新能源小型微电网的供电模式研究

李娟 鄂德军

摘 要： 文章结合微网研究和应用现状，介绍三种微网的典型网架，分析每种典型微网结构的特点及其应用条件，提出部分地区微电网供电模式的推荐配置。

关键词： 微电网;网架结构;供电模式

【中图分类号】TP727 【文献标识码】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.40.141

1 引言

随着能源需求不断增加，分布式电源的研究和应用得到了快速的发展。但分布式电源在解决能源和电力系统应用的同时也带来了诸多技术问题。电力可靠性技术协会（CERTS）提出微网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，可用来协调大电网与分布式电源间的矛盾。微网结构体现了微电网的基本特征，它包含分布式电源和负荷的类型、微网并网接口形式等重要信息，设计合理的微网结构提高了微网接入中低压配电网的灵活性与可靠性。由此可见，微网结构的研究对微网发展和应用有实际意义。

2 微电网结构分析

微网的分类标准有很多，根据交、直流微网网架结构以及供电特点的不同，将微网分为直流微网、交流微网和交直流混合微网。

2.1 交流微网结构及特性

交流微网是微网的主要形式。交流微网的网架基本结构相似，大多采用辐射状网架，DG、储能装置等均通过电力电子装置连接至交流母线，通过PCC（电力系统中一个以上用户负荷连接处）处开关的控制，可实现微网并网运行与孤岛运行模式的转换。交流网架结构与微电源容量及负荷对电能质量要求也密切相关，通常可以根据容量大小将交流微网系统分为三类：系统级微网、工商业区级微网以及偏远乡村级微网。

（1）系统级微网

系统级微网结构由母线和多条馈线呈辐射状组成，每条馈线可分层接入大量分布式电源和就地负荷，网架可以经多个PCC接入电网。适合分布式能源种类较为丰富、负荷相对分散的地区，利用不同种类分布式能源间的相互补充，电源与负荷相互协调来提高微网的稳定性与可靠性。

（2）工商业区级微网

工商业区级微网结构有高度的冗余性，可以保证接入网架的重要负荷和敏感负荷有多个回路、不同类型的电源提供电能。这种网架形式通常用在医院、学校、大型商业中心以及数字通信大楼等一类负荷区。

（3）偏远乡村级微网

偏远乡村级微网通常运行在孤岛状态，网架结构为简单的串并联形式。适用于偏远山区、海岛等地区供电。

2.2 直流微网结构及特性

在交流微网中，分布式电源的同步并网，变压器、电动机的励磁涌流，三相不对称，控制复杂等问题的存在与用户希望微网能够提供高效、可靠、高电能质量供电服务的要求存在矛盾。随着微网直流发电系统规模的不断扩大以及负荷类型逐渐多样化，直流微网以其在这些方面的独特优势获得了较大的发展。直流微网按用户对电能质量多样性需求分为多环状直流微网和辐射状直流微网。

（1）多环直流微网

多环直流微网网架采用环状结构，形成多回路供电系统，满足用户对电能质量的不同需求。适合大范围综合性大楼、数据中心、工厂密集区等对电能质量要求不同的用户。

（2）辐射直流微网

辐射直流微网结构一般为串并联结构，由联络馈线和直流母线连接电源和负荷。可用在对供电可靠性要求不高，但对电能质量要求较高的地区。

2.3 交直流混合微网结构及特性

混合微网的提出是为了避免DG和负荷接入交流微网或直流微网时需要多次进行换流所带来的诸多问题。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負荷供电，因此可称为交直流混合微网。

混合微网与交、直流微网相比具有更高的灵活性和效率，适用于直流电源（负荷）和交流电源（负荷）比例相当，同时对供电可靠性及电能质量要求较高的地区。

3 微网结构构建方法研究

微电网具有节约能源，提高电能质量、供电可靠性，优化电网性能，降低发电成本等优点，微网网架构建的基本原则是保证微网内能量守恒，一方面正常运行时DG容量与配电网提供的电能之和同微网负荷容量匹配，另一方面微网计划孤岛运行时，DG容量能够为重要负荷提供充足电能，在偏远乡村级微网中还需额外提供备用容量。在满足基本原则的前提下，综合考虑地理位置、DG特性、负荷特性等诸多因素对微网结构的影响。微网结构的优劣直接决定了微网性能的发挥，网架设计除了参考众多要素外还需要合理的流程，微网网架构建的步骤如下：

①明确微网结构设计的基本原则和要素，收集、分析影响微网网架的因素;

②综合考虑地理特点，DG、负荷特性以及技术能力，在兼顾投资的情况下合理选择微网结构类型;

③根据所选择的微网结构类型、DG类型和数量、负荷位置分布，以网损为约束条件，合理选择微网电压等级;

④由所选的微网结构类型和电压等级，考虑负荷对电能质量及供电可靠性要求以及运行方式，确定网架的基本连接方式;

