基于拓扑结构与单元位置选择的微电网系统经济性分析

占晓友，文水枭，邵 华

(国网安徽省电力公司检修公司，安徽 合肥 238000)

基于拓扑结构与单元位置选择的微电网系统经济性分析

占晓友，文水枭，邵 华

(国网安徽省电力公司检修公司，安徽 合肥 238000)

微电网技术因其能够高效环保地整合各种分布式发电(distributed generation, DG)单元并入大电网系统而得到越来越多的重视，同时微电网系统的推广应用必须要考虑经济性，其经济性评估取决于系统的成本。微电网系统成本包括了各DG单元的投资、运行、维护成本以及微电网系统的网损费用。该文重点针对网损费用，对比分析了3种具有代表性的拓扑结构，给出了基于拓扑结构与单元位置选择的微电网放置方案。利用MATPOWER仿真软件对微电网不同放置位置进行潮流计算分析，得出各种方案下系统网损费用。对比发现不同拓扑结构下的微电网系统所需的经济成本有所不同，而在同一拓扑结构下，DG单元放置位置不同，也会影响微电网系统的经济性分析。采用双电网并入式环状结构的微电网成本最低，辐射状拓扑结构的微电网成本最高。

微电网；经济性；拓扑结构；单元放置位置；网损费用；双电网并入式

0 引言

微电网技术是现今世界上电力工业公认的发展方向。微电网中通常包含多种微型发电单元，其中包括太阳能光伏发电，风能发电，微型燃气轮机发电，燃料电池和柴油机发电等，各发电单元具有独特的机组特性。随着微电网技术的发展，微电网系统的优化设计逐渐成为研究的方向。其中，系统的经济性正受到越来越多的关注。由于微电网系统拓扑结构的不同以及各单元放置位置的不同，微电网系统成本有所区别。虽然短时间内各种拓扑结构对系统成本影响较小，但随着时间的积累，此因素会使微电网总设备的年费用有明显差异。

目前，国内外针对微电网系统的经济性分析主要是通过对微电网系统的能量调度进行的，其中文献[1]包括对微网系统各DG单元的优化配置和经济运行。针对分布式发电系统，文献[2]通过对配电网所含分布式发电(distributed generation, DG)单元的定容和选址，实现配电系统的最优规划。在考虑系统优化时主要以系统本身的发电单元为目标。在系统结构方面，文献[3]主要讲述了微网常见的拓扑结构，但未针对具体的微电网系统进行经济性分析和评估。与已有的研究工作不同，本文着眼于微网网损成本，主要针对常见的3种典型拓扑结构下微电网经济性进行对比分析，同时也研究在同一拓扑结构下，发电单元选址的不同对微电网系统成本的影响。

1 微电网结构

微网按结构分为3种，直流微网、交流微网、交直流混合微网。

1.1 直流微网

直流微网的结构如图1所示，其特征是系统中的DG单元、储能装置、负荷等均通过电力电子变换装置连接至直流母线[4-5]，直流网络再通过逆变装置连接至外部交流电网。直流微网通过电力电子变换装置可以向不同电压等级的交流、直流负荷提供电能，DG单元和负荷的波动可由储能装置在直流侧补偿。

1.2 交流微网

交流微网仍然是微网的主要形式，其典型结构如图2所示。在交流微网中，DG单元、储能装置等均通过电力电子装置连接至交流母线，通过对公共连接点(common connection point, PCC)端口处开关的控制[6-7]，可实现微网并网运行与孤岛运行模式的转换。

1.3 交直流混合微网

在图3所示的微网中，既含有交流母线又含有直流母线，既可以直接向交流负荷供电又可以直接向直流负荷供电，因此可称为交直流混合微网。但从整体结构分析，实际上仍可看做是交流微网，直流微网可看做是一个独特的电源通过电力电子逆变器接入交流母线。

1.4 直流微网与交流微网对比

相比于交流微网，直流微网由于各与直流母线之间仅存在一级电压变换装置，降低了系统建设成本，在控制上更易实现；同时，由于无需考虑各DG单元之间的同步问题[8]，在环流抑制上更具优势。

交流微网为目前微网实验系统建设的主流结构，但直流微网系统以其特有优势，在微网实验系统建设中也应得到重视，组建交直流混合微网实验系统，不失为发挥二者优势的一种可行选择。

2 微电网拓扑结构的引入

微电网拓扑结构对微电网经济成本的影响主要体现在网损量上的不同，而微电网的电气网络结构，可借鉴分布式发电系统配电网的结构。文献[9]所提供的配电网系统拓扑结构如图4—6所示。

3 微电网各单元放置位置方案

文献[10-11]将同一种拓扑结构下的各DG单元、分布式储能(distributed storage，DS)以及各负荷的相对位置进行了全排列组合。下面以辐射状拓扑结构为例进行简单阐述。

