小區多微電網系統工程設計研究

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摘要：為了提高發電接入和用戶用電高效可靠性，提出了一種基于源荷和光儲特征的小區多微電網系統工程設計。根據具體特征確定小區型多微網的設計目標并設置通用的多微網設計流程，并開展工程實例分析。研究結果得到：南區戶子微網2的日光伏出力與負荷關系曲線，通過理論計算可知應配置50kWh的儲能。日光伏出力隨時間的變化和日負荷表現出相反的變化規律，日光伏出力在中午達到最大值。南區戶子微網2的光儲配置明顯高于南區家庭型子微網1和北區照明子微網3，經實際調查南區戶是居民集中區，人口較為密集，這驗證了算法結果的準確性。

關鍵詞：多微網；光儲特征；用戶用電；工程設計

為了應對當前化石能源儲量不斷減少以及由此引起的環境污染問題，世界各國都更加重視開發新的能源技術，尤其是一些高效的清潔能源引起了人們的日益關注［1－4］。由于許多分布式能源接入電網系統后會造成較大的波動性影響，此時便需要利用微電網對其整體供電系統實施全面整合，通過運用更加高效的運行管控方法，只有最大程度提升分布式清潔能源的利用率，才能使其發揮更大的作用［5－7］。由于微網技術應用范圍不斷擴大，隨著該技術的不斷成熟，形成了越來越復雜的微網結構，因此產生了大量的信息數據并且需要投入更多的監測設備，從而在一定程度上提高了對大型微電網實施數據與性能分析的難度［8－9］。為了盡量減小系統的運行復雜度，從而滿足分布式發電的要求以及確保微電網的穩定供電，可以把微網分成許多子微網，再利用并聯結構連接上述各個子微網已經成為微電網技術一個重要發展趨勢［10－11］。現階段除了有許多學者對多微網開展理論研究以外，國內也有一些企業建設了多微網的示范項目并取得了良好的效果。例如，文獻［12］重點研究當前的各類多微網工程建設情況，并總結得到了該網絡的幾種典型運行特征，將其分成偏遠地區、辦公區、小區、工業園共四類應用模式。文獻［13］選擇鹿西島建設工程作為研究案例，設計出了單海島群聯形式的多微網系統，并通過實驗測試發現引入多微網結構可以使海島以更加穩定的狀態持續供電。文獻［14］對工業園條件下的多微網特征進行了探討，在此基礎上構建了幾種不同的多微網設計方式，同時選擇了二個工程案例進行了分析，實現了工業園區供電穩定性及整體效率的顯著提升。當前，用戶側不斷接入越來越多的分布式光伏發電系統，因此更易形成小區型多微網的結構［15－16］。研究小區型多微網拓撲結構時，需要先對多微網的運行特點進行探討，再根據具體特征確定小區型多微網的設計目標并設置通用的多微網設計流程，同時還應對儲能結構與電氣類型都進行綜合考慮。再根據使用要求設計得到小區多微網的初期結構，并對流程準確性進行驗證分析。

1源荷特征

1．1光伏及儲能系統。為小區型空間構建多微網光伏系統時通常選擇住宅房頂作為安裝位置，由于實際安裝得到的光伏系統具有不同的傾角，并且安裝位置也存在明顯差異，這使得各類房頂光伏系統將會在不同時間達到峰值狀態，對每個微網功率進行控制時需要結合光伏出力特點進行適當調節［14－16］。為了使光伏系統能夠以更小的波動性進行功率輸出，并降低其對微網系統產生的沖擊作用，通常選擇綜合運用光伏與儲能系統的方式，利用儲能系統來實現對整體系統功率的有效調節。當多微網以并網結構連接時，可以確保所有子微網組成功率最大的光伏系統，整體電力供應更加充足，在完成對儲能系統的充電以外的剩余電力可以繼續對電網進行售電。在光伏系統不能達到系統負荷的運行電力要求時，可以將大電網作為主電源對負荷實施供電。多微網發生離網后，所有子微網出力需在確保負荷運行條件外還要對儲能系統進行充電。1．2負荷特性。本文選擇南方某一家庭小區作為研究案例，由于該小區中的住戶大部分都是屬于早出晚歸的生活方式，這使得小區多微網在一天時間內發生耗電量的大幅改變，如圖1所示。從多微網的每天電量消耗特征分析可以發現，其通常表現為白天低負荷，夜間高負荷。從不同季節的用電情況分析可知，用電量最高的是夏季，其次為春季與秋季，最低的是冬季。根據供電穩定性的不同可以把小區型多微網用電負荷分成3種類型。重要負荷由基礎負荷設備構成；可轉移負荷表示能夠被靈活調節的用電負荷，可以結合實際電價變化以及電網運行狀態進行調節，顯著提高用電時段的靈活性。在多微網保持離網運行狀態時，需確保要負荷獲得持圖1小區型多微網典型日負荷特性續供電，如果無法提供充足的供電能力，則需要對用電效益以及停電損失進行綜合分析，以此更加精確評價中斷負荷造成的影響，也可以對轉移負荷的實際用電階段進行靈活設置。1．3運營特征。對于實際運營過程而言，多微網運營方發揮著重要作用，一方面維持系統的正常運行，另一方面要結合電網調度情況以最優化方式控制電網運行過程。通過建立規范化運營模式，盡量提高成本分攤與收益分配的公平性，確保大電網和用戶間能夠形成平衡的利益關系，如圖2所示，使各主體間可以實現互利共贏并促進這一新能源系統的健康發展。因為在配置儲能系統和建立微電網需較高的前期投入成本，導致整體收益率偏低，不能有效吸引家庭用戶參與投資的過程。

