微电网结构设计的基本原则

朱永强，贾利虎，王银顺

(新能源电力系统国家重点实验室华北电力大学，北京102206)

微电网结构设计的基本原则

朱永强，贾利虎，王银顺

(新能源电力系统国家重点实验室华北电力大学，北京102206)

微电网结构设计是微电网建设的基础，设计微电网结构时需遵循一定的设计原则，而微电网的结构设计较之于传统配电网又有不同。本文详细分析了交流微电网和直流微电网的相同点和不同点，并指出交直流混合微电网兼顾了两者的优点，更加有利于分布式电源的接入。本文阐述了微电网结构设计的若干原则，在考虑分区、分层原则的同时，还要考虑资源利用最大化、能源互补、储能和无功补偿等问题，文中还给出了当资源和负荷条件不能自然满足设计原则时的解决措施。最后，以北京某大学为例进行了微电网的设计，验证了上述设计原则的合理性和可行性。

微电网;交直流混合;结构设计;设计原则

1 引言

近些年来，微电网的研究已成为热点［1-7］，文献［1］详细阐述了微电网的结构和概念，介绍了美国、日本和欧洲的微电网示范工程，从电力技术、经济性、管理和市场方面提炼了微电网研究中的关键技术，为中国的微电网发展提出了建议。文献［2］从微电网结构、运行控制、供电可靠性和电能质量、安全机制与经济运营、仿真分析与工程建设等5个方向进行综述。文献［8］从微电网的结构、规划设计方法、能量管理与运行优化、保护与控制以及仿真与实验等方面，对微电网的关键技术进行了概述，并指出了未来微电网研究的方向。由以上研究可以看出，这些文献主要是指出微电网的研究方向以及关键技术，且多集中于交流微电网方面，对直流微电网就鲜有涉及。

文献［9，10］则是从直流微电网的控制技术、保护技术、结网方式、通信技术和电力电子接口电路等关键技术方面进行了全面的阐述，涉及到直流微电网的文献大多数也是从以上的一个或若干方面进行分析。

微电网的结构是建设微电网的基础，体现了微电网的基本特征，微电网的结构包含了分布式电源和负荷的分布、类型、并网接口形式，是解决微电网电压问题、潮流问题、稳定性分析的关键。

目前对于交直流混合微电网的系统规划、内部机理、能量管理和最优控制、保护策略等研究较少，因此还没有经验可循［11］。另外，关于微电网的研究，各研究人员只是针对自己所提出的一种具体结构，如文献［12］中的双极性辐射型直流微电网结构，文献［13］设计的单母线放射型结构。这些文献从运行控制、能量管理和故障保护等方面进行分析，其研究结论对于其他类型的结构不具有普遍性。本文旨在从交直流混合微电网结构方面进行研究，提出交直流混合微电网结构设计原则，为未来大规模的交直流混合微电网的规划设计提供参考。本文给出了进行交直流微电网结构设计时的设计流程以及遇到问题时的解决措施，最后以一个实际算例来体现本文所提出的微电网设计原则。

2 交直流混合微电网基本概念

微电网的分类方法有多种，本文按照微电网内主网络供电方式的不同，对微电网进行了分类，即交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网。直流微电网中，分布式电源和储能系统通过直流主网架直接为直流负荷供电;而对于交流负荷，则通过电力电子装置将直流电转换为交流电供电。在交流微电网中，将所有分布式电源和储能系统的输出转换为交流电，形成交流主干网络为交流负荷直接供电;对于直流负荷，需通过电力电子换流装置将交流电转换为直流电后为负荷供电。在混合型微电网中，无论是直流负荷还是交流负荷，都可以不通过交直流间的功率变换直接由微电网供电［8］。

