關于建設共享式新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)的思考

馬翔宇

（中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221000）

第二次工業(yè)革命的發(fā)展讓人類社會發(fā)展向前邁了一大步，人類由此進入了電氣時代，我們每個人的生活也與電力緊密聯(lián)系起來。在現(xiàn)代生活中，電力讓我們能夠在夏季感受空調帶來的涼爽、乘坐便捷的軌道交通工具和電視手機帶來的影音娛樂等。也許我們每個人都已對使用電力感到習以為常，但全球仍有許多缺電地區(qū)，還有眾多民眾無法使用電力，電力這個讓我們習以為常的能源卻是他們稀缺的寶貴資源。受其他原因的限制，部分國家仍未能擺脫無電、缺電的困境。當前，新能源發(fā)電技術、微電網(wǎng)技術逐漸成熟，將含有新能源發(fā)電的分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)應用于缺電地區(qū)，讓更多的人使用上電力成為可能。

1 全球新能源使用情況

對于當今世界新能源發(fā)展而言，全球可再生能源種類多樣，儲量豐富并且發(fā)展迅速，以中國為例，預計到2020年，全國新能源發(fā)電裝機容量達4.1×108kW，其中，風電2.4×108kW、太陽能發(fā)電1.5×108kW。由于經(jīng)濟技術與社會政治等原因，結合實際情況考慮，通過在部分缺電地區(qū)建設大規(guī)模電網(wǎng)而讓每一戶百姓使用電力是相對不實際、有困難的，但如果可以合理運用當?shù)刎S富的可再生能源資源，比如太陽能、風能、生物質能等，以部落或者村鎮(zhèn)為單位，建設共享型分布式新能源發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)來解決部分地區(qū)的用電難問題是可以實現(xiàn)的。

2 分布式新能源發(fā)電微電網(wǎng)方案設計

2.1 應用背景分析

由于部分地區(qū)的電網(wǎng)發(fā)展建設速度較為緩慢，已經(jīng)無法滿足當今現(xiàn)代生活對電力的需求。依賴電網(wǎng)建設來為大部分居民提供電力服務時間相對較久，實施難度相對較大，投入成本高昂，再加上目前大部分缺電地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展較弱，針對供電系統(tǒng)建設成本的經(jīng)濟性的考量分析是十分必要的。根據(jù)世界銀行發(fā)布的電力供應狀況報告中關于建設電力設施經(jīng)濟性選擇方案分析可知，對于距離電網(wǎng)小于4 km的區(qū)域，如果負荷相對較大，最經(jīng)濟選項是架設輸電線路保障供電；對于距離電網(wǎng)大于4 km而小于8 km的用戶，如果負荷非常小，可選擇太陽能家庭式系統(tǒng)供電，如果負荷相對較大可選擇微電網(wǎng)或者架設輸電線路供電；但對于相距電網(wǎng)大于8 km，負荷高于50 kW的情況，選擇架設微電網(wǎng)是最為經(jīng)濟的方案。綜上來看，由于大多數(shù)的缺電地區(qū)人口分布相對廣泛，且遠離主要城鎮(zhèn)，鄉(xiāng)村人口數(shù)量又相對較多，如果僅僅通過架設電力線路來保證大部分無電部落或者村落地區(qū)用電需求是不夠經(jīng)濟的。如果在部分無電地區(qū)采用新能源發(fā)電來建設微電網(wǎng)或者直接建設家庭式太陽能家庭供電系統(tǒng)來滿足人民用電需求，則具有較好的經(jīng)濟優(yōu)勢與可實現(xiàn)性強的特點。但是依靠單一型可再生能源作為發(fā)電源是不穩(wěn)定的，僅僅安裝太陽能電池板并不能較好地滿足人民的基本用電需求，其供電能力受天氣的影響較大。如果采用多種分布式可再生能源作為發(fā)電源，則可相對提高系統(tǒng)供電可靠性，較好地滿足基本生活用電負荷。

2.2 供電服務方案選擇

結合實際工程分析時，應根據(jù)相關典型電力缺乏地區(qū)的新能源資源分布情況、地理環(huán)境、天氣因素綜合分析，可考慮選擇單一型新能源并網(wǎng)發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)設計方案、多種混合式新能源分布式并網(wǎng)發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)設計方案和多組合式新能源與傳統(tǒng)能源發(fā)電并行式組網(wǎng)發(fā)電的微電網(wǎng)系統(tǒng)設計方案。單一型新能源并網(wǎng)發(fā)電方案即系統(tǒng)發(fā)電側由一種可再生能源發(fā)電構成（太陽能、風能、生物質能），其具有安裝簡易性強、成本低、經(jīng)濟性好、便于大規(guī)模推廣使用的特點，但可靠性差，受天氣因素影響嚴重，可持續(xù)使用性不強，無法保證長時間穩(wěn)定供電。多種混合式新能源分布式并網(wǎng)發(fā)電方案即系統(tǒng)供電側由多種新能源分布式發(fā)電組成，對使用環(huán)境兼容性好，對當?shù)匦履茉促Y源利用充分，并具有供電能力較強、對天氣因素變化容納性好等特點，可滿足較長時間穩(wěn)定供電需求。但在極端條件下和負載較大的情況下無法提供有效供電，系統(tǒng)設計與控制難度相對較大，成本相對于單一型方案較高。

