終端用戶微電網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(fēng)能、太陽能、潮汐發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等各類新能源正在逐步取代傳統(tǒng)能源。其中，太陽能和風(fēng)能可方便地融入小型房屋建筑結(jié)構(gòu)，構(gòu)成小規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)，利用各種空間，就地發(fā)電，就近使用[1]。隨著相關(guān)設(shè)備的價格水平持續(xù)下降，太陽能和風(fēng)光互補將逐漸成為終端用戶中使用最廣泛的分布式發(fā)電形式[2]。

然而，太陽能發(fā)電和風(fēng)光互補發(fā)電具有不穩(wěn)定、不可預(yù)測的特點，將其直接并入配電網(wǎng)將會帶來諸如諧波、電壓突變、孤島效應(yīng)[3]等不利影響，因此，通常將小規(guī)模分布式電源與用戶負荷、儲能設(shè)備等組成微電網(wǎng)(micro grid)[4]，并與配電網(wǎng)(distribution grid)保留連接點，既可減小對配電網(wǎng)的影響，也可擴大微電網(wǎng)的范圍，使之通過配電網(wǎng)與其他的微電網(wǎng)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(jù)其負荷特征和使用條件的不同，最合適的組網(wǎng)方式也有所不同。本文在研究符合終端用戶特點的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了幾種組網(wǎng)方式，對其應(yīng)用場合及優(yōu)缺點加以分析，并在其基礎(chǔ)上提出一種基于負荷分類的分級微電網(wǎng)組網(wǎng)方式，為用戶側(cè)的微電網(wǎng)搭建及運行提供參考。

二 微電網(wǎng)概念與組成

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

根據(jù)定義可知，構(gòu)成微電網(wǎng)的主要元素為負載、分布式電源、各類儲能設(shè)備、控制設(shè)備及電力電子設(shè)備。其中：負載為可分為兩類，一類為對電能質(zhì)量要求不高的負荷，如照明、電采暖、配有儲能設(shè)備的電子產(chǎn)品等，另一類是對電能質(zhì)量有一定要求的負荷，如制冷設(shè)備、旋轉(zhuǎn)機械等；分布式電源主要包括光伏發(fā)電系統(tǒng)或風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，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(shè)備主要包括電池儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、抽水儲能等[6,7]，受限于成本和維護量等因素，儲能設(shè)備只能作為增加電網(wǎng)系統(tǒng)慣性而進行短時存儲[8]；控制設(shè)備包括實現(xiàn)微電網(wǎng)負荷平衡、電壓及頻率穩(wěn)定，改善電能質(zhì)量的各類控制器等；電力電子設(shè)備主要包括逆變、濾波整流及無功補償設(shè)備[9]。

三 現(xiàn)有微電網(wǎng)組網(wǎng)模式

微電網(wǎng)的應(yīng)用場合不同，組網(wǎng)模式也有很多種，如單層微電網(wǎng)、雙層微電網(wǎng)、單點接入配電網(wǎng)、多點接入配電網(wǎng)等[10]。根據(jù)電源類型及控制目標需要，可在微電網(wǎng)上運行交流和直流，形成交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)[11]。上述組網(wǎng)模式中幾種常見微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下：

1 星形單PCC微電網(wǎng)

星形單PCC(Point of Common Coupling，公共耦合點)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，所有的負載L、分布式電源點G以及儲能設(shè)備Ce與微電網(wǎng)直接連接，組成一個容量較大的微電網(wǎng)系統(tǒng)，微電網(wǎng)與市政配電網(wǎng)僅通過一個PCC連接[12]，并進行能量交換。當(dāng)微電網(wǎng)滿足IEEE P1547[13]中所述關(guān)于分布式電源接入配電網(wǎng)時的電能質(zhì)量、電氣保護以及穩(wěn)態(tài)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(wǎng)連接。

這種組網(wǎng)方式具有結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)建設(shè)投資少、運行方式簡單的特點。但這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將所有的負載和電源連接在一起，對微電網(wǎng)內(nèi)部的電能質(zhì)量及穩(wěn)定性的控制措施要求較高，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時，微電網(wǎng)需要與其完全斷開連接。而且，供電公司通常要求與微電網(wǎng)的關(guān)口計量只計算送往微電網(wǎng)潮流的電能，因為這種情況下，供電公司為了保證電網(wǎng)安全，并不鼓勵這類用戶微電網(wǎng)與配電網(wǎng)連接，用戶即使返送電量到電網(wǎng)，也無法產(chǎn)生經(jīng)濟效益。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是未來微電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，當(dāng)前主要用于容量小、內(nèi)部控制設(shè)備響應(yīng)速度快、試驗性質(zhì)的應(yīng)用場合。