⑤根据DG发电特性及负荷对电能要求，确定微网中需要分布的单元微网系统数目、结构及接入微网位置;

⑥以单元微网系统为基础，考虑孤岛运行及微网中一类负荷位置，设计计划孤岛网架结构;

⑦将小型微网网架、计划孤岛网架按照基本连接方式组成局部网架，同时考虑微网中的其他DG、二类负荷、三类负荷的地理位置、特性，严格遵守能量守恒原则将其接入局部网架;

⑧由微网的运行方式，确定局部网架接入配电网PCC的位置及数目，形成组合微网的基本架构;

⑨考虑微网负荷增长速度及运行维护要求，在基本网架中预留DG接口，构成较完善的微网网架结构。

4 大电网未覆盖地区微电网的配置方法研究

在进行大电网未覆盖地区微电网规划时，应充分考虑不同区域、能源结构和用户需求，合理规划微电网，确定出符合当地经济发展的微电网供电模式。

4.1 负荷的分类

大电网未覆盖地区的用电负荷大致可分成三类，即工业负荷、农业负荷和居民负荷。工业负荷包括传统工业和加工业，该类负荷普遍对可靠性要求较高，可自备柴油机等备用电源。一些军用设施，对可靠性要求较高，也纳入此类负荷。农业负荷一般可分为种植农业和养殖农业两大类，用电设备主要包括灌溉水泵、循环水泵、消毒设备等。居民用电设备主要有各类家用电器、照明灯，在夜间有明显的用电高峰，该类负荷对用电可靠性要求相对较低。

4.2 独立微电网结构分析

大电网未覆盖地区主要采用低压交流微电网结构形式。根据微电源情况划分，微电网典型供电模式可分为独立微源类和多能互补类微电网两大类。

1）独立微源类微电网

独立微源类微电网是指仅以一种分布式电源为主供电适当配置储能设备的微电网。主要包括以风力发电、光伏发电、小水电、燃气轮机、生物质或其他分布式电源为主的电网。

2）多能互补类微电网

多能互补类微电网是指采用多种可再生能源互补发电的微电网。主要包括风光储互补、风光柴储互补、风光水互补等形式。

4.3 微电网规划基本原则

微电网应结合当地电源和负荷特性，充分利用自然资源，分布式发电就地消纳，容量配置和设备选型，适当考虑当地经济负荷发展情况，应结构简单、安全可靠、实现实用化组网目标。

4.4 微电网供电模式配置方法分析

大电网未覆盖地区微电网供电模式的优化配置主要考虑交直流供电形式、离并网类型、微电源接入形式、微电源类型4个方面。

1）交直流供电形式选择

由于大电网未覆盖地区普遍以低压交流负荷为主，故适宜采用交流低压微电网供电形式，少量直流负荷可以通过逆变接入低压网。对于个别直流负荷占比较大的地区，可考虑采用直流微电网供电形式。

2）离并网类型选择

离并网类型的选择主要考虑其技术经济性方面的因素。其优点在于可以大电网为备用电源，且改造难度小，建设成本降低。因地理、历史等原因，部分地区未与外部大电网相连。传统的柴油机供电模式不能很好地保证当地居民和工农业负荷的供电质量和可靠性要求，但输电走廊建设可能存在施工难度大、造价高等问题。该类地区（经技术经济性评估后）适宜构建离网型的微电网。

3）微电源接入形式选择

对于用户分散居住的地区、具有多个分布式电源的地区，以及一些因供电半径过长导致电压偏低的地区，适宜利用分布式资源构建微电网。对于可再生能源较为集中、负荷相对较大的地区，还可以采用集中电站形式的微电网。

4）微电源类型选择

微电源类型的选择主要从最大程度利用当地自然资源角度考虑，并兼顾技术经济性。并网型结构中，对于农村工业和农业负荷用户，可考虑构建基于屋顶光伏系统的微电网，可以利用小型风机和生物质能作为主要的分布式电源。对于可靠性要求极高的用户，可考虑采用柴油机或储能设备的用户，可以建立微型燃气轮机冷热电联供系统。

离网型微电网需要考虑采用柴油机、微型燃氣轮机、小水电、生物质能发电或储能等设备以稳定出力和调节频率。对于具有重要负荷的地区，建议采用风光柴储、风光水储等多能互补的微电网形式，海岛地区还可以考虑风光储加各类海流能互补微电网形式。对于水利资源丰富的地区，可以考虑构建以小水电为主的微电网形式。

5 结论

通过对微网典型网架结构的特点、适用范围分析，总结出微网网架构建的基本原则和要素，并对每种要素对网架设计的具体影响进行了分析，提出了微网网架构建的流程。然后对大电网未覆盖地区微电网的配置方法进行研究，提出部分地区微电网供电模式的推荐配置。

参考文献

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[2] 朱珊珊，汪飞，郭慧，王奇丰，高艳霞.直流微电网下垂控制技术研究综述[J].