将各DG单元、DS以及各负载单元所在位置分别进行标号。例如图7中可标为a、b、c、d、e、f、g。本算例结合了已搭建完善的实验平台，假设光伏、蓄电池及其近端的交流负载三者都是连接在MC-BOX上[12-13]，各单元相对距离较近，并与并网接入点保持相对位置不变，故三者的相对位置和布局不予改变。故只对标号为a、b、c、d的单元(风机、超级电容、燃料电池、交流负载)的位置进行改变。根据数学相关排列组合的知识，总共有4×3×2=24种不同的放置方案(表1)。

4 微电网网损费用

主要从年费用角度上进行评估，微网的经济成本包括在规划期内DG单元的投资成本、运行成本、维护成本和网损费用。

表1 不同放置方案对应编号Table 1 Corresponding number to different placement

从输电线路和变压器的等值电路看，电力网的电能损耗由2部分[14]组成：一部分是导线和变压器绕组电阻上的损耗，这部分损耗随着通过元件的电流或功率的增大而增大，称为可变损耗；另一部分是输电线路和变压器等值电路中并联电导中的有功损耗，这部分损耗与施加于元件的电压有关，而与通过元件的功率几乎无关，根据电力网对电压质量的要求，电网运行电压一般不会偏离额定值太多，因此，这部分损耗基本不变，故又称为固定损耗。

受到电气网络结构和各发电负载储能单元放置位置的影响，各方案下网损差别明显，主要体现在电力网的可变损耗方面，故本文中主要以微电网网损费用为研究对象。

本文主要利用MATPOWER仿真软件对微电网进行潮流计算分析，得出各种方案下系统网路损耗，再与单位电量费用相结合，算出电气网络的网损费用，并对不同情况进行分析，选出微电网结构最优方案。

5 实例计算

拓扑结构变换的思想是：从1个初始的辐射型网络开始，闭合1条联络支路，形成1个回路，形成环路结构。再考虑到多路并入电网，产生新的拓扑结构。

参考实际DG单元的布局与相关文献[15]提供的现行结构，图7—9为微电网系统3种具有代表性的拓扑结构图(结合实际的光伏发电、风机、燃料电池、超级电容、蓄电池单元，此算例中假设光伏、蓄电池、负载三者空间位置相邻，故按同一节点处理)。图7为辐射式拓扑结构，图8为双并入电网下拓扑结构，图9为双并入电网下带环状拓扑结构。

按照实际的微电网系统示范工程的相关实验数据，对各DG单元、蓄电池、负载设定相关参数。利用MATPOWER软件计算3种拓扑结构下的网损情况如表2所示。

表2 3种拓扑结构在并网和孤岛下的运行网损Table 2 Operation power losses of three topologies in grid connection and isolated island

结合第3节各分布式单元的放置位置的不同规划，计算出微电网各单元不同放置方案下的微电网系统1年网损费用，以投资成本大约在50万元的微电网系统并网为例，如表3和图10所示。

表3 3种拓扑结构下发电单元不同位置放置下的网损费用Table 3 Power loss cost of in different locations of generating units under three topologies 万元

通过对比图10这3种拓扑结构下针对不同选址方式(横坐标)下年网损费用(竖坐标)的成本目标函数。交流微网结构中，第3种拓扑结构网损最小，第1种拓扑结构网损最大。结合表2、3相关数据可知，双电网并入式环状结构下微电网成本最低，辐射状拓扑结构下微电网成本最高。

在同一拓扑结构下，各微电网单元放置方式不同。以表3辐射状拓扑结构下的微电网成本为例，24种选址方式下网损费用不同，其中第八种选址方式网损最低，成本最小。显然，当微电网电源接到末端负荷节点上时，通过线路的有功和无功都将减少，从而改变线路的负载能力。通过分析可知，微电网电源和负荷单元相对位置的不同，导致了整个微电网系统网损差异。通过对各网络布局下的潮流计算。从大体上看，微电网中，负荷单元邻近两侧均有微电网电源时，则该微电网的网损相对较低。

6 结语

在其他成本相同时，网损费用的不同决定了微网不同拓扑结构下最后成本的差异。选取的拓扑结构具有一定的代表性，但不能完全覆盖所有领域的拓扑结构。不同的拓扑结构导致了能量在各发电单元和线路上的不同分布，在保证能量平衡及电压频率稳定的前提下选择一种较优的拓扑结构具有很大的现实意义。各单元放置位置的不同，也能影响微电网系统的经济性。本文潮流计算依据各发电单元某一稳定时刻的有功和无功输出量，而负载数据依照实际所需有功和无功大小，基于拓扑结构与微电网各单元放置方式下的系统经济性分析取决于各发电单元出力和负载的需求大小。在机组出力大小和需求确定的微电网运行状态下，选择一种最优的微电网拓扑结构和最佳的单元选址方式对微电网优化设计具有非常重要的意义。

[1] CAISHENG W， NEHRIR M H． Power management of a standalone wind/photovoltatic/full cell energy system[J]． IEEE Transactions on Energy Conversion， 2008， 23(3)： 957-967．

[2] YU H S， TENG Z B， YU J P， et al． Energy-shaping and passivity based control of three-phase PWM rectifiers[C]//2012 10th World Congress on Intelligent Control and Automation(WCICA)． Beijing， China： IEEE， 2012： 2844-2846．

