微電網不同負荷特性下電源規劃淺析

魏燕

（中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，西安 710075）

分布式發電、多種形式的新能源發電，具有能源利用效率高、安裝地點靈活等特點。隨著分布式新能源電源和分布式電源數量的不斷增多，微電網成為解決分布式新能源發電增量的有效手段。

微電網是由分布式電源、用電負荷、配電設施、監控和保護裝置等組成的小型發配用電系統。從負荷側來看，微電網可以是一個自治的電力系統；從大電網側來看，微電網和大電網中的發電廠或負荷一樣是一個獨立的整體。典型的單電壓等級微電網結構見圖1。

圖 1 典型的微電網結構

1 微電網的主要電源形式及特征

微電網中常用的分布式電源按照其出力特性可以分為2類：（1）具有可調控出力特性的燃料電源，如柴油發電機、內燃機、微型燃氣輪機、燃料電池等；（2）具有間歇性出力特性的新能源電源，如風力發電、光伏發電等。儲能電池在微電網中也按一種電源形式進行設計。

1.1 燃料電源特性

燃料電源類電源的主要特性包括最大、最小電能輸出，燃料輸出成本等。以柴油發電機為例：

燃料電源的燃料消耗成本可以表示為輸出功率的二次函數：

1.2 新能源電源特性

1.2.1 光伏電源特性

光伏發電系統的輸出功率由輻照強度和環境溫度共同決定。

光伏發電輸出功率可按式（2）計算：

其中，輻照強度It可以根據HDKR模型計算得到：

式中 Ibt、Idt、Irt是 It的 3個分量，分別對應輻照強度的直接分量、天空散射分量與地面反射分量，kW/m2；Ib、Id分別為t時段的直接輻照量與天空散射輻照量，kW/m2；A=Ib/I0，I0為t時段的地外水平輻照量，kW/m2；RB為斜面束輻照與水平面束輻照之比；β為電池板的安裝傾角；，I為t時段的當地總輻照量，kW/m2；kt為t時段的天空晴朗指數，可以根據歷史數據或通過隨機分解法模擬得到；ρ為地面反射系數，一般取0.2。

1.2.2 風力發電特性

風機的輸出功率由其輪轂高度的實際風速和功率轉化特性共同決定。若有月平均風速，可結合相關統計學參數(Weibull形狀因子、自相關因子、晝夜模式強度和峰值風速時間)擬合生成全年詳細風速數據。

風電功率轉化特性曲線的典型數學表達式如下：

式中Pwt(vt)為風速vt對應的風機出力；為風機額定出力，kW；vci、vco與vr分別為風機的切入風速、切出風速與額定風速，m/s。

1.3 儲能裝置特性

根據凈負荷正負情況不同，儲能裝置存在充電、放電和閑置3種狀態：

經過放電過程，儲能裝置的荷電狀態（剩余儲能容量占額定儲能容量的百分比）將發生相應變化：

式中SOCt為t時刻的荷電狀態；為 t時刻的儲能容量；ηdis為儲能裝置的放電效率；σ為儲能裝置的自放電率。

充電后儲能裝置的荷電狀態變化情況如下：

式中ηch為儲能裝置的放電效率。

為了減緩儲能裝置的容量損耗，延長其循環壽命，需要對儲能裝置的充電上限及放電深度加以限制：

式中DODmax為儲能裝置的最大放電深度；SOCmax為儲能裝置的儲能容量上限。

2 電力電量平衡計算

2.1 微電網電量平衡計算

由于風電和光伏電源出力具有較強的間歇性，很難與用電負荷完全匹配。為了維持微電網在長期運行中的自治能力，需要啟動可調度分布式電源與儲能裝置進行調節，以削減不平衡功率。為了實現功率調節采用兩種典型的微電網運行策略：

為了充分發揮儲能裝置的削峰填谷作用，應結合負荷特性分析采用分時充放電運行策略。

（2）分時充放電策略：儲能裝置在日負荷的峰平谷時段遵循不同的充放電策略。在峰時段，按照負荷跟隨策略削減凈負荷；在平時段或谷時段，若新能源電源出力不足，優先啟動燃料電源向用戶供電。當燃料電源發電容量充足時，在滿足用電需求之余提高出力向儲能裝置充電；當燃料電源發電容量不足時，通過儲能裝置放電填補功率缺額。

2.2 電量平衡約束條件

對微電網運行考慮以下7個約束條件來進行電力電量平衡分析：

（1）電力平衡約束

各時段系統發電量與PCC點交換電量之和應與用電負荷相匹配。

（2）備用容量約束

當微電網處于并網運行狀態，備用容量由可調度燃料電源和上級電網共同提供；當微電網處于孤島運行狀態，備用容量僅由可調度燃料電源提供。

（3）新能源發電約束

各時段的風電、光伏的發電量受到實際的裝機容量及實時風光資源情況約束。風電或光伏在某一時段的最大可用容量，可通過1.2節中計算公式進行計算。

（4）燃料電源發電約束

燃料電源作為可調度發電資源，能夠在新能源發電出現間歇性不足時為微電網提供功率支持。由于小型燃料電源具有響應速度快、啟停成本低等優點，在此做簡化處理，不考慮啟停約束、爬坡約束等約束條件，僅對其輸出功率上下限加以限制。

（5）能量型儲能裝置運行約束

通過簡化處理能量型儲能裝置的通用模型，僅考慮充放電功率約束、儲能荷電狀態與充放電功率的時序耦合約束、分時段荷電狀態約束約束及儲能初始荷電狀態約束。

（6）微電網購售電約束

當微電網出現供電不足時，作為負荷以售電電價從上級電網購電；當微電網發電量過剩時，作為電源以新能源上網電價向上級電網售電。為了確保微電網的自治運行能力，還須對微電網的年購、售電量加以約束。

（7）可中斷負荷約束

當系統發電容量不足時，將優先切除可中斷負荷，保證微電網中重要用戶持續供電。

3 算例分析

根據燃料電源，新能源電源，儲能裝置的特性分析，結合微電網電量平衡策略及其約束條件，以某一區域負荷為例，在不同邊界條件下計算電源規劃，算例如下。

3.1 計算條件

以某供電區域為例，該區域最大負荷10MW，其中一般工業負荷6MW，酒店類負荷4MW。兩種負荷類型按相應容量擬合出全年負荷曲線得出本區域全年綜合負荷曲線見圖2，該地區的風速及光照曲線數據見圖 3，圖 47。

圖2 某區域全年負荷曲線

圖3 某區域全年風速曲線

圖4 某區域全年光照曲線

項目約束條件設定新能源滲透率為50%，其中年購入、出售電量比例上限均為50%。設定值見下表：

表1 微電網約束控制條件

3.2 計算結果及分析

設定允許與電網交換功率值上限及新能源設備的年利用小時數，則得出電源規劃結果如下表：

表2 電源規劃結果

對表2數據分析可知，第1，2種工況，增加允許電網輸入的最大功率可以減少燃料電源的容量配置，在滿足新能源消納的基礎上能夠降低燃料電源的部分投資；第 4種工況為孤島方式，不允許棄風棄電，需增加一定燃料電源的容量，以保證負荷的平衡；第 6，8種工況只允許向電網輸出功率，電源的規劃容量均大于其他條件下的規劃容量。

4 結語

從算例及其結果分析匯總可以看出，保證微電網與大電網的一定的聯系，在電價合理的條件下有利于降低微電網的初期投資。因此在進行微電網設計及內部電源規劃時，應充分考慮各種電源特性的合理配置，與大電網協調一致，取得技術經濟最為合理的微電網配置方案。