終端用戶微電網組網結構分析

湖北省電力公司電力試驗研究院 ■ 雷 鳴 丁 凱 夏勇軍

一 引言

隨著全球能源形勢日益緊張，風能、太陽能、潮汐發電、生物質發電等各類新能源正在逐步取代傳統能源。其中，太陽能和風能可方便地融入小型房屋建筑結構，構成小規模發電系統，利用各種空間，就地發電，就近使用[1]。隨著相關設備的價格水平持續下降，太陽能和風光互補將逐漸成為終端用戶中使用最廣泛的分布式發電形式[2]。

然而，太陽能發電和風光互補發電具有不穩定、不可預測的特點，將其直接并入配電網將會帶來諸如諧波、電壓突變、孤島效應[3]等不利影響，因此，通常將小規模分布式電源與用戶負荷、儲能設備等組成微電網(micro grid)[4]，并與配電網(distribution grid)保留連接點，既可減小對配電網的影響，也可擴大微電網的范圍，使之通過配電網與其他的微電網相連接，增強分布式能源的利用效能。

對于電力終端用戶而言，根據其負荷特征和使用條件的不同，最合適的組網方式也有所不同。本文在研究符合終端用戶特點的基礎上，總結歸納了幾種組網方式，對其應用場合及優缺點加以分析，并在其基礎上提出一種基于負荷分類的分級微電網組網方式，為用戶側的微電網搭建及運行提供參考。

二 微電網概念與組成

根據文獻[5]，微電網可定義為“一個由負載和微型電源組成的獨立可控的系統”。如圖1所示，節點A、B組成了一個簡單的微電網，其中節點A上有負載L1和電源G1，節點B上有負載L2和電源G2，且節點B安裝有儲能裝置Ce，并且該微電網通過斷路器與配電網相連接。

根據定義可知，構成微電網的主要元素為負載、分布式電源、各類儲能設備、控制設備及電力電子設備。其中：負載為可分為兩類，一類為對電能質量要求不高的負荷，如照明、電采暖、配有儲能設備的電子產品等，另一類是對電能質量有一定要求的負荷，如制冷設備、旋轉機械等；分布式電源主要包括光伏發電系統或風光互補發電系統，其負荷出力隨著氣候情況的不同也有較大的隨機性；儲能設備主要包括電池儲能、飛輪儲能、超導儲能、抽水儲能等[6,7]，受限于成本和維護量等因素，儲能設備只能作為增加電網系統慣性而進行短時存儲[8]；控制設備包括實現微電網負荷平衡、電壓及頻率穩定，改善電能質量的各類控制器等；電力電子設備主要包括逆變、濾波整流及無功補償設備[9]。

三 現有微電網組網模式

微電網的應用場合不同，組網模式也有很多種，如單層微電網、雙層微電網、單點接入配電網、多點接入配電網等[10]。根據電源類型及控制目標需要，可在微電網上運行交流和直流，形成交流微電網和直流微電網[11]。上述組網模式中幾種常見微電網網絡結構如下：

1 星形單PCC微電網

星形單PCC(Point of Common Coupling，公共耦合點)微電網結構如圖2所示，所有的負載L、分布式電源點G以及儲能設備Ce與微電網直接連接，組成一個容量較大的微電網系統，微電網與市政配電網僅通過一個PCC連接[12]，并進行能量交換。當微電網滿足IEEE P1547[13]中所述關于分布式電源接入配電網時的電能質量、電氣保護以及穩態指標(包括電壓、電流、功率及同步)等要求的前提下，才允許將PCC閉合，與配電網連接。

