(tǒng)的柴油機供電模式不能很好地保證當?shù)鼐用窈凸まr(nóng)業(yè)負荷的供電質(zhì)量和可靠性要求，但輸電走廊建設(shè)可能存在施工難度大、造價高等問題。該類地區(qū)（經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟性評估后）適宜構(gòu)建離網(wǎng)型的微電網(wǎng)。

3）微電源接入形式選擇

對于用戶分散居住的地區(qū)、具有多個分布式電源的地區(qū)，以及一些因供電半徑過長導致電壓偏低的地區(qū)，適宜利用分布式資源構(gòu)建微電網(wǎng)。對于可再生能源較為集中、負荷相對較大的地區(qū)，還可以采用集中電站形式的微電網(wǎng)。

4）微電源類型選擇

微電源類型的選擇主要從最大程度利用當?shù)刈匀毁Y源角度考慮，并兼顧技術(shù)經(jīng)濟性。并網(wǎng)型結(jié)構(gòu)中，對于農(nóng)村工業(yè)和農(nóng)業(yè)負荷用戶，可考慮構(gòu)建基于屋頂光伏系統(tǒng)的微電網(wǎng)，可以利用小型風機和生物質(zhì)能作為主要的分布式電源。對于可靠性要求極高的用戶，可考慮采用柴油機或儲能設(shè)備的用戶，可以建立微型燃氣輪機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。

離網(wǎng)型微電網(wǎng)需要考慮采用柴油機、微型燃氣輪機、小水電、生物質(zhì)能發(fā)電或儲能等設(shè)備以穩(wěn)定出力和調(diào)節(jié)頻率。對于具有重要負荷的地區(qū)，建議采用風光柴儲、風光水儲等多能互補的微電網(wǎng)形式，海島地區(qū)還可以考慮風光儲加各類海流能互補微電網(wǎng)形式。對于水利資源豐富的地區(qū)，可以考慮構(gòu)建以小水電為主的微電網(wǎng)形式。

5 結(jié)論

通過對微網(wǎng)典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點、適用范圍分析，總結(jié)出微網(wǎng)網(wǎng)架構(gòu)建的基本原則和要素，并對每種要素對網(wǎng)架設(shè)計的具體影響進行了分析，提出了微網(wǎng)網(wǎng)架構(gòu)建的流程。然后對大電網(wǎng)未覆蓋地區(qū)微電網(wǎng)的配置方法進行研究，提出部分地區(qū)微電網(wǎng)供電模式的推薦配置。

參考文獻

[1] 王成山，焦冰琦，郭力，原凱.微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計方法綜述[J].電力建設(shè)，2015，36（01）：38-45.

[2] 朱珊珊，汪飛，郭慧，王奇豐，高艷霞.直流微電網(wǎng)下垂控制技術(shù)研究綜述[J].