新能源微電網耦合小型核電源方案設計及穩定性研究

摘" 要：新能源微電網是解決偏遠地區電力供給的重要途經，但其存在著波動大、受氣候影響顯著等缺點。當前關于新能源微電網穩定性研究主要集中在電能質量識別、新能源出力和預測等方面，難以從本質上提升電網質量。該文創新性地提出將小型核電源耦合進新能源微電網，從而實現穩定輸出的目的。該文梳理耦合小型核電源的新能源微電網規劃方法，并以某3 MW用電場景為例給出微電網配置實例，同時通過建立風力、光伏、核電源及儲能等關鍵模型，開展耦合小型核電源的微電網穩定性仿真分析工作。

關鍵詞：新能源微電網；小型核電源；規劃；仿真；穩定性

中圖分類號：TM715" " " 文獻標志碼：A" " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0141-05

Abstract： New energy microgrids are an important way to solve the problem of power supply in remote areas， but they have shortcomings such as large fluctuations and significant climate impact. Current research on the stability of new energy microgrids mainly focuses on power quality identification， new energy output and prediction， etc.， making it difficult to essentially improve the quality of the power grid. This paper innovatively proposes to couple a small nuclear power supply into a new energy microgrid to achieve the goal of stable output. This paper combs the planning method of a new energy microgrid coupled with small nuclear power sources， and gives a microgrid configuration example taking a 3 MW power consumption scenario as an example. At the same time， by establishing key models such as wind power， photovoltaic， nuclear power and energy storage， the stability simulation and analysis of a microgrid coupled with small nuclear power sources are carried out.

Keywords： new energy microgrid; small nuclear power supply; planning; simulation; stability

新能源微電網具有建設成本低、能源清潔、配置靈活的特點，是解決偏遠地區、孤立海島等場景下電力供給的重要途經，當前世界各國都在大力發展新能源微電網技術和產業。新能源微電網同時存在著出力特性不穩定、受氣候和環境影響顯著等缺點，給用電負荷的安全可靠運行帶來極大挑戰，成為新能源微電網大規模應用急需解決的重要問題之一[1]。本文創新性地提出了將新能源微電網和小型核電源耦合運行方案，通過小型核電源的加入，實現微電網電力穩定輸出，充分利用風力、光伏、核能等清潔能源，有效解決偏遠地區用電可達性以及一些關鍵負荷的用電可靠性問題。本文還通過建立風力、光伏、核能及儲能裝置出力模型，仿真模擬了耦合小型核電源的微電網供電穩定性和可靠性。

1" 微電網方案研究現狀

基于微電網的能量來源特征，微電網具有輸出不穩定、抗擾動能力弱等特征，因此，當前各國在微電網方案設計方面主要集中在微電網規劃、能源質量研究、出力和負荷功率預測等方面。

1.1" 微電網規劃設計

根據目標場景下的特定負荷需求和日照、風速、溫度等氣候環境條件，結合用戶特定需求，首先確定規劃設計目標，并簡化表達為目標函數形式。基于目標函數確定的基本規劃方向開展微電網規劃配置研究，最終確定微電網架構，包括能源配比、容量規模等。規劃配置過程中要盡可能考慮各種新能源資源的利用效率、電網穩定性、應用經濟性等因素。微電網規劃設計工作主要包括：①對目標場景需求和能源資源條件開展分析；②開展微電網規劃設計建模；③基于約束條件和目標函數求解微電網規劃設計問題[2-4]。

1.2" 能源質量研究

光伏、風力以及核能等多種能源資源的特性各不相同，隨著大規模的新能源、負載和各種元器件接入電網，將會對微電網的電力質量產生沖擊，造成電壓、頻率、脈沖和振蕩等各種波動，從而影響整個電力系統的正常運行。目前國內外大量研究集中在新能源電網質量研究研究和控制方面[5-6]。

1.3" 出力和負荷功率預測

光伏發電出力與日照強度直接相關，具有極強的間歇性、波動性和隨機性，同時光伏發電在新能源微電網中相對比例較高，對電網質量有顯著影響。因此準確預測光伏發電功率對電網調節控制和穩定運行具有重要意義。光伏發電功率預測主要有2種方法[7]：①直接預測，即基于日照和氣象信息的周期特性，通過電網內的光伏系統歷史輸出功率及既往氣象信息對光伏系統輸出功率直接預測；②間接預測，即根據當前當地的實際日照和氣象條件，結合光伏系統實際配置和出力模型開展功率預測。

風力發電系統功率的預估與光伏系統較為類似，其中直接法主要通過當地氣候和風力發電輸出歷史數據，直接預估當前時段下的出力特性，這種方法預估精度較低，但方法簡便，效率較高。間接法主要通過當地地形、氣象信息、氣象站數據等通過實際模型進行預估，這種方法精度高，但模型復雜，效率低。

對于某特定場景下的新能源微電網，其內部負荷類型和功率相對固定，負荷功率預測主要分為短期預測和長期預測。短期預測關注微電網內部負荷的周期性變化特性，考慮到不同負荷在不同時間段、氣候、運行需求等條件下的功率需求，提前預測負荷功率，以指導微電網內部出力的調節控制。長期預測主要根據當地發展規劃、氣候特征等因素，預測負荷需求的變化情況，以指導電網內部各新能源的能源容量配置，確保能夠滿足當地長期電力需求[8]。