2小區型多微網系統工程設計

在一個多微網系統中通常表現為一個區域內同時含有多個鄰近微網。根據單獨的微電網設計結構存在明顯差異，進行多微網設計與建設時必須使其可以達到整體協調的運行狀態，顯著提高了設計的復雜性，具體設計流程如圖3所示。當前用戶側不斷接入更多的分布式光伏發電系統，這對小區型多微網的發展起到了明顯推動的作用。相對于工業園區，大部分家庭小區使用的負荷更小，整體表現為較為平穩的特征，可以更好地承受電價變化。家庭小區中除了包含一些基本的用電設備之外，通常都是由家用電器組成，不需要達到很高的供電可靠性。考慮到小區型用戶一天中會出現耗電量大幅波動的情況，形成顯著改變的峰谷特征，由此導致電網峰值難以被高效控制，從而降低了電網的運行穩定性。本文重點分析了對此類多微網項目進行設計的過程。

3工程實例

以某小區作為研究對象，該小區主要由美式別墅構成，可將其歸為家庭小區用電類型，現考慮在這一小區中建設多微網示范項目。在這一多微網項目中包含了3個子微網與1個分布式發電系統，每個子微網都能夠以并／離網方式進行運行，而分布式光伏系統采用并網運行方式，該系統的具體架構如圖4所示。之后根據此小區的實際用電數據，在滿足安全性與經濟性的基礎上，對其實施了初步設計。3．1源荷分析。本研究中的小區處于沿海地帶，具有明顯的海洋性氣候特征，可以達到1080h的年日照數，每月的日照統計數據如圖5所示。小區內的用戶住宅面積總共為400m2，經計算得到小區用戶的負荷平均值等于13．8kW，滿足源荷分布要求。3．2光儲系統配置。為小區多微網系統配備儲能系統與降低光伏系統波動圖5某小區累年各月平均日照時間幅度，避免微網系統受到較大沖擊，有效提升整個系統的運行穩定性。最后選擇磷酸鐵鋰電池進行儲能。儲能電池選型和定容規劃區域包括南區家庭型子微網1、南區戶子微網2、北區照明子微網3。從供電的持續性角度考慮，應確保各子微網遇到故障問題的情況下依然可以保持10kW負荷工作2h。圖6顯示了南區戶子微網2的日光伏出力與負荷關系曲線，通過理論計算可知應配置50kWh的儲能。日光伏出力隨時間的變化和日負荷表現出相反的變化規律，這負荷自然表達規律。日光伏出力在中午達到最大值，與中午陽光強度最大相關。綜合考慮到儲能與市場需求，需為北區子微網提供50kWh的儲能系統以及10kW的儲能變流器，具體見表1。由表1可以看出，南區戶子微網2的光儲配置明顯高于南區家庭型子微網1和北區照明子微網3，經實際調查南區戶是居民集中區，人口較為密集，這驗證了本文算法結果的準確性。

4結論

1）在這一多微網項目中包含了4個子微網與1個分布式發電系統，每個子微網都能夠以并／離網方式進行運行，而分布式光伏系統采用并網運行方式。經計算得到小區用戶的負荷平均值滿足源荷分布要求。2）南區戶子微網2的日光伏出力與負荷關系曲線，通過理論計算可知應配置50kWh的儲能。日光伏出力隨時間的變化和日負荷表現出相反的變化規律，日光伏出力在中午達到最大值。3）南區戶子微網2的光儲配置明顯高于南區家庭型子微網1和北區照明子微網3，經實際調查南區戶是居民集中區，人口較為密集，這驗證了本文算法結果的準確性。

作者:高強 周洪青 高騫 林芬