微電網規劃體系研究

柯人觀，周金輝，汪東輝

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

微電網規劃體系研究

柯人觀，周金輝，汪東輝

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

在分布式電源和儲能設備大量接入的情況下，傳統配電網的供電模式和規劃方式發生了改變。通過對微電網的電壓等級、供電制式、接入方式和具體網架結構等進行研究，比較各類供電模式在不同應用場合的優缺點，提出微電網規劃建設的一般步驟和實施方案。結合我國能源結構和負荷特性，提出4類微電網典型供電模式及其適用范圍，并給出我國各區域城市和農村的典型供電模式。

微電網；規劃體系；供電模式；結構模式；分布式電源

0 引言

微電網將分布式電源、用電負荷、儲能裝置和控制裝置等結合，起到電能收集、傳輸、存儲和再分配的作用，有益于提高現有電網運行的可靠性和經濟性[1，2]。在微電網理論探索過程中形成了計算與分析理論、保護技術、信息通信及計量、控制運行與能量管理、包含分布式電源與儲能在內的規劃設計等體系，其中規劃設計是微電網核心技術體系之一。

由于可再生能源發電具有間歇性，微電網系統規劃工作不同于傳統輸配電網規劃，在規劃體系初期考慮的負荷預測由于分布式電源的接入而變得困難，同時微電網選址、網架結構和供電模式的確定、保護和控制的方式也將發生變化，微電網中確定合理的電源組合和容量配比也成為規劃中的新問題[3]。微電網規劃需考慮的因素如圖1所示。

圖1 微電網規劃考慮因素

目前對于微電網規劃理論與方法的研究集中在含微電網的配電網規劃[4]等領域，在某種意義上還屬于配電網的規劃范疇，關于微電網自身供電模式等方面研究的文獻還較少[5-7]。文獻[1]在分析微電網網架的基礎上,根據微電網特點將其分為交流微電網、直流微電網和交直流混合微電網。文獻[8]考慮微電網地理特點、接入的配電網結構和運行方式等基本要素，研究了微電網結構的設計方法，提出微電網結構設計流程。

1 微電網規劃體系

在微電網規劃體系中，除了原有配電網的網架結構和當地經濟社會發展情況，所規劃區域的負荷和可再生能源結構也是首先要考慮的因素。在微電網的結構模式和供電模式確定之后，需進行微電源的選址定容和優化規劃，綜合考慮電網控制運行方法之后得到最終的方案，同時要制定切負荷等一系列能量管理措施。

參照配電網典型規劃模式，微電網規劃也可分為布點規劃和擴展規劃2類，其中布點規劃以規劃點自然資源條件為依托，結合分布式電源本身特性進行微電網選址定容；而擴展規劃則包括系統網架的結構模式和用戶接入方式的選擇，規劃體系流程如圖2所示。

圖2 微電網規劃體系流程

2 微電網典型結構模式

微電網結構模式主要指網絡拓撲的設計，具體包括微電網內部的電氣網絡接線結構、供電制式的選擇和與外部網架的互聯接口等等，是微電網規劃設計的前提條件，如圖3所示。

圖3 微電網結構模式分類

微電網結構模式應遵循安全可靠、經濟實用、靈活運行、就近匹配等原則，對負荷特性的研究和負荷曲線的制定也要結合分布式電源適用性加以考慮。通常微電網設計有公共連接點，使分布式電源在供電范圍內保證重要負荷供電可靠性和連續性；同時微電網作為面向終端電力用戶的電網形式，分布式電源應最大程度地靠近負荷中心，與用電負荷進行平衡；另外也需要兼顧經濟性和冷熱負荷的需求，提高能源利用效益，目前家庭太陽能發電和冷熱電聯產系統是較為普遍的可利用形式。

美國可靠性協會的CERTS微電網是最為典型的微電網結構模式，其典型結構如圖4所示。在實際應用中，主接線可以簡化為主母線和子母線2類形式。

圖4 基于CERTS系統的微電網結構模式

參考CERTS微電網結構可構造以城市開閉所為核心的典型微電網結構，如圖5所示。其中主微電網通常可設置1個10 kV的開閉所（開關站）作為網架結構基礎，按需接入小型光伏電站或者中小型風電；一級子微網可以是開閉所下設的若干個變電室，適當配置中小型風力發電、燃氣輪機和儲能設備，就近向負荷中心供電；二級微網需要與建筑物配電室相結合，以接入380 V配電系統的樓頂光伏、儲能及其他分布式電源作為供電單元，結合上級開閉所或變電室的母線共同對負荷供電，形成靠近負荷終端的低壓微電網。

