微電網結構模式

一般來說微電網結構模式指的是網路拓撲的設計，具體包括微電網內部的電氣接線網路結構、供電制式(直流/交流供電和三相/單相供電)、相應負荷和分散式電源所在微電網的節點位置等等。微電網是一種將各種分散式發電組合起來為當地負荷提供電能的中、低壓小型電網，能在併網和孤島兩種模式下運行，它能提高負荷側的供電的可靠性。其供電模式可分為交流型、直流型以及交直流混合型。

基本介紹

• 中文名：微電網結構模式
• 外文名：Microgrid structurepattern 
• 領域：能源利用
• 學科：電氣工程
• 類型：交流、直流、交直流混合
• 優點：能源利用率高、供電效率高

背景

能源是現代社會和經濟發展的動力，是人類生命存在和繁衍的生命線。傳統化石能源的逐步耗竭，使能源危機已逐步逼近。在能源需求和環境保護的雙重壓力下分散式發電技術獲得了越來越多的重視與套用。微網是指由分散式電源、儲能裝置、能量變換裝置、相關負荷和監控系統、保護裝置匯集而成的小型發配電系統，是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，既可以與外部電網併網運行，也可以孤立運行。將分散式發電以微網的形式接入到大電網併網運行，與大電網互為支撐，是發揮分散式發電系統效益的有效途徑。微網在實際運行中需要解決的關鍵問題之一就是控制問題.作為微網控制策略的實現載體，微網實驗系統的建設格外令人關注。歐盟的第五、第六和第七研究架構分別資助的微網：大規模分散式電源接入低壓電網，作為微網相關項目的研究成果，各種微網實驗系統的建設體現了世界範圍內對微網不同結構特徵及控制模式的探索，對現有的微網示範工程按區域進行了綜述。

國內外微網的定義

總體來看，微電網不同於傳統孤立電網系統，其中採用了大量的電力電子器件進行控制，也採用了大量清潔高效的可再生能源。簡單地說，微電網在配電網側相當於一個可控單元，在用戶側相當於可定製的電源，正常情況下與併網運行，當電網發生故障進入孤島模式運行。傳統意義上的電力系統包含七大領域，即發電、輸電、變電、配電、用電、調度、通信;而微電網中包含了六大領域，即發電、儲能、配電、用電、調度、通信。微電網作為集電能收集、電能傳輸、電能存儲和電能分配於一體的新型電力交換系統，可以成為大電網的有力補充和支撐，有益於提高現有電網運行的可靠性和經濟性。

國外微電網定義

目前國內外對於微電網尚未有明確的定義，美國的電氣可靠性技術解決方案聯合會(CERTS)中認為微電網是一種由負荷和微電源共同組成的系統，它可同時提供電能和熱能並滿足用戶對電能質量和供電可靠性的要求，由電力電子器件負責能量的轉換並提供必須的控制，微電網相對於外部大電網表現為單一的受控單元。歐盟對於微電網的定義為利用一次能源並使用微型電源，可實現冷，熱，電三聯供，利用電力電子裝置進行能量調節，配有儲能裝置，並可在併網和獨立兩種方式下運行。日本對於微電網的研究是基於新能源的開發利用以緩解能源緊張問題，其對於微電網的定義是指在一定區域內利用可控的分散式電源，根據用戶需求提供電能的小型系統。

國內微電網定義

隨著微電網研究的進展，國內相關機構也開始進行微電網定義的探討。國網電科院的專家認為，微電網應是以一組分散式發電為集群分割網路，通過適當的管理和控制改善原有網路，並協調這些分散式電源運行，因此適用於我國的微電網定義應當是以分散式發電技術為基礎，以靠近分散型資源或者用戶的小型電站為主，結合終端用戶電能質量管理和能源梯級利用技術形成的小型模組化、分散式功能網路。

微電網典型結構模式

微電網結構模式的確定是進行微電網規劃設計的前提條件，結構模式的選擇對微電網具體接入電網的電壓等級和容量規劃以及具體分散式電源的選擇會產生較大影響。一般來說微電網結構模式指的是網路拓撲的設計，具體包括微電網內部的電氣接線網路結構、供電制式(直流/交流供電和三相/單相供電)、相應負荷和分散式電源所在微電網的節點位置等等。

