微电网规划体系研究

柯人观，周金辉，汪东辉

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

微电网规划体系研究

柯人观，周金辉，汪东辉

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

在分布式电源和储能设备大量接入的情况下，传统配电网的供电模式和规划方式发生了改变。通过对微电网的电压等级、供电制式、接入方式和具体网架结构等进行研究，比较各类供电模式在不同应用场合的优缺点，提出微电网规划建设的一般步骤和实施方案。结合我国能源结构和负荷特性，提出4类微电网典型供电模式及其适用范围，并给出我国各区域城市和农村的典型供电模式。

微电网；规划体系；供电模式；结构模式；分布式电源

0 引言

微电网将分布式电源、用电负荷、储能装置和控制装置等结合，起到电能收集、传输、存储和再分配的作用，有益于提高现有电网运行的可靠性和经济性[1，2]。在微电网理论探索过程中形成了计算与分析理论、保护技术、信息通信及计量、控制运行与能量管理、包含分布式电源与储能在内的规划设计等体系，其中规划设计是微电网核心技术体系之一。

由于可再生能源发电具有间歇性，微电网系统规划工作不同于传统输配电网规划，在规划体系初期考虑的负荷预测由于分布式电源的接入而变得困难，同时微电网选址、网架结构和供电模式的确定、保护和控制的方式也将发生变化，微电网中确定合理的电源组合和容量配比也成为规划中的新问题[3]。微电网规划需考虑的因素如图1所示。

图1 微电网规划考虑因素

目前对于微电网规划理论与方法的研究集中在含微电网的配电网规划[4]等领域，在某种意义上还属于配电网的规划范畴，关于微电网自身供电模式等方面研究的文献还较少[5-7]。文献[1]在分析微电网网架的基础上,根据微电网特点将其分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网。文献[8]考虑微电网地理特点、接入的配电网结构和运行方式等基本要素，研究了微电网结构的设计方法，提出微电网结构设计流程。

1 微电网规划体系

在微电网规划体系中，除了原有配电网的网架结构和当地经济社会发展情况，所规划区域的负荷和可再生能源结构也是首先要考虑的因素。在微电网的结构模式和供电模式确定之后，需进行微电源的选址定容和优化规划，综合考虑电网控制运行方法之后得到最终的方案，同时要制定切负荷等一系列能量管理措施。

参照配电网典型规划模式，微电网规划也可分为布点规划和扩展规划2类，其中布点规划以规划点自然资源条件为依托，结合分布式电源本身特性进行微电网选址定容；而扩展规划则包括系统网架的结构模式和用户接入方式的选择，规划体系流程如图2所示。

图2 微电网规划体系流程

2 微电网典型结构模式

微电网结构模式主要指网络拓扑的设计，具体包括微电网内部的电气网络接线结构、供电制式的选择和与外部网架的互联接口等等，是微电网规划设计的前提条件，如图3所示。

图3 微电网结构模式分类

微电网结构模式应遵循安全可靠、经济实用、灵活运行、就近匹配等原则，对负荷特性的研究和负荷曲线的制定也要结合分布式电源适用性加以考虑。通常微电网设计有公共连接点，使分布式电源在供电范围内保证重要负荷供电可靠性和连续性；同时微电网作为面向终端电力用户的电网形式，分布式电源应最大程度地靠近负荷中心，与用电负荷进行平衡；另外也需要兼顾经济性和冷热负荷的需求，提高能源利用效益，目前家庭太阳能发电和冷热电联产系统是较为普遍的可利用形式。

美国可靠性协会的CERTS微电网是最为典型的微电网结构模式，其典型结构如图4所示。在实际应用中，主接线可以简化为主母线和子母线2类形式。

图4 基于CERTS系统的微电网结构模式

参考CERTS微电网结构可构造以城市开闭所为核心的典型微电网结构，如图5所示。其中主微电网通常可设置1个10 kV的开闭所（开关站）作为网架结构基础，按需接入小型光伏电站或者中小型风电；一级子微网可以是开闭所下设的若干个变电室，适当配置中小型风力发电、燃气轮机和储能设备，就近向负荷中心供电；二级微网需要与建筑物配电室相结合，以接入380 V配电系统的楼顶光伏、储能及其他分布式电源作为供电单元，结合上级开闭所或变电室的母线共同对负荷供电，形成靠近负荷终端的低压微电网。

根据公共连接点的不同，微电网供电制式也有所区别。其中，按照负荷规模大小，中压级别微电网可分为变电站级别和馈线级别2类，馈线级别微电网又可分为二次侧、联络线、分支线等多种类型，如图6所示。而低压微电网可分为串并联、三相/单相、树干式、放射式、环式等多种结构模式。