這種組網方式具有結構簡單、組網建設投資少、運行方式簡單的特點。但這種網絡結構將所有的負載和電源連接在一起，對微電網內部的電能質量及穩定性的控制措施要求較高，當配電網發生故障時，微電網需要與其完全斷開連接。而且，供電公司通常要求與微電網的關口計量只計算送往微電網潮流的電能，因為這種情況下，供電公司為了保證電網安全，并不鼓勵這類用戶微電網與配電網連接，用戶即使返送電量到電網，也無法產生經濟效益。這種網絡結構是未來微電網的發展趨勢，當前主要用于容量小、內部控制設備響應速度快、試驗性質的應用場合。

2 回饋型微電網

回饋型微電網結構如圖3所示。這種回饋型微電網的網絡結構與星形單PCC的區別在于，用戶將其分布式電源點單獨組成一個子網，通過并網設備直接向配電網送電，用戶的所有負荷與常規方式一樣，直接與配電網連接獲取電能，即用戶微電網將配電網作為熱備用電網運行。

這種方式的優點在于，分布式電源不會受到用戶負荷的影響，通過一定的并網控制處理，更容易滿足IEEE P1547的要求，因此用戶的分布式能源產生的電量可供給電網并進行電能計量，為用戶產生經濟效益。而且，這種組網方式下，分布式電源的母線更便于使用直流母線。在使用直流母線的情況下，可避免交流母線所特有的同步問題。

但這種網絡結構要求當配電網發生故障時，分布式發電設備即使能夠工作也因為要滿足IEEE P1547的要求而被迫與配電網斷開連接。這種網絡結構主要用于負荷對于電能質量要求較高，分布式發電設備易于集中管理的場合，如中小型生產企業等。

3 負荷分類星形微電網

負荷分類的星形網絡結構如圖4所示，用戶需將其負荷按照對電能質量的要求不同分為常規負荷Lr和兼容性負荷Lc，其中Lr對電源的電能質量和穩定性要求較高，如制冷設備、旋轉機械等，這些負荷與配電網連接，以獲得更好的電能質量和可靠性；而對電能質量要求不高的Lc，如電子產品的充電設備、電加熱設備等，這些負荷與微電網母線連接，連同分布式電源G和儲能設備Ce構成微電網。

當微電網內部滿足獨立運行條件時，微電網斷開與配電網的連接獨立運行，使用微電網內部控制措施以及儲能設備對微電網進行調節，避免對配電網產生影響的可能；當微電網的功率不足以驅動所有兼容性負荷Lc時，微電網與配電網連接獲取足夠的功率，若PCC處無法滿足IEEE P1547的要求，則要求微電網內所有的分布式電源G停止工作，微電網與配電網連接，全部由配電網供電。

這種網絡結構需要基于用戶對其用電負荷進行分類，供電公司和設備商可參照IEC 61000電磁兼容系列標準[14]，對用電器進行電能質量分級以指導分類過程。此類網絡結構比較復雜，組網建設投資略大，且當分布式電源無法滿足負荷需求時，需使分布式電源停止工作，造成電能的浪費，此類型的組網方式主要針對便于統一管理的家庭用戶。

4 基于負荷分類的分級微電網結構

分級微電網的網絡結構如圖5所示，該結構對微電網進行了分級處理，用戶可以家庭為單位，將兼容性負荷Lc、分布式電源G等設備組成用戶級微電網，并分別與上一級的社區級微電網和配電網連接。儲能設備Ce可根據需求，配置于各級微電網中，在方便接入配電網的地區，也可不配置儲能設備，利用配電網作為后備電源。

這種微電網組網的結構較為復雜，所提供的運行方式也較多，可分為以下幾類：

(1)當用戶微電網內部的分布式電源G出力和兼容性負載Lc達到平衡時，用戶可選擇將家庭微電網與社區級微電網斷開，使其獨立運行，此時，用戶級微電網可與配電網相連接，將配電網作為備用電源使用。這種運行方式避免對其他用戶及社區級微電網產生影響。

(2)當用戶微電網內部的電源出力和負載不平衡時，用戶也可選擇將用戶微電網連接到社區級微電網組網運行，從而與其他聯網運行的用戶形成一個范圍和容量較大的網絡，可使各用戶生產的分布式電能盡可能就地得到利用。