交流微電網結構模式

交流微電網在目前國內外所採用的微電網中仍為主流，交流微電網不改變原來的電網結構，適合運用在將原有電網改造為微電網網架結構中。

參考CERTS提出的微電網結構得到一類典型低壓微電網結構模式如右圖所示。該微電網有3類對供電質量有不同要求的負荷，即敏感負荷、可調節負荷、可中斷負荷。饋線C上是一般負荷，正常情況下微電網與大電網並聯運行，當主網出現故障時靜態開關將斷開，成獨立運行的系統，當電網恢復正常以後，微電網又可與主網重連，恢復併網運行。

基於CERTS系統的微電網典型結構

從容量規劃中可見中低壓交流微電網可分別設定主微電網、一級、二級子微電網，分層分級進行結構模式規劃。在以電纜網為主的配電網中，可以建立如右圖所示的微電網網架結構，針對各地負荷特性和能源結構靈活配置分散式電源和儲能設備。

典型交流微電網網架結構

具體來看，主微電網通常可設定為一個10kV的開閉所作為網架結構基礎，鑒於我國微電網容量限制，一般情況下不宜採用35kV，110kV的變電站級別作為微電網供電系統的中心網架結構。以原有開閉所母線結構作為主微電網母線結構比如為單母線分段，兩路10kV進線分別接兩段母線，母聯開關平時處於分位分段運行。在開閉所處設定智慧型微電網調度中心，配置微電網監控系統、配電自動化系統、智慧型用電系統、電力需求側管理等系統，連線大型風力發電、大容量能量型儲能、柴油發電機等作為主微電網供電電源，一般情況下採用幾百kW-MW的分散式電源。

一級子微電網通常可以是10kV開閉所下設的若干個變電室，以變電室為中心就近向負荷中心供電，每個變電室的進線分別來自上級開閉所的兩段母線以增加可靠性。以每一段母線為一個一級子微電網的核心網架，將母線所連中小型風力發電、光伏發電、燃氣輪機和儲能作為一級子微電網供電單元，其中的分散式電源的容量通常為幾十kW至幾百kW的級別為宜，具體容量配置和電源選擇視各地負荷密度而異。

二級微電網通常由建築物配電室構成，由上級開閉所或變電室的兩段母線分別出線供電，將各建築400V配電系統及所連樓頂光伏、儲能及其他分散式電源作為二級子微電網供電單元，分別就近接入建築物的配電子系統，其中以幾kW至幾十kW級別的分散式電源和儲能作為電源，並結合上級電網共同對負荷供電，這也就是通常意義上靠近負荷終端的低壓微電網。

各級微電網可分別接入風力發電、光伏發電、儲能、柴油發電機、冷熱電三聯供微型燃氣輪機、負荷，組成風光儲柴氣互補微電網或者其他形式的微電網，主微電網及每個子微電網都可以實現併網、孤網運行，並可實現無縫切換、即插即用。

中低壓交直流混合微電網

按照分散式電源主要的配置位置的不同，交直流微電網的結構模式也有差異，按照電源種類分類，分散式電源可以接在直流母線上，也可以連線在交流母線上，一般來說，分散式電源接在直流母線上更有利於微電網對不可控源的控制運行。中低壓交直流混合微電網可分為以下幾類：

第一類典型的交直流混合微電網是在交流母線側接入分散式電源滿足交流負載需求；第二類是在直流母線側接入分散式電源滿足直流負載需求，通過逆變器向直流負載供電；第三類是在交流側採用較大容量的交流分散式電源供應交流負荷，同時在直流側添加上節所述的各類典型直流母線微電網為直流負荷供電，達到合理利用分散式電源並減少中間逆變過程的目的，各類交直流微電網典型結構模式如右圖所示。

