含多種分布式電源的微電網系統及上海地區的應用分析

金 東 馬憲國

上海理工大學能源與動力工程學院

1 微電網的概念

微電網往往包含多種分布式電源和儲能系統，是具有自治能力的小型供能系統，不同的國家和地區依據自身發展和研究特點，給了微電網不同的定義。

美國電力可靠性技術解決方案協會（The Consortium for Reliability Technology Solutions，CERTS）在2002年提出了微電網的概念，指出微電網是一個集成了分布式電源、負荷、儲能和控制保護等一系列環節的能量供應系統，能跟隨負荷動態變化進行分布式發電調整，實現發電系統在并網和獨立運行時保持供需平衡。

歐洲微電網項目（European Commission Project:Micro-grid）認為微電網是利用多種可再生能源，可選擇使用不可控、部分可控、全可控三種類型的分布式電源，并配置儲能設備，結合電力變換設備的控制調節，實現熱、電、冷負荷供應的系統。

日本東京公司認為微電網是一種由分布式電源組成的系統，與大電網相連，由于供需之間的不平衡，微電網可選擇與大電網聯合運行或孤島運行。三菱公司認為微電網是一種包含電源、熱能設備及負荷的小型可控系統，對外表現為一整體單元并可接入大電網運行。

我國微電網的定義是：微電網包括多種分布式電源，并配置儲能系統、控制系統、能量轉換設備等模塊而成的微型發電、輸電、配電、用電系統，能實現自我控制、保護、管理的獨立自治系統，既可以與大電網并網運行，也可以孤島運行。

盡管世界各國對微電網的定義表達有所差異，但對微電網的組成、結構、功能及用途等方面的觀點基本一致。太陽能、風能等可再生能源發電具有低碳、環保的特點，已成為我國解決環境問題、局部能源短缺問題的重要途徑。太陽能、風能具有隨機性、間歇性以及能量輸出不穩定性等特點，影響發電系統的可靠性。儲能電池可以有效補充發電系統的供應波動，也可以儲存多余電能，改善發電系統的輸出特性。

2 微電網的應用定位

基于分布式電源的分布特點，結合不同地區、不同類型負荷對供電質量的要求，微電網可分為如下幾種類型：

(1)城市型微電網。城市微電網的服務對象主要是商業區、醫院、居民區、賓館、學校及辦公大樓等，以提高供電可靠性和電能質量為主要目標，采用微電網技術可滿足特定用戶的電能質量需求。同時，城市面臨巨大的環境壓力，通過發展城市微電網不僅可以提高供電的服務質量，同時也能提高可再生能源發電的利用率，有利于減輕城市日益嚴峻的環境壓力。

(2)大型企業微電網。石油化工、鋼鐵等大型能耗企業用電量較大，且對供電的可靠性、安全性有較高的要求，同時電力消耗所造成的成本較高。建設企業微電網，可通過能源的綜合利用滿足企業需求，降低能源成本，提高企業效益。這類微電網一般處于中壓配電網等級，容量較大，分布于城市的周邊。

(3)偏遠地區微電網。主要包括草原、偏遠山區、海島、沙漠地帶等對電力需求較低的偏遠地區。這類地區往往是傳統電網未能覆蓋或處于大電網供電網絡末端，供電可靠性及電能質量較差，供電能力弱且接入成本較高，建設微電網可彌補大電網集中式供電的局限性，解決這些地區的缺電和無電問題。這類微電網以獨立運行為主，依賴于本地資源，進行分布式電源發電，以解決這類地區的供電難題。

我國傳統的電網系統規模巨大，目前國家正大力推廣對可再生能源的開發利用，因此微電網在未來電力系統中將占據很大的規模比重。

3 風、光、柴、儲獨立微電網的結構

風、光、柴、儲多能源互補微電網是目前國內研究最廣泛的一種形式，這種微電網系統充分利用了當地豐富的自然資源并形成互補，有效提高可再生能源的利用率并減少柴油消耗以改善環境，具有較大的經濟效益和社會效益。