2" 新能源微電網耦合小型核電源總體配置方案

2.1" 規劃基本方法

風-光-核-儲獨立型微電網規劃配置的基本架構如圖1所示，主要包括基礎數據收集、場景需求分析、微電網配置規劃、方案評價和影響因素分析等階段。

在風-光-核-儲獨立型微電網規劃和設計建模之前，收集和分析與微電網規劃相關的數據，包括技術參數和經濟參數。技術參數主要包括光伏、風力、核電源、儲能等裝置的基礎出力特性，當地的氣候及資源特性等參數。經濟參數主要包括各種新能源資源的初始投資成本、長期應用成本、運行維護成本等。這些參數將作為微電網規劃配置的初始輸入。

完成基礎數據收集后，結合目標應用場景，開展用電需求分析工作，包括該場景下最大用電容量、最小用電容量、負荷功率變化周期特性等，為微電網規劃配置提供基礎依據，用于確定微電網的基本功率配置。

確定目標場景用電需求和特征后，通過目標函數、決策變量和相關約束條件等構建微電網配置規劃架構，用于確定微電網的能源配比、功率規模、運行調節方案等詳細配置。規劃目標函數對應于用戶的具體應用場景需求，包括經濟性目標、環保性目標、可靠性目標等。決策變量主要反映根據實際情況需要進行特殊考慮或加以限制的問題，包括新能源資源來源、功率配比等。約束條件主要來源于兩大部分：①與頂層規劃相關的主觀約束，包括投資成本、可靠性等因素；②與微電網內部各能源資源自身特性相關的客觀約束，如功率水平約束、調節能力約束、響應速度約束等。

完成電網配置規劃后，為確保電網運行可靠，能夠達到既定需求，需要通過建立仿真模型，開展電網穩定性、環保性、經濟性等指標評價，并根據評價結果針對微電網配置進行適當調整。

影響因素分析主要用于評估規劃方案關鍵特性相關的影響因素，為用戶后期投資、運維等活動提供參考。

2.2" 雙層規劃模型

風-光-核-儲獨立型微電網通常容量較小，總功率在兆瓦級左右，對分布式可再生能源出力和負荷需求的變化較為敏感，其規劃設計和運行調度高度耦合，需要仔細評估微電網在不同場景下的運行狀態。因此，風-光-核-儲獨立型微電網的規劃模型通常可以描述為一個雙層優化模型[9]，其中上層針對給定的目標優化系統容量配置，下層優化在給定的容量基礎上確定微電網內各分布式電源的調度方案。雙層規劃模型的結構和邏輯關系如圖2所示。

3" 新能源微電網耦合核電源的特性分析

3.1" 仿真模型

結合2.3節規劃完成的微電網架構，基于PSCAD平臺開展微電網特性仿真分析，仿真種采用的模型主要包括光伏模型、風機模型、核電源模型和儲能模型[11]。

3.1.1" 光伏發電模型

光伏發電系統的輸出功率與光照強度直接相關，光照越強則光伏發電功率越強，光伏發電系統的輸出特性為

3.2" 微電網穩定性仿真分析

3.2.1" 負荷波動影響

在t=15 s時將負荷進行±30%的波動，即±0.9 MW的負荷投切。此時，相關波形如圖3、圖4所示。

結合圖3、圖4可以看出，當系統切除30%的負荷，系統的各負荷節點電壓最大由1.01 pu波動至1.03 pu，頻率最大由49.95 Hz波動至50.46 Hz。而當增加30%負荷時，系統的各負荷節點電壓最大由1.01 pu波動至0.98 pu，頻率最大由49.95 Hz波動至49.54 Hz。

3.2.2" 核電源故障退出

當核電源出現故障退出，10 kV系統可視作獨立運行的子系統，由區域內的儲能及風能、光伏等新能源進行本地負荷功率的消納。在t=30 s時將核電源切除。此時，相關波形如圖5所示。

結合圖5可以看出，當核電源遇故障退出時，微電網各負荷節點最大電壓波動由1.01 pu跌落至0.91 pu，變化幅度為10%，最大頻率波動由49.92 Hz階躍至50.41 Hz，變化幅度0.49 Hz。同時，儲能的主動支撐的響應時間不會大于0.2 s。

4" 結論

本文分析了當前新能源微電網方案設計現狀，給出了國內外研究重點方向。本文梳理了耦合小型核電源的新能源微電網基本規劃配置方法，基于某3 MW用電場景，結合以上規劃設計方法開展微電網配置方案設計，給出了光伏、風力、核電源和儲能系統的基本配置方案。通過建立光伏、風機、核電源和儲能裝置仿真模型，開展耦合小型核電源的微電網穩定性仿真分析，分析結果顯示在±30%的負荷波動和核電源因故障而退出供電的極端情況下，電壓最大波動幅度為10%，頻率最大波動0.51 Hz。通過耦合核電源的微電網方案設計和仿真分析表明，新能源微電網耦合小型核電源后整體保持穩定，不會因波動而導致供電中斷。

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