混合交直流微電網在公共連線點的開斷上更具多樣性，既可以採用一般微電網系統併網運行和孤島運行的方式，同時還可以實現交流部分併網運行、直流部分孤島運行的模式。而當在交直流兩側均有電源點的情況下，還可以分別進入孤島模式獨立運行，更有利於微電網的控制運行操作。

交直流微電網典型結構模式

交流和直流微電網系統比較

系統優點

（1）交流微電網

各分散式電源及蓄電池儲能均通過各自的變流器併入統一交流母線，因此變流器容量相對較小；由於系統採用交流母線，負荷或分散式電源擴容都較直流微電網結構便利。

（2）直流微電網

系統可採用統一的大容量DC/AC變流器，且DC/DC裝置較簡單，因此成本相對交流微電網低；由於採用一個DC/AC裝置，因此該裝置的控制相對交流微電網簡單。

系統不足

（1）交流微電網

各單元都需要獨立的DC/AC變流器，因此成本相對直流微電網系統較高；儲能系統採用多套DC/AC併網裝置，儲能系統作為主電源獨立運行時，多個儲能裝置的均流控制相比直流微電網困難。

（2）直流微電網

系統採用直流母線，且通過統一的DC/AC變流器接入交流微電網，因此直流母線擴容受限制；微電網設備配套採購困難，市場上用於光伏系統的DC/DC模組和用於風力發電機的AC/DC模組單獨採購困難。

基於我國能源結構的微電網典型供電模式

以低壓交流微電網作為範例，本節建立各類分散式電源和儲能裝置聯合供電系統，討論在我國不同地區、不同能源結構和不同供電可靠性需求下的微電網具體供電模式，按照我國可再生能源的情況和目前已有分散式電源和微電網的建設情況，並結合國外已有微電網範例工程經驗，將典型微電網供電模式分為以下四類:以風光儲供電系統為主的微電網，以小水電供能系統為主的微電網，以微型燃氣輪機或其他分散式電源冷熱電聯供為主的微電網和其他分散式電源構成的微電網。

光伏微電網

以光伏為主要分散式電源的微電網主要分為併網型和離網型兩類，離網型微電網系統一般應配置蓄電池等儲能設備，而併網光伏微電網可分為帶有蓄電池和不帶有蓄電池兩類，帶有蓄電池的微電網系統具有不問斷電源的作用，建議在可靠性較高的城市微電網等處採用。光伏微電網電池供電模式如右圖所示。

光伏微電網電池供電模式

風光儲聯合微電網

典型風光儲微電網可採用直流和交流兩種供電模式，現階段適用於我國的交流風光儲微電網如右圖所示，這種供電模式之下，在必要時可在添加柴油機來穩定出力。

風光儲微電網供電模式風光水微電網供電模式

小水電以及抽水蓄能微電網

對於光照不足的西南部分地區可以只考慮風水發電模式構造微電網，若風電能夠滿足負荷需求。此時水輪機處於停髮狀態或者在水庫蓄水量超過正常蓄水位時發電。若風電不能滿足負荷需求，不足部分通過蓄電池放電和調節水電站發電來補給，如右圖所示。

風光水微電網供電模式微型燃氣輪機冷熱電聯供微電網

冷熱電聯供微電網

冷熱電聯產系統在生產電力的同時，也能提供熱能或同時滿足供熱、製冷等方面的需求，在其基礎上進行技術改造能夠構造微電網，可以實現效率的大幅度提高。以微型燃氣輪機作為微電源的微電網典型結構模式如右圖所示，由於其出力比較穩定，對電能質量比較高的場合外，一般不需要額外配置儲能設備。

微型燃氣輪機微電網微型燃氣輪機

結語

對現存的微網實驗工程和示範工程按結構和控制模式進行了分類，交流微網是目前微電網實驗建設的主流結構，但直流微網系統也有其特有的優勢，在微網實驗系統建設中也應得到重視，組建交直流混合微網實驗系統，是發揮二者優勢的一種可行選擇，實際套用中應因地制宜的選擇合適的微網結構。微網控制方式多樣，對於微網的控制，應綜合考慮供電質量、系統可靠性、微網最佳化運行等因素，選擇合理的控制模式，從而最大限度地發揮微電網的經濟效益。