[3] SERRA F M， DE ANGELO C H， FOECHETTI D G． IDA-PBC control of a three-phase front-end converter[C]//IECON 2012-38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society． Montreal， QC， Canada： IEEE， 2012： 5203-5208．

[4] EROL-KANTARCI， MOUFTAH H T． Reliable overlay topology design for the smart microgrid network[C]//IECON 2011-12th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society． Montreal， QC， Canada： IEEE， 2011： 3112-3116．

[5] MOROZUMI S， KIKUCHI S， CHIBA Y， et al． Distribution technology development and demonstration projects in Japan[C]//Proceedings of Power & Energy Society General Meeting-Conversion & Delivery of Electrical Energy in the Century. Pittsburgh: IEEE, 2008.

[6] LIU F C， LIU J J， ZHANG B． Energy management of hybrid energy storage system(HESS) based on sliding mode control[C]//2012 7th Intelnational Power Electronies and Motion Control conference(IPEMC)． Harbin， China： IEEE， 2012： 406-410．

[7] CECATI C， AQUILA A D， LECCI A， et al． Implementation issues of a fuzzy-logic-based three-phase active rectifier employing only voltage sensor[J]． IEEE Transactions on Industrial Electuonics， 2005， 52(2)： 378-385．

[8] LEE T S． Lagrangian modeling and passivity-based control of three-phase AC/DC voltage-source converters[J]． IEEE Transactions on Industrial Electronices， 2004， 51(4)： 892-896．

[9] BROWN R E， FREEMAN L A A． Analyzing the reliability impact of distributed generation[J]． IEEE Power Engineering Society Summer Meeting， 2002(1)： 1013-1018．

[10] LASSETER R H． Microgrids[C]//2002 IEEE Power Engineering Society Winter Meeting． New York， USA： IEEE， 2002： 305-308．

[11] EROL-KANTARCI M， KANTARCI B． MOUFTAH， H． Reliable overlay topology design for the smart microgrid network. Network[J]． Network IEEE， 2011， 25(5)： 38-43．

[12] 王成山， 王守相． 分布式发电供能系统若干问题研究[J]． 电力系统自动化， 2008， 32(20)： 1-4． WANG Chengshan， WANG Shouxiang． Study on several problems of distributed generation energy system[J]． Automation of Electric Power Systems， 2008， 32(20)： 1-4.

[13] 梁有伟， 胡志坚， 陈允平． 分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J]． 电网技术， 2003， 27(12)： 71-75． LIANG Youwei, HU Zhijian, CHEN Yunping． Review of distributed generation and its application in power system[J]. Power System Technology， 2003， 27(12)： 71-75．

[14] 王小君， 鲍海． 电力系统节点输电网损成本分析[J]. 中国电机工程学报， 2008， 28(13)： 120-124． WANG Xiaojun, BAO Hai． Analysis of transmission network losses in power system nodes[J]． Transactions of China Electrotechnical Society， 2008， 28(13)： 120-124．

[15] 刘志鹏， 文福拴， 薛禹胜， 等. 计及可入网电动汽车的分布式电源最优选址和定容[J]． 电力系统自动化， 2011， 35(18)： 11-16． LIU Zhipeng， WEN Fushuan， XUE Yusheng， et al． Optimal location and constant volume of distributed power supply considering grid-connected electric vehicle[J]． Automation of Electric Power Systems， 2011， 35(18)： 11-16．

(编辑 蒋毅恒)

Economic Analysis of Microgrid System Based on Topological Structure and Unit Location

ZHAN Xiaoyou， WEN Shuixiao， SHAO Hua

(Inspection and Repair Company of State Grid Anhui Electric Power Company, Hefei 238000, Anhui Province, China)

Microgrid technology has been increasingly concerned for its high efficiency and environmental integration of various distributed generation (DG) units into large power grid system. The wide application of micro-grid system should consider the economy, and the economic evaluation depends on the system cost. The cost of microgrid system covers the investment, operation and maintenance cost of all GD units, and the power losses of microgrid system. The power losses cost, especially for 3 typical topological structure, was compared to determine the microgrid layout solutions based on topological structure and unit location selection. MATPOWER simulation software was introduced to calculate the power flow in different location of microgrid to get the power loss cost. The results show that the economic cost of microgrid system depends on its topological structure; the location of DG units has effect on the economic analysis of the microgrid system for the same topological structure. The microgrid with dual-grid integrated ring structure is of the lowest cost, and that with radial topology is of the highest cost.

microgrid； economy； topological structure； unit location； power loss； dual power grid integration

TK02;TM76

： A

： 2096-2185(2016)03-0049-06

2016-10-29

占晓友(1971—)，男，高级工程师，主要从事智能电网继电保护技术工作，xiaoyou_z@126.com；

文水枭(1987—)，男，硕士研究生，工程师，主要从事智能电网运维技术研究工作；

邵 华(1987—)，男，硕士研究生，工程师，主要从事智能电网运维技术研究工作，shaoh0098@outlook.com。