根據公共連接點的不同，微電網供電制式也有所區別。其中，按照負荷規模大小，中壓級別微電網可分為變電站級別和饋線級別2類，饋線級別微電網又可分為二次側、聯絡線、分支線等多種類型，如圖6所示。而低壓微電網可分為串并聯、三相/單相、樹干式、放射式、環式等多種結構模式。

按照電壓等級劃分，微電網可分為中壓微電網和低壓微電網，其中CERTS微電網就是典型的低壓微電網。中壓交流微電網由于其分布式電源容量較大，滲透率高，適用于敏感負荷分布不集中的場合，供電可靠性較低，組網有一定難度，比如以集中型的風電場和光伏電站為依托的微電網。其特點是10 kV饋線上含有容量較大的分布式電源，其中每個子微電網獨立供能，而通常在低壓配電二次側也可布置一定數量的低壓微電網或者小容量的分布式電源作為支撐。

圖5 典型城市微電網網架結構

圖6 中壓微電網結構模式

由于分布式電源的容量限制，中壓微電網需要主網支持，在故障情況下可靈活地選取公共連接點，進入孤島解列模式，分解成多種結構的小型微電網以保證用電可靠性。

對于分布式電源數量眾多而負荷較小的居民區小型微電網，直流微電網體現出巨大優勢[9]。直流微電網的規劃包含電壓等級和網架結構的設計。一般而言，直流微電網母線的構成形式可以分為4類：單母線結構、雙層式母線結構、雙母線結構和環網結構[10]。而國內尚無直流微電網電壓等級的標準，需要綜合考慮國內外實際微電網運行情況后進行選擇。

由于交流和直流微電網各有其優缺點，交直流混合微電網的概念應運而生。交直流混合微電網以交流微電網為主，運行方式更加靈活，是未來微電網的發展趨勢，可根據用戶的不同需求，為內部用戶提供不同質量的電能。

3 微電網典型供電模式

微電網供電模式的選擇主要考慮負荷特性、拓撲結構模式、微電源和儲能的種類和容量、接入電網電壓等級配置選擇等因素。根據我國可再生能源的情況和目前國內外已有微電網建設工程經驗，將典型微電網供電模式分為風光柴儲供電系統、小水電結合抽水蓄能供電系統、微型燃氣輪機及內燃機冷熱電聯供系統以及其他分布式電源結合儲能設備構成的微電網系統4大類。

風光柴儲微電網主要分為并網型和離網型2類，風力發電和光伏發電是國內發展比較成熟的分布式電源種類，而柴油發電是傳統的離網供電模式。在自然資源豐富的東部海島和西部農村地區，如果沒有集中供電的條件，可以采用屋頂光伏和小型風機為主的分散式發電形式。而對于風力資源匱乏、樓層密集的城市，風機不適宜作為分布式電源。考慮電動汽車充電樁等直流負荷日漸增多的情況，可采用屋頂光伏輔助以儲能設備構造直流或交直流微電網，或以燃氣輪機為基礎構造冷熱電聯供形式微電網。

構造以小水電為主的微電網不應局限在常規水電站，也可以采用包括抽水蓄能電站、潮汐能電站、海流能電站等在內廣義的水力發電系統，在我國東西部的廣大農村和邊遠山區存在大量無調節能力、水頭很低的河床式水電廠、引水式水電廠等，可以通過技術改進來構造微電網，充分利用水能資源。由于我國風能、太陽能和水能的季節特性十分明顯而資源浪費比較嚴重，利用小水電結合風光等其他分布式電源進行發電是發展趨勢，通過合理的規劃就可實現可再生能源的優勢補充，應用價值明顯。