(3)當社區級微電網內部負荷無法達到平衡時，在社區級微電網中可進行切除電源G或切換負荷Lc到配電網的操作，使微電網能夠穩定運行。

(4)當微電網中負荷Lc均較小，而分布式電源G的發電出力都較大時，可將所有Lc切換至配電網，儲能設備Ce斷開連接，將所有的分布式電源通過用戶級微電網匯集到社區級微電網，通過PCC向配電網反送電能。

這種網絡結構中，分布式電源產生的電能將盡可能在微電網中消費，盡可能少的對配電網產生影響，可在配電網的安全運行的情況下，充分利用分布式能源，且用戶可根據需要決定其家庭微電網的運行方式，充分保護了用戶的權益。這種網絡的結構較為復雜，組網建設投資較多，適用于不便于統一管理的家庭用戶。

四 總結

1 各類型微電網結構特點分析比較

上述四種網絡結構具有一定的代表性，其特點及應用場合的比較見表1。根據用戶管理性質的不同，便于統一管理的應用場合，例如中小型生產企業等，多使用單層網絡結構，而以家庭為基本單位的微電網結構，因為需更多考慮終端用戶的自主權利，宜使用分級組網的結構。對于微電網與配電網的連接情況，就配電網的安全考慮，微電網內部應優先考慮分布式電能就地生產、就近消費，盡量減少對配電網的影響，返送電能到配電網的網絡建議配置成單純的分布式電源，而將負荷切開，使之更容易滿足并網條件，如回饋式微電網。

2 微電網在湖北地區應用情況

湖北省屬于內陸平原地區，大規模的太陽能和風能資源并不豐富，全省平均日照時間有限，且只在鄂西北和鄂東南的山區具備可開發的大規模風力資源。因此，光伏發電的應用主要是分布于湖北中東部的較大規模的并網項目。如：黃石黃金山工程，設計總容量為30MWp，第一期裝機容量3MWp，其建筑類型為工業建筑和民用建筑結合，主要是在建筑物的幕墻、屋頂、遮陽棚等部位，采用建筑一體化光伏構件。該項目采用并網運行方式，以電網作為儲能裝置，未配置儲能設備；武漢火車站項目，總容量約2MWp，建筑類型為大型公共建筑，在建筑屋頂和雨棚表面鋪設太陽能電池板，該項目采用用戶側并網方式，以電網作為儲能裝置，未配置儲能設備；武漢新城國際會展中心項目，總容量10MW，采用用戶側并網的形式，系統所發電能在用戶側并網，且并入展覽館內部電網。

表1 各類網絡結構的比較

上述幾個應用項目均屬于規模在兆瓦級別及以上的項目，有些已不屬于微電網的范疇，其采用的組網結構均較為單一。如黃金山項目不屬于用戶側低壓配網接入，而武漢火車站級新城國際的項目屬于用戶側接入，采用的組網結構基本屬于回饋型微電網。受價格及政策條件等因素的影響，光伏發電及風光互補等設備在湖北地區居民終端用戶中尚未全面普及。因此，基于負荷分類及多種運行方式的各類較為復雜的微電網應用尚未開始。

五 展望

目前，微電網和分布式能源的研究在中國尚處于探索階段，新能源微電網在用戶側的應用尚未普及。未來，隨著自動控制、電力電子、數字通信等相關技術的發展，新能源發展的趨勢將會朝著大眾化、網絡化、智能化、精細化的方向發展，新能源所占的比例也將逐年增大，配電網和微電網的界限將逐漸模糊，微電網的網絡結構也會如同互聯網般隨需求的不同而呈現多樣性，在微電網技術的后續研究中，并網條件的完善、內部控制機理、外部特性分析等領域的發展都將對其網絡結構的優化、能源效率的提升提供支撐。

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