2 回饋型微電網(wǎng)

回饋型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種回饋型微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與星形單PCC的區(qū)別在于，用戶將其分布式電源點單獨組成一個子網(wǎng)，通過并網(wǎng)設(shè)備直接向配電網(wǎng)送電，用戶的所有負荷與常規(guī)方式一樣，直接與配電網(wǎng)連接獲取電能，即用戶微電網(wǎng)將配電網(wǎng)作為熱備用電網(wǎng)運行。

這種方式的優(yōu)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(wǎng)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(chǎn)生的電量可供給電網(wǎng)并進行電能計量，為用戶產(chǎn)生經(jīng)濟效益。而且，這種組網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時，分布式發(fā)電設(shè)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(wǎng)斷開連接。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要用于負荷對于電能質(zhì)量要求較高，分布式發(fā)電設(shè)備易于集中管理的場合，如中小型生產(chǎn)企業(yè)等。

3 負荷分類星形微電網(wǎng)

負荷分類的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，用戶需將其負荷按照對電能質(zhì)量的要求不同分為常規(guī)負荷Lr和兼容性負荷Lc，其中Lr對電源的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性要求較高，如制冷設(shè)備、旋轉(zhuǎn)機械等，這些負荷與配電網(wǎng)連接，以獲得更好的電能質(zhì)量和可靠性；而對電能質(zhì)量要求不高的Lc，如電子產(chǎn)品的充電設(shè)備、電加熱設(shè)備等，這些負荷與微電網(wǎng)母線連接，連同分布式電源G和儲能設(shè)備Ce構(gòu)成微電網(wǎng)。

當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部滿足獨立運行條件時，微電網(wǎng)斷開與配電網(wǎng)的連接獨立運行，使用微電網(wǎng)內(nèi)部控制措施以及儲能設(shè)備對微電網(wǎng)進行調(diào)節(jié)，避免對配電網(wǎng)產(chǎn)生影響的可能；當(dāng)微電網(wǎng)的功率不足以驅(qū)動所有兼容性負荷Lc時，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)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(wǎng)內(nèi)所有的分布式電源G停止工作，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)連接，全部由配電網(wǎng)供電。

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要基于用戶對其用電負荷進行分類，供電公司和設(shè)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(zhì)量分級以指導(dǎo)分類過程。此類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，組網(wǎng)建設(shè)投資略大，且當(dāng)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(wǎng)方式主要針對便于統(tǒng)一管理的家庭用戶。

4 基于負荷分類的分級微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

分級微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示，該結(jié)構(gòu)對微電網(wǎng)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(shè)備組成用戶級微電網(wǎng)，并分別與上一級的社區(qū)級微電網(wǎng)和配電網(wǎng)連接。儲能設(shè)備Ce可根據(jù)需求，配置于各級微電網(wǎng)中，在方便接入配電網(wǎng)的地區(qū)，也可不配置儲能設(shè)備，利用配電網(wǎng)作為后備電源。

這種微電網(wǎng)組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所提供的運行方式也較多，可分為以下幾類：

(1)當(dāng)用戶微電網(wǎng)內(nèi)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(wǎng)與社區(qū)級微電網(wǎng)斷開，使其獨立運行，此時，用戶級微電網(wǎng)可與配電網(wǎng)相連接，將配電網(wǎng)作為備用電源使用。這種運行方式避免對其他用戶及社區(qū)級微電網(wǎng)產(chǎn)生影響。

(2)當(dāng)用戶微電網(wǎng)內(nèi)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(wǎng)連接到社區(qū)級微電網(wǎng)組網(wǎng)運行，從而與其他聯(lián)網(wǎng)運行的用戶形成一個范圍和容量較大的網(wǎng)絡(luò)，可使各用戶生產(chǎn)的分布式電能盡可能就地得到利用。

(3)當(dāng)社區(qū)級微電網(wǎng)內(nèi)部負荷無法達到平衡時，在社區(qū)級微電網(wǎng)中可進行切除電源G或切換負荷Lc到配電網(wǎng)的操作，使微電網(wǎng)能夠穩(wěn)定運行。

