直流微电网在甘肃电网中的应用前景分析

李芳芳 , 韩 莹

(1.兰州工业学院 电气工程学院，甘肃 兰州 730050； 2.西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610000)

0 引言

近年来，全球一次能源逐渐紧缺、资源环境污染严重、气候变暖等问题的日益突出，可再生新能源的开发和利用越来越多的得到人们的重视。目前，中国作为世界最大的能源消费和生产国，有限的传统一次能源消费和生产模式已经难以适应当前的形势，必须逐步调整国家能源结构，将发展利用可再生新能源提升到重要地位。面对全球范围内的能源危机和环境压力，人类渴望利用可再生能源来代替有限且污染环境的常规一次能源。

甘肃地区具有丰富的光、风能源，因此在甘肃利用光和风能源建设了许多大型的发电厂，特别是风能发电起步更早，且规模更大。但这些大型发电网具有大电网、高电压、大机组的主要特征，使得它在生产和运营过程中弊端日益显现，以及大电网的运行成本高、技术难度大、故障容易扩散、大型电网对土地需求和环境保护的压力大等情况。甘肃电网“2.24” 事故、“4.17 ”事故和“4.25 ”事故充分说明由于风电大规模集中开发，导致因单个风电场发生事故后波及周围临近风电场，从而使场内风电机组大规模脱网，电力系统的频率、电压也因此大幅度波动，导致事故直接影响整个风场的安全稳定运行，甚至还威胁到了整个电网的安全。面对出现的这些情况，为更加安全、有效地利用甘肃地区的光能和风能资源，并随着分布式发电技术的不断进步以及人们对环境的重视，分布式发电新模式开始走进人们的视野，其特点是充分开发和利用各种可用的分散存在的能源进行发电，可以大力促进节能减排和可再生能源的发展，实现甘肃地区分布式发电与大规模集中发电并举且相互补充的发电新模式。

1 分布式电源的概念及特点

分布式是相对于集中大规模式来说的，分布式电源是不直接与集中大电网输电系统相连的，电压等级在35kV以下的电源。目前较为常见的新能源有风能、太阳能、天然气、生物质能、地热能等，这些新能源均为分布式能源，相应的一些发电技术被称为分布式发电技术。

分布式发电相比集中大规模发电有以下特点：

(1)分布式发电系统中各发电站是相互独立的，不会发生如“2.24”、“4.17 ”事故和“4.25 ”事故等大规模停电事故，所以安全可靠性相对比较高；

(2)分布式发电可以成为集中供电的重要补充，在意外灾害突发、重要集会和庆典等特殊场合需求时可继续供电，弥补大电网安全稳定性的不足；

(3)分布式发电由于参与运行的系统少，可实现对区域电力质量和性能实时监控，且调峰性能好，操作简单，便于实现电气自动化；

(4)分布式发电相比集中式发电输配电损耗低、无需建配电站的特点，使得分布式发电非常适合向牧区、山区、农村等特殊地理位置的居民供电，可以避免或降低附加的输配电、土建和安装成本。

2 甘肃地区分布式能源应用现状

甘肃省地处西部内陆，具有丰富的分布式能源，资源优势非常明显，特别是太阳能和风能作为中国最为丰富的区域之一，具有巨大的开发潜力。据最新数据分析，甘肃和新疆、西藏一起被列为中国太阳能资源最为丰富的一类区域，甘肃各地年太阳总辐射值约为4800～6400MJ/m3，按现有利用水平测算每年可开发利用的太阳能资源量相当于520万吨标准煤所发出的热量。

在风能资源方面，在中国区域内甘肃省是除了东南沿海及其岛屿以外，风能资源也是最为丰富的区域之一，且在甘肃区域内分布范围广，理论风能储量为2.37亿kW，技术可开发量大约在4000万kW左右。特别是甘肃北部、河西走廊等区域终年在西风带控制下，且是冷空气最先入侵的地方，年平均有效风能密度在150W/m2以上，有效风力出现时间在6000h/a以上，占全年时间的百分率为70%左右。其中，瓜州和玉门更被形象地称为“世界风库”和“世界风口”。中国发展和改革委员会西部司司长秦玉才也曾说，新能源将是甘肃起飞的“引擎”。

近年来，甘肃省也在国家政策的扶持下，积极努力地发展风力和太阳能发电项目，也取得了一定的成就。酒泉地区新建千万千瓦级风电场，玉门等地风电建设也一直没有停歇，甘肃省正在积极努力地建设河西“风电走廊”、西部“陆上三峡”。

除风电外，甘肃省几百万千瓦光热光伏发电等开发项目陆续开工。然而，由于大规模风能、光伏集中发电的加速建设和原西北电网网架结构薄弱、线路端面窄等因素，使得大规模集中开发风电光伏发电并网和消纳正逐步成为制约风电、光伏发电开发的最主要因素，发电企业不得不采取限电措施，弃风弃光现象突出[1]。