微型燃氣輪機發電在國外微電網中已有較廣泛的應用，與其他分布式電源相比其出力平穩，尤其是快速啟停和調節特性有利于補償風電場的出力波動，能夠保證供電質量。我國在居民和商業負荷用戶中有大量供冷供熱的需求，在燃氣輪發電機本體研究和西氣東輸等天然氣工程取得進展后，可以大量使用微型燃氣輪機作為微電源。

生物質能微電網有2類形式：一類以小型垃圾發電為基礎，利用城市周邊已有的垃圾焚燒發電廠組成微電網進行供電，在滿足微電網內供電的同時，以配電網線路等形式向外供應電能；另一類利用工業有機廢水和城市生活污水進行沼氣發電，主要以氣化直燃爐和內燃熱氣發電機組為基礎，貼近負荷中心，因地制宜，適合實際推廣應用。

另外微電網的分布式電源還包括燃料電池、地熱能、海洋能和其他以內燃機和儲能為主的各類微電網類型。

我國各地電網負荷特性差異很大，對負荷進行具體分析，能夠使微電網規劃符合各地發展方向。微電網的規劃應針對不同區域、不同能源結構和用戶需求，按照可再生能源的分布情況和負荷對于供電可靠性的需求等多方面特性進行配置，分別適應城市、農村、海島等不同供電區域，結合不同區域的具體負荷需求，提出具有針對性的供電模式，如表1和表2所示。

4 結論

微電網規劃理論是微電網理論體系的重要組成部分，由于分布式電源和大量電力電子器件的

表1 我國各區域城市微電網典型供電模式

表2 我國各區域農村微電網典型供電模式

接入，其規劃方法有別于傳統配電網，需要構造新的方法加以實現。

研究并提出微電網典型規劃體系和供電模式的確定方法，包含網絡拓撲設計、供電制式選擇、分布式電源接入等，提出了針對城市、農村等各類負荷特性下供電模式的應用場合和優缺點。

[1]丁明，張穎媛，茆美琴.微網研究中的關鍵技術[J].電網技術，2009，33（11）∶6-11.

[2]袁越，李振杰，馮宇，等.中國發展微網的目的方向前景[J].電力系統自動化，2010，34（1）∶59-63.

[3]陳健，王成山，趙波，等.考慮儲能系統特性的獨立微電網系統經濟運行優化[J].電力系統自動化，2012，36（20）∶25-31.

[4]戴上，張焰，祝達康.含有微電網的配電網規劃方法[J].電力系統自動化，2010，34（22）∶41-45.

[5]ZHAO B，ZHANG X，CHEN J.Integrated Microgrid Laboratory System[J].Power Systems,IEEE Transactions on，2012，27（4）∶2175-2185.

[6]楊艷紅，裴瑋，齊智平.基于動態運行策略的混合能源微網規劃方法[J].電力系統自動化，2012，36（19）∶30-36. [7]肖峻，白臨泉，王成山，等.微網規劃設計方法與軟件[J].中國電機工程學報，2012，32（25）∶149-157.

[8]黃文燾，邰能靈，范春菊，等.微電網結構特性分析與設計[J].電力系統保護與控制，2012，40（18）∶149-155.

[9]溫家良，吳銳，彭暢，等.直流電網在中國的應用前景分析[J].中國電機工程學報，2012，32（13）∶7-12.

[10]吳衛民，何遠彬，耿攀，等.直流微網研究中的關鍵技術[J].電工技術學報，2012，27（1）∶98-106.

（本文編輯：方明霞）

Study on Planning System of Microgrid

KE Renguan，ZHOU Jinhui，WANG donghui
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

With the large-scale access of distributed generation and storage devices，supply mode and planning method of traditional distribution networks are changed.By investigating voltage class，power supply mode，access mode and the specific grid structure as well as comparing merits and demerits of various power supply mode in different applications，the paper introduces general steps and implementation plan of microgrid planning and construction.According to energy mix and load characteristic in China，the paper presents four typical supply modes of microgrid and the range of application；in addition，it introduces typical power supply modes of urban and rural areas in all parts of China.

microgrid；planning system；power supply mode；structure mode；distributed generation

TM715+.3

：A

：1007-1881（2016）02-0023-04

2015-07-22

柯人觀（1988），男，工程師，研究方向為電力系統規劃、繼電保護與控制。