(4)當(dāng)微電網(wǎng)中負荷Lc均較小，而分布式電源G的發(fā)電出力都較大時，可將所有Lc切換至配電網(wǎng)，儲能設(shè)備Ce斷開連接，將所有的分布式電源通過用戶級微電網(wǎng)匯集到社區(qū)級微電網(wǎng)，通過PCC向配電網(wǎng)反送電能。

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，分布式電源產(chǎn)生的電能將盡可能在微電網(wǎng)中消費，盡可能少的對配電網(wǎng)產(chǎn)生影響，可在配電網(wǎng)的安全運行的情況下，充分利用分布式能源，且用戶可根據(jù)需要決定其家庭微電網(wǎng)的運行方式，充分保護了用戶的權(quán)益。這種網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，組網(wǎng)建設(shè)投資較多，適用于不便于統(tǒng)一管理的家庭用戶。

四 總結(jié)

1 各類型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點分析比較

上述四種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有一定的代表性，其特點及應(yīng)用場合的比較見表1。根據(jù)用戶管理性質(zhì)的不同，便于統(tǒng)一管理的應(yīng)用場合，例如中小型生產(chǎn)企業(yè)等，多使用單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而以家庭為基本單位的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因為需更多考慮終端用戶的自主權(quán)利，宜使用分級組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。對于微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的連接情況，就配電網(wǎng)的安全考慮，微電網(wǎng)內(nèi)部應(yīng)優(yōu)先考慮分布式電能就地生產(chǎn)、就近消費，盡量減少對配電網(wǎng)的影響，返送電能到配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)條件，如回饋式微電網(wǎng)。

2 微電網(wǎng)在湖北地區(qū)應(yīng)用情況

湖北省屬于內(nèi)陸平原地區(qū)，大規(guī)模的太陽能和風(fēng)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(qū)具備可開發(fā)的大規(guī)模風(fēng)力資源。因此，光伏發(fā)電的應(yīng)用主要是分布于湖北中東部的較大規(guī)模的并網(wǎng)項目。如：黃石黃金山工程，設(shè)計總?cè)萘繛?0MWp，第一期裝機容量3MWp，其建筑類型為工業(yè)建筑和民用建筑結(jié)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(gòu)件。該項目采用并網(wǎng)運行方式，以電網(wǎng)作為儲能裝置，未配置儲能設(shè)備；武漢火車站項目，總?cè)萘考s2MWp，建筑類型為大型公共建筑，在建筑屋頂和雨棚表面鋪設(shè)太陽能電池板，該項目采用用戶側(cè)并網(wǎng)方式，以電網(wǎng)作為儲能裝置，未配置儲能設(shè)備；武漢新城國際會展中心項目，總?cè)萘?0MW，采用用戶側(cè)并網(wǎng)的形式，系統(tǒng)所發(fā)電能在用戶側(cè)并網(wǎng)，且并入展覽館內(nèi)部電網(wǎng)。

表1 各類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的比較

上述幾個應(yīng)用項目均屬于規(guī)模在兆瓦級別及以上的項目，有些已不屬于微電網(wǎng)的范疇，其采用的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)均較為單一。如黃金山項目不屬于用戶側(cè)低壓配網(wǎng)接入，而武漢火車站級新城國際的項目屬于用戶側(cè)接入，采用的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)基本屬于回饋型微電網(wǎng)。受價格及政策條件等因素的影響，光伏發(fā)電及風(fēng)光互補等設(shè)備在湖北地區(qū)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(fù)雜的微電網(wǎng)應(yīng)用尚未開始。

五 展望

目前，微電網(wǎng)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(wǎng)在用戶側(cè)的應(yīng)用尚未普及。未來，隨著自動控制、電力電子、數(shù)字通信等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，新能源發(fā)展的趨勢將會朝著大眾化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、精細化的方向發(fā)展，新能源所占的比例也將逐年增大，配電網(wǎng)和微電網(wǎng)的界限將逐漸模糊，微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也會如同互聯(lián)網(wǎng)般隨需求的不同而呈現(xiàn)多樣性，在微電網(wǎng)技術(shù)的后續(xù)研究中，并網(wǎng)條件的完善、內(nèi)部控制機理、外部特性分析等領(lǐng)域的發(fā)展都將對其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、能源效率的提升提供支撐。

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