相比可再生能源集中发电，分布式发电在国家政策的扶持下在甘肃逐渐发展了起来。尽管分布式发电技术相比集中发电具有多样、经济、可靠、调峰等诸多优点，但也存在着一系列的问题。由于分布式电源功率输出具有一定的差异性和不确定性，因此分布式电源接入电网将会对大电网产生难以预测的冲击，并会威胁到配电网运行安全，给分布式电源的利用造成了很大的阻碍。为了解决分布式电源接入对大电网所造成的一系列影响，充分发掘利用分布式电源，微电网应运而生[2-3]。

3 直流微电网的概念和特点

微电网是指由分布式电源、负荷、储能和能量转换装置等组成的小型发配电系统, 它既可以孤立运行,也可以与外部其他电网并网运行，降低了因分布式电源间歇性的特点而造成对大电网产生的冲击和对配电网的威胁，并能够实现微电网的自我管理、控制和保护，提高了供电可靠性和电能质量。根据电网母线上电流的性质，微电网可分为直流微电网、交流微电网和交直流混合微电网三种形式[4]。

由于微电网内风机、光伏、储能装置等所产生的电能大部分为直流电或非工频交流电，且目前日常生活中如LED照明、手机、电脑等电器设备都是通过相应的适配器将交流市电变成直流电后再驱动负载的。因此若要将直流负载或分布式发电单元接入交流微电网，则需要通过相应的多级能量转换装置进行交直流和能量等级的转换。若将直流负载或分布式发电单元接入合适电压等级的直流微电网，则省去部分交直流能量变换环节和装置，结构、损耗和成本相应的也将随之减少[5]。

相比交流微电网，直流微电网由于不需要对电网电压的相位和频率进行控制，只是对母线电压进行分析和控制，使得直流微电网能量结构简单、变换环节少、线路损耗低、体积小、系统效率高且电磁辐射小，也使微电网的可控性和可靠性大幅提高，从而使直流微电网在分布式电源的协调控制、能量管理、经济和环保等方面具有显著优势，也更加有利于分布式电源与直流负载的接入[6]。因此，直流微电网作为交流大电网的支持和补充，应用范围在不断扩宽，可以有效地解决现有配电网和分布式电源发展过程中存在的一些问题，既保证大电网安全、可靠、稳定、经济运行，也对可再生新能源的广泛应用具有重要的意义。甘肃可再生新能源不仅十分丰富而且分布区域广阔，这也使得在甘肃省范围内非常适合基于分布式能源的微电网的建设、应用和发展。

在直流微电网研究和应用过程中，由于分布式电源种类和特性的多样性，分布式电源具有明显的差异性和不确定性，各类负荷的变化也有一定的随机性，同时电力电子装置系统惯量小、易受到扰动，严重影响了系统的稳定性。因此，直流微电网目前的研究重点和难点成为在直流微电网系统运行中怎样才能维持母线电压的稳定，以保证直流微电网系统功率的平衡。而风、光等分布式能源容易受到环境影响，使直流微电网的输出功率不稳定，从而降低系统性能和电能质量。同时，系统负荷的变化剧烈且电力电子装置惯性系数小等问题也严重影响着微电网系统的稳定性。

4 直流微电网群的概念及特点

微网群作为分布式发电系统研究和应用过程中出现的一个全新概念，立足于微电网，将地理位置上毗邻的微电网(子微网)、分布式发电系统互连构成一个微电网群集系统(简称微网群)[7]。通过子微网之间的能量协调控制、调度、相互支撑和互济，来增强彼此间的供电可靠性。微网群在更高层次上实现了微电网群内子微网、分布式电源和负荷等的协调控制、能源调度和稳定运行。

目前，微网群的研究在国内外都还仅处于起步阶段。在More Microgrids 项目中，提出了微网群概念的雏形，该项目将地理位置上临近的低压微电网、分布式电源、储能及负荷连接到中压网络中构成一个微网群，该微网群作为一个独立的可调度单元，与上级电网有一个公共连接点，使得该微网群既可以孤岛运行也可以并网运行。美国、加拿大、印度等国的学者将微网群与智能电网的概念相联系，提出了多微网控制系统(MMCS)的概念，并指出利用MMCS 控制策略，可以实现分布式电源的“即插即用”[8]。丹麦、希腊等国也已开始从多方面研究微电网群。在我国，四川大学、重庆大学、清华大学等国内知名大学也从失效节点对负载的可靠性、分层协调控制策略、群母线储能能量等不同方向和角度开展了微电网群的研究[9]。总体而言，目前对直流微电网群作为一个新的研究领域，微电网群的概念和特征还没有明确的定义，群网络结构、组网方式、接入标准、控制策略、能量互济和电能质量监测等诸多方面还需开展大量深入的研究和实验验证。

5 结语

本文主要根据甘肃地区分布式能源利用的现状和发展情况探讨了分布式电源、直流微电网和直流微电网群的概念、特点、研究进展和发展趋势。随着微电网和微电网群的发展、直流供电系统的开发、国家政策的支持，甘肃作为中国具有最丰富分布式能源的区域之一，在分布式发电和供配电方面必将随着技术的不断进步、基础设施的不断完善和运行模式的创新而得到瞩目的成绩。