相对于单纯的交流微电网和直流微电网结构，采用交直流混合微电网结构具有以下优点:①分布式电源及电力储能装置以交流、直流形式输出电能，采用交直流混合微电网将交流电源接入交流母线，直流电源接入直流母线，可以减少AC/DC或DC/ AC等变换环节，减少电力电子器件的使用;②某些负荷(如荧光灯、风扇、冰箱和普通空调等)只能用交流供电，某些新型的负荷(如计算机、家用电器、变频器、开关电源、通信设备和电动汽车等)或可采用直流供电，或者具备交直流转换装置，采用交直流混合微网供电的形式，可以减少用户设备内变频装置，降低设备的制造成本，因此采用交直流混合微电网的形式，省略了许多变换环节和变换装置，使微电网结构更加简单、控制更加灵活、损耗降低，从而提高整个系统的经济性和可靠性［11］。

3 微电网结构设计原则

微电网应用场合多变，运行和控制需求各有不同，其中的电源、负荷特性差异也可能很大，微电网的定容与选址还应与电网规划相协调，以确保电网的安全稳定为前提;同时应注意最大化整合利用微电网范围内的多种综合能源，并进一步对微电网在偏远地区、城市负荷中心等不同场景下的应用进行细分研究［2］。另外，微电网设计时，应充分考虑与现有城市配电网的兼容性问题，使两者能够形成良好的“互动”。

交直流混合微电网结合了交流电网和直流电网各自的优点，对于新建的微电网或者将要改造的微电网，交直流混合微电网结构都是理想的选择。设计交直流微电网时，要满足供电可靠性、经济性和灵活性的要求，具体来说，可以通过以下设计原则实现:

3.1 分区原则

分区的目的是减少线路上的能量流动，减少网损，满足经济性要求，具体内容包括三方面。

(1)对于分散的小容量负荷，可以设置合适的分布式电源与之搭配，就地解决发电和用电问题，可以减少或者不用大电网供电，减少负荷与电网间的功率交换。

(2)对于工厂等重负荷区，本地分布式电源远远不能满足其能量需求，供电可靠性不能保证，应将微电网与大电网的并网点(PCC)设置在重负荷区附近。一般情况下，并网点设置在交流母线侧。

(3)在微电网内部存在的电源和负荷形成的局部小系统，直流电源和直流负荷搭配，交流电源和交流负荷搭配，减少电力电子变换设备的投资。

3.2 分层原则

分层是微电网中母线电压等级的选择问题。分层的目的有两个:①对于高压母线是为了增加输电容量，减少输电损耗，减小用户侧的电压降;②对于低压母线是为了使用户用电更加方便和安全。

根据负荷和电源情况设置不同的电压等级，对交直流母线在不同电压等级之间的连接关系进行合理的选择。在微电网建设规划初期，对已存在的负荷区域进行分析，相同电压等级的负荷最好设置在相邻区域，这样区域内部电源之间可以互为备用，提高供电可靠性。

3.3 资源充分利用

资源充分利用包含两个方面内容。

(1)资源利用最大化

资源利用最大化考虑的单个可再生能源的利用问题。微电网设计规划初期，应对当地的可再生能源(太阳能、风能和生物质能等)进行充分的调研分析，掌握当地再生能源的情况，根据其年输出功率情况制定有效的发电方案，使得资源利用最大化，减少从大电网中所需的输电容量，减少或缓建大型发电厂和高压输电网，从而节约投资。同时，使得与之相连的输配电网潮流减少，降低了网损。

(2)能源的互补性

可再生能源发电具有不稳定性、无规律性、波动性和间歇性等特点，我们无法按照我们的意愿对其进行调控，但是如果将这些能源进行打包，利用资源之间的互补性就可以使“电力包”成为相对稳定和易于调控的资源。能源的互补性包含三方面:①时间上的互补性;②空间上的互补性;③电动汽车充电系统的调节作用［14］。