對于多組合式新能源與傳統(tǒng)能源發(fā)電并行式組網(wǎng)發(fā)電方案，該方案能夠最大化利用新能源資源，節(jié)能性好，同時，在極端惡劣天氣條件下，可切換燃油發(fā)電機出力，直接組網(wǎng)發(fā)電提供可靠供電保障，但是建設成本相對較高，可能會受到缺電地區(qū)經(jīng)濟條件制約。綜合考慮應選擇兼具節(jié)能性與穩(wěn)定性優(yōu)勢系統(tǒng)設計方案，并能夠較好解決偏遠地區(qū)供電問題。同時，在提出不同類微電網(wǎng)系統(tǒng)設計方案的基礎上，再根據(jù)經(jīng)濟性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)可靠性、實用性等原則，對所有可行方案進行分析修改，總結出針對不同種使用環(huán)境下，根據(jù)使用對象所處的自然條件選擇相應最佳配置制定組網(wǎng)發(fā)電方案，即在總架構（發(fā)電側、儲能側、逆變側、負載側）保持相應一致的情況下，對發(fā)電側和儲能側制訂多種配套方案，以便為使用者提供最優(yōu)、經(jīng)濟、實用、可靠的供電服務。但在選擇方案時，每一個獨立架設的微電網(wǎng)系統(tǒng)都配套相應的新能源發(fā)電機組模塊對于整個缺電地區(qū)而言是不經(jīng)濟的，并且無電地區(qū)普遍經(jīng)濟較弱，因此，針對經(jīng)濟因素考慮便顯得格外重要。

2.3 結構設計

基于缺電少電地區(qū)的用電環(huán)境與用電需求相結合考慮，用戶需要一種使用方便、易于維護并且建設成本相對較低的供電系統(tǒng)。因此，可采用共享式新能源分布式發(fā)電微電網(wǎng)作為系統(tǒng)主要架構。系統(tǒng)整體設計架構如圖1所示，其主要由移動式共享新能源發(fā)電模塊、集成儲能系統(tǒng)、能量轉換器、分布式入戶供電模塊所組成并包含相應監(jiān)控和保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于對需求負荷較小、新能源儲量豐富、離主網(wǎng)架偏遠的地區(qū)，其運行方式為孤島運行。本系統(tǒng)可增加遠程監(jiān)控系統(tǒng)，采用集中監(jiān)控的方式維護各微電網(wǎng)運行狀態(tài)，提升維護水準與控制效率。

圖1 共享式新能源分布式發(fā)電微電網(wǎng)基本結構

2.4 共享式運行策略與經(jīng)濟性分析

可針對用戶所在地新能源隨季節(jié)的分布情況進行分析，提供全年新能源發(fā)電模塊配置方案，并通過大數(shù)據(jù)分析利用不同地區(qū)的新能源儲量分布隨季節(jié)的變化差異而針對管轄范圍內所有微電網(wǎng)進行合理資源配置。根據(jù)不同微電網(wǎng)用戶的負荷需求和新能源種類以及儲量，配發(fā)移動式共享發(fā)電模塊，進而減少總初期投資使得資源利用最大化。本系統(tǒng)架構選擇集中式儲能系統(tǒng)同入戶電源模塊相結合，可以實現(xiàn)對不同的移動式新能源發(fā)電模塊具有良好的兼容能力。雖然在供電能力上具有一定的不足，但考慮到部分地區(qū)的經(jīng)濟環(huán)境、維護成本與用電負荷，本系統(tǒng)基本能滿足缺電少電地區(qū)的基本用電需求。同時，將共享式經(jīng)濟模式同新能源發(fā)電系統(tǒng)同微電網(wǎng)技術相結合，利用不同地區(qū)的能源分布隨季節(jié)的變化而不同的特點（比如水利資源、風力資源隨季節(jié)變化）設計通用微電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)架，將不同分布式新能源發(fā)電電源利用共享經(jīng)濟模式相互投切使用，從總體上減少了新能源發(fā)電機組裝機數(shù)量，以便減少政府或公益組織的初期投資花費，較適合應用于經(jīng)濟情況不好的無電地區(qū)。

3 方案實施推廣與未來展望

根據(jù)不同國家地區(qū)的自然條件、新能源分布情況選擇相應的電源側，如果當?shù)靥柲苜Y源豐富，可采用架設小型太陽能發(fā)電場作為微電網(wǎng)的主力電源；如果當?shù)仫L力資源豐富，可建設小型風力發(fā)電機為系統(tǒng)提供電力保證。通過整合不同種新能源并入微電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電，并結合共享經(jīng)濟模式應用于分布式新能源發(fā)電模塊，可以降低對單一能源的依賴程度，提升供電保障能力，縮短停電時間的同時，降低一次性初期成本投資。在選擇方案時，應根據(jù)村落用電負荷需求進行評估，并設計余量，以滿足未來系統(tǒng)中負荷增加的需求。在建設資金融資方面，當?shù)卣赏度胼^大資金比例，同時開放民間融資、申請國際資金援助等。通過制作宣傳冊、廣告、網(wǎng)絡、新聞媒體等途徑在全世界廣泛宣傳，募集初期建設資金，為幫助更多的部分缺電地區(qū)人民擺脫用電難問題作出努力，改善當?shù)鼐用裆顥l件。電力，是國家社會發(fā)展的動力。沒有良好的電力供應保障，經(jīng)濟社會建設發(fā)展會受到影響，如果沒有良好的電力保障，便無法快速發(fā)展經(jīng)濟，經(jīng)濟貧弱便沒有足夠資金投入電力建設，進而產(chǎn)生惡性循環(huán)。因此，電力建設對于國家和百姓都十分重要，作為地球村的一員，我們每一個人都應為實現(xiàn)全球電力普及率達到100%而努力。