按照电压等级划分，微电网可分为中压微电网和低压微电网，其中CERTS微电网就是典型的低压微电网。中压交流微电网由于其分布式电源容量较大，渗透率高，适用于敏感负荷分布不集中的场合，供电可靠性较低，组网有一定难度，比如以集中型的风电场和光伏电站为依托的微电网。其特点是10 kV馈线上含有容量较大的分布式电源，其中每个子微电网独立供能，而通常在低压配电二次侧也可布置一定数量的低压微电网或者小容量的分布式电源作为支撑。

图5 典型城市微电网网架结构

图6 中压微电网结构模式

由于分布式电源的容量限制，中压微电网需要主网支持，在故障情况下可灵活地选取公共连接点，进入孤岛解列模式，分解成多种结构的小型微电网以保证用电可靠性。

对于分布式电源数量众多而负荷较小的居民区小型微电网，直流微电网体现出巨大优势[9]。直流微电网的规划包含电压等级和网架结构的设计。一般而言，直流微电网母线的构成形式可以分为4类：单母线结构、双层式母线结构、双母线结构和环网结构[10]。而国内尚无直流微电网电压等级的标准，需要综合考虑国内外实际微电网运行情况后进行选择。

由于交流和直流微电网各有其优缺点，交直流混合微电网的概念应运而生。交直流混合微电网以交流微电网为主，运行方式更加灵活，是未来微电网的发展趋势，可根据用户的不同需求，为内部用户提供不同质量的电能。

3 微电网典型供电模式

微电网供电模式的选择主要考虑负荷特性、拓扑结构模式、微电源和储能的种类和容量、接入电网电压等级配置选择等因素。根据我国可再生能源的情况和目前国内外已有微电网建设工程经验，将典型微电网供电模式分为风光柴储供电系统、小水电结合抽水蓄能供电系统、微型燃气轮机及内燃机冷热电联供系统以及其他分布式电源结合储能设备构成的微电网系统4大类。

风光柴储微电网主要分为并网型和离网型2类，风力发电和光伏发电是国内发展比较成熟的分布式电源种类，而柴油发电是传统的离网供电模式。在自然资源丰富的东部海岛和西部农村地区，如果没有集中供电的条件，可以采用屋顶光伏和小型风机为主的分散式发电形式。而对于风力资源匮乏、楼层密集的城市，风机不适宜作为分布式电源。考虑电动汽车充电桩等直流负荷日渐增多的情况，可采用屋顶光伏辅助以储能设备构造直流或交直流微电网，或以燃气轮机为基础构造冷热电联供形式微电网。

构造以小水电为主的微电网不应局限在常规水电站，也可以采用包括抽水蓄能电站、潮汐能电站、海流能电站等在内广义的水力发电系统，在我国东西部的广大农村和边远山区存在大量无调节能力、水头很低的河床式水电厂、引水式水电厂等，可以通过技术改进来构造微电网，充分利用水能资源。由于我国风能、太阳能和水能的季节特性十分明显而资源浪费比较严重，利用小水电结合风光等其他分布式电源进行发电是发展趋势，通过合理的规划就可实现可再生能源的优势补充，应用价值明显。

微型燃气轮机发电在国外微电网中已有较广泛的应用，与其他分布式电源相比其出力平稳，尤其是快速启停和调节特性有利于补偿风电场的出力波动，能够保证供电质量。我国在居民和商业负荷用户中有大量供冷供热的需求，在燃气轮发电机本体研究和西气东输等天然气工程取得进展后，可以大量使用微型燃气轮机作为微电源。

生物质能微电网有2类形式：一类以小型垃圾发电为基础，利用城市周边已有的垃圾焚烧发电厂组成微电网进行供电，在满足微电网内供电的同时，以配电网线路等形式向外供应电能；另一类利用工业有机废水和城市生活污水进行沼气发电，主要以气化直燃炉和内燃热气发电机组为基础，贴近负荷中心，因地制宜，适合实际推广应用。

另外微电网的分布式电源还包括燃料电池、地热能、海洋能和其他以内燃机和储能为主的各类微电网类型。

我国各地电网负荷特性差异很大，对负荷进行具体分析，能够使微电网规划符合各地发展方向。微电网的规划应针对不同区域、不同能源结构和用户需求，按照可再生能源的分布情况和负荷对于供电可靠性的需求等多方面特性进行配置，分别适应城市、农村、海岛等不同供电区域，结合不同区域的具体负荷需求，提出具有针对性的供电模式，如表1和表2所示。

4 结论

微电网规划理论是微电网理论体系的重要组成部分，由于分布式电源和大量电力电子器件的

表1 我国各区域城市微电网典型供电模式

表2 我国各区域农村微电网典型供电模式

接入，其规划方法有别于传统配电网，需要构造新的方法加以实现。

研究并提出微电网典型规划体系和供电模式的确定方法，包含网络拓扑设计、供电制式选择、分布式电源接入等，提出了针对城市、农村等各类负荷特性下供电模式的应用场合和优缺点。

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（本文编辑：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

柯人观（1988），男，工程师，研究方向为电力系统规划、继电保护与控制。