所谓时间互补性是指某些资源在某段时间内较为充足，而一些资源在另外一些时间段内比较充足，例如太阳能白天较为充足，而风能夜晚较为充足，将这两种资源连接在同一电压等级的馈电线上，即可减小馈电线与母线间的功率流动。所谓空间互补性是指在同一时刻不同区域的微电网中的资源具有互补性。相关数据表明，范围越大资源的互补性越强。一个微电网与配电网间的功率交换可能很大，但是将多个微电网连接在一起再与配电网相连，其与配电网的功率交换就会减少。电动汽车充电系统的调节作用是指电动汽车的动力电池将可能是未来电网的主要负荷，可以将其看作是电源资源。在太阳能和风能较为充足时，对其进行快速充电，在电网出现故障时，也可以作为紧急备用电源向电网输出功率［15］。

3.4 电能质量保证原则

电能质量保证原则包括以下两方面的内容。

(1)储能配置

储能配置的前提是满足经济性指标和系统运行性能指标，储能的目的有两个。目的一是削峰填谷，一般情况下不考虑将微电网多余电能回馈到配电网中，只有紧急情况，如电网出现故障时，微电网中的分布式电源作为应急电源向配电网提供功率。正常情况下，当微电网内部发电功率大于用电功率的时，将多余的电能储存起来。目的二是保证重要负荷不间断供电，对于微电网内部的一级负荷(医院、银行和政府办公楼等)必须设置储能装置，保证其用电可靠性，具体内容包括:

1)对微电网内部负荷进行分类:直流负荷和交流负荷，敏感负荷和非敏感负荷，重要负荷和非重要负荷。

2)储能类型的选择，如电池储能系统、超导储能和飞轮储能等。

3)储能容量和位置的选择，根据各种类型储能装置的特点以及各种优化算法进行设置。

(2)无功补偿配置

在经济性和系统运行性能指标前提下对交直流混合微电网中合理设置无功补偿设备。微电网内部包含众多感性负载，例如变压器、异步电动机等，另外微电网中使用了大量电力电子变换装置等非线性装置(如整流器、逆变器和斩波电路等)，都需要消耗大量的无功功率，同时这些设备也会产生大量的谐波，而谐波源也需要吸收大量的无功功率。因此，微电网内部需配置合理的静态和动态无功补偿设备。

4 设计原则的应用分析

在微电网的结构设计过程中，如果当地的情况与本文提出的设计原则基本符合，那么按照设计原则进行设计即可，但是如果遇到不满足的情况，本文也给出了解决措施。

当出现不满足分区原则时，实际情况是本地负荷大小(SL)和电源的容量(SDG)不匹配，可采取的措施有:

(1)SL＜SDG时，设置储能，将多余的电能储存在储能系统中，当分布式电源发电不足时或微电网故障时，为负荷提供可靠电能，提高供电可靠性，如图1(a)所示。

(2)SL＞SDG时，建立新的分布式电源，利用资源的互补性原则，可以在负荷的周围设置不同类型的新能源发电系统，如风能与太阳能、生物质能搭配，一方面可以满足负荷的功率要求，另一方面也可以平滑其向电网注入的功率，如图1(b)所示。

(3)与其他区域进行协调控制，如图1(c)所示，A区域功率出现短缺时，B区域功率充足，这时可以通过能量管理系统的协调控制，使B区域的功率流向A区域。

图1 解决措施示意图Fig．1 Diagram of solutions

微电网结构设计的优劣对其性能有着重要影响，影响微电网结构设计需要考虑的基本要素主要包括:地理位置和特点，配电网网架、容量和保护，分布式电源的类型、容量和发电特性，负荷的容量、增长速度，微电网的控制和运行方式，能量管理以及投资等［16］。本文给出其一般的设计流程。图2为简要的设计流程。

图2 设计流程Fig．2 Design flow

详细的设计步骤为:

(1)在考虑基本要素和设计原则的基础之上，对本地负荷和分布式电源的类型、数量、分布位置进行统计，对区域内的电源和负荷进行分区处理。

(2)设计几种可能的交直流微电网结构，从供电可靠性、灵活性以及经济性等方面进行分析比较，初步选择合适的微电网结构。

(3)并网点的选取，在充分掌握本地区配电网结构的基础上，对微电网接入配电网的影响做出准确评估，选择合理的并网点。

(4)选择合适的约束条件，例如以网损最小为约束条件，进行微电网内部各母线电压等级的选择，即进行分层设计。

(5)以单元微电网为基础，考虑孤岛运行时系统中重要负荷能否不间断供电，设置合理的储能系统，包括容量和类型的选择，形成主要结构。

(6)在设计好孤岛运行结构的基础上，对其他的分布式电源、二级和三级负荷，按照所处的地理位置、特性，接入微电网主要结构中。

(7)充分考虑本地负荷和电源的增长速度，在基本的拓扑结构上预留一定数量的分布式电源和负荷的接口，形成较为完善的微电网结构。

(8)考虑微电网的运行方式的切换策略，设置合适的隔离开关和断路器。

(9)无功补偿设备的设置，在大功率感性负荷处设置静止无功补偿器和少量动态无功补偿装置。

(10)对所设计的微电网结构进行仿真实验，模拟其运行状态，并对网络结构进行修改和完善。

5 算例分析

以北京某高校为例进行交直流混合微电网结构设计，对所提出的设计原则进行适应性分析。

5.1 电源负荷调研

(1)学校气候概况:学校地处北京西北部，属于典型的半湿润大陆性气候，风向有明显的季节变化，冬季盛行西北风，夏季盛行东南风;北京太阳年辐射量全年平均为4688～5693MJ/m2，年平均日照小时数为2000～2800h。

(2)资源概况:学校无工厂等重负荷区，大多数为轻负荷区;学校内的建筑物较多，且顶部平坦，适宜安装太阳能光伏电池板;学校的西北和东北部为空旷地区，无大型建筑物阻挡，适宜安装小型风力发电机，且不会影响校园绿化。

(3)交直流负荷概况:学生公寓多为LED照明、计算机、手机充电器等直流负荷;食堂多为排风扇、微波炉、抽油机冰柜等交流负载以及电烤箱、消毒柜等直流负荷;医院的医疗设备多为交流设备;行政楼多为计算机、手机充电器、打印机等直流负荷以及排风扇、空调等交流负荷。

(4)负荷重要性分类:医院内的急诊部、手术部、培养箱、血库等重要的生命安全类负荷以及消防用电负荷列为一级负荷对象;行政办公楼内重要部门的用电列为一级负荷。

(5)扩建情况:位于学校西侧的主教学楼A、E座以及学生14#公寓近期将进行开工建设，5#教学楼近期刚刚竣工，国家重点实验室将设置在此处，这几处适宜建设交直流混合微电网结构，可操作性较强。

5.2 交直流混合微电网设计接线图

北京某高校AC/DC微电网结构如图3所示，其中虚线区域是根据设计原则进行设计的微电网结构。其中区域1为主楼交直流微电网结构，区域2为14#公寓直流微电网结构，区域3为学校孵化楼交流微电网结构，区域4为5#教学楼交流微电网结构，区域5为学生公寓群直流微电网结构。

5.3 结构特性分析

(1)可靠性方面。整个微电网各区域之间通过联络开关进行互联，互为备用，能够提高系统各区域的供电能力裕度。区域1和区域4、5采用交直流互补结构，两台双向变流器互为备用。当主逆变器检修或故障时，启动备用逆变器。原有配电网中含有医院等一级负荷，区域2通过DC/AC变流器与原配电网相连，可以作为电网故障情况下的备用。另外区域1、3和4与原配电网通过区域联络开关进行连接，能够大大提高原配电网的供电可靠性。