含風、光、柴、儲多能源互補微電網的常見結構(見圖1)。

圖1 含多種可再生能源的微電網結構

上圖中AC-DC總線型風、光、柴、儲微電網系統是相對比較成熟的可再生能源發電系統。該系統利用太陽能電池、風力機等發電設備，將可再生資源轉化為電能，供給負載，并將多余的電量儲存在蓄電池中。當系統輸出的電能未能滿足用戶需求時，逆變器系統將儲存在蓄電池組中的直流電轉換成交流電，利用輸電線路送達用戶負載處。蓄電池儲能的主要作用是為了盡量消除由于氣象因素而引起能量與需求間的供求不平衡。為避免系統供電的間歇性，系統配備了柴油發電機，柴油機的選擇根據當地的自然資源和負載用電情況來確定。

該獨立型微電網發電系統主要包括風力機組、太陽能光伏機組、蓄電池組、柴油發電機及控制系統、逆變器、整流器、負載等部分組成，各單元合理的容量配置是保證微電網系統可靠性和運行經濟性的關鍵。

4 應用分析

崇明島位于上海市區北部，是我國第三大島。據氣象觀測站統計，崇明地區10米高度年平均風速為4．41m/s月平均太陽輻射量可達4．11W/（m·d），風能、太陽能資源比較豐富，適合建設可再生能源分布式微電網。（見圖2和圖3）。

圖2 全年小時風速分布曲線圖

圖3 全年小時光照強度分布曲線圖

本文以崇明島某住宅小區為案例，該小區用電幾乎全部為居民生活用電，日均用電量約為2132 kWh，峰值負荷約為261kW，小區全年小時負荷曲線（見圖4）。

圖4 全年小時負荷分布曲線

表1列出了不同類型和容量的電源配置組合的計算結果。可以看出，根據當地的自然資源條件，利用風、光、柴、儲的組合方式發展微電網是合適的。如以投資成本最低設計的配置組合，可再生能源的發電比例達到86%，柴油發電機運行時間為2686h，相比于柴油發電機單獨供電，運行時間減少了69%，可大大減少燃油的消耗量，以及燃油燃燒所帶來的環境污染。

表1 不同配置下的計算結果

需要考慮的是，風力機組10臺，光伏機組180kW，柴油發電機組300kW，蓄能單元400塊（2V/1500Ah），逆變器150kW，這樣的配置下，總凈現值成本（NPC）在所有的組合中是最低的，但這并不一定是最合理的選擇，需要視實際情況而定。比如，有的用戶在對供電可靠性要求并不是很高的情況下，適度調整全年缺電率的約束，可有效降低運行成本；而有的系統配置總凈現值成本略大，但在此種配置下，可有效避免蓄電池的頻繁充放電，使蓄電池的使用壽命延長；或者可以有效地減少柴油發電機的運行時間，具有一定的環境效益。

同時，微電網系統配置的選擇不僅由系統總凈現值成本決定，也要根據實際情況，優先考慮特殊因素，并結合其它條件，如光伏電池的實際建設面積，儲電池維護與保養等多方面因素進行綜合考量來進行選擇。

選取總凈現值成本最小的配置（180kW光伏機組，300kW風力機組、300kW柴油發電機組、400塊蓄電池）進行分析，柴油機只在少數時間段運行，全年工作時間2686小時，發電量占總發電量的14%。整個微電網系統大部分由風力發電機和光伏電池進行發電。當太陽能、風能發電嚴重不足和蓄電池放電也未能滿足需求時，柴油機啟動發電，從而保證居民用電安全可靠。

該配置下每月平均發電量和發電明細如圖5和表2所示，該微電網系統風力發電量占比為66%，為主要電源；光伏發電占比20%，為輔助電源，柴油發電機占比14%，作為備用電源。可再生能源發電比例達到86%。

圖5 每月平均發電量

表2 各機組發電量明細

參考文獻：

金東，含多種分布式電源的微電網系統優化及運行研究[D]．上海：上海理工大學碩士學位論文，2017．