(2)经济性方面。采用交直流混合结构，减少了电力电子变换器的使用，节约投资成本。按照能源互补性原则结合当地的资源情况，修建风力发电系统和光伏发电系统，例如在学校的西北和东北区域建设风-光-储联合发电系统，在学校公寓、食堂等建筑物的顶部建设光伏发电系统，减少了从主网中吸收的功率。并且在风能和太阳能丰富时期，还可通过对并网点变流器的控制，向主电网注入功率，改善主网的潮流分布，降低网损。

图3 某高校AC/DC微电网结构图Fig．3 Structure of university AC/DC microgrid network

5.4 设计原则体现

(1)分区原则。区域1属于负荷和电源密度较高的区域，适宜组成局部小型微电网。风力发电系统和交流负荷接入交流母线组成局部交流微电网，光伏发电系统和直流负荷接入直流母线组成局部直流微电网，然后两个微电网再通过双向变流器互联。

根据分区原则中的就地消纳负荷的原则，新建14#公寓楼多为轻负荷，适宜建设小型局部直流微电网。可以在原有交流电网的基础上，在楼顶设置光伏发电系统，辅助交流配电网。根据调研可知，在每天10∶00～23∶00之间，用电量较小，此时可采用光储一体化的方式将多余电能储存起来。

(2)分层原则。主要涉及电压等级的选择，根据交直流负荷特点和用电安全方便原则，新建微电网交流主干线路选择380V电压等级，直流主干线路选择220V，支路选择48V。

(3)资源利用和能源互补原则。主楼A座位于学校西北侧，地势宽广平坦，风力和光照资源较为丰富，根据资源利用最大化原则，适宜设置小型风力发电和光伏发电系统，且以风力发电为主建设交流微电网，以光伏发电系统为主建设直流微电网，交直流电网之间设置有区域联络开关，用于实现区域间的能量交换，以及时间上和空间上的能量互补。

学校孵化楼为大学生创新实践基地，地理位置空旷，适宜建设小型风力发电系统。

(4)储能配置原则。学校原配电网中具有医院等一级负荷，新建的5#教学楼拥有国家重点实验室，有大量专业实验室，为重要负荷，为保证不间断供电，配备了电池储能设备，从而降低停电概率。为平滑风光等新能源发电的波动性，在各交直流母线侧也配备有储能设备，实现平抑功率波动和提高微电网的电能质量的功能。

(5)无功补偿原则。为了满足整个微电网对无功的需求，尽可能减小电网向微电网输送无功功率，在交流10kV进线母线侧设置了无功补偿装置。

6 结论

本文对交直流微电网的定义、分类和优缺点进行了详细分析比较，指出交直流混合微电网在未来电网发展方面的优势，进而提出了交直流混合微电网结构的设计原则，包括分层、分区原则，资源利用最大化和能源的互补性原则，以及储能配置、无功补偿原则等。这些设计原则的提出也是为了满足电力系统供电可靠性、灵活性和经济性的要求。根据所提出的设计原则，本文给出了交直流混合微电网结构设计的一般流程，旨在为交直流混合微电网规划和建设提供参考。最后以北京某高校为例，对交直流混合微电网设计的原则、步骤和注意的问题进行了详细分析，可以得出以下结论:交直流混合微电网综合利用了现有电网结构、地形和资源等，对于已有的交流为主的配电网，在对其改造时直流微电网一般作为补充，用于改善交流配电网的供电质量和可靠性，直流电网处于从属地位;而对于新建电网则可以充分考虑各类设计原则，在对所选区域进行交直流混合微电网设计时，交流微电网和直流微电网处于平等地位。

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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

中国-丹麦政府间科技合作项目“智能直流微电网设计与实证合作研究”(2014DFG72620)

朱永强(1975-)，男，天津籍，副教授，博士，研究方向为新能源发电与并网技术;

贾利虎(1988-)，男，河北籍，博士研究生，研究方向为新能源发电与并网技术、微电网运行与控制技术。