金 东 马宪国

上海理工大学能源与动力工程学院

1 微电网的概念

微电网往往包含多种分布式电源和储能系统，是具有自治能力的小型供能系统，不同的国家和地区依据自身发展和研究特点，给了微电网不同的定义。

美国电力可靠性技术解决方案协会（The Consortium for Reliability Technology Solutions，CERTS）在2002年提出了微电网的概念，指出微电网是一个集成了分布式电源、负荷、储能和控制保护等一系列环节的能量供应系统，能跟随负荷动态变化进行分布式发电调整，实现发电系统在并网和独立运行时保持供需平衡。

欧洲微电网项目（European Commission Project:Micro-grid）认为微电网是利用多种可再生能源，可选择使用不可控、部分可控、全可控三种类型的分布式电源，并配置储能设备，结合电力变换设备的控制调节，实现热、电、冷负荷供应的系统。

日本东京公司认为微电网是一种由分布式电源组成的系统，与大电网相连，由于供需之间的不平衡，微电网可选择与大电网联合运行或孤岛运行。三菱公司认为微电网是一种包含电源、热能设备及负荷的小型可控系统，对外表现为一整体单元并可接入大电网运行。

我国微电网的定义是：微电网包括多种分布式电源，并配置储能系统、控制系统、能量转换设备等模块而成的微型发电、输电、配电、用电系统，能实现自我控制、保护、管理的独立自治系统，既可以与大电网并网运行，也可以孤岛运行。

尽管世界各国对微电网的定义表达有所差异，但对微电网的组成、结构、功能及用途等方面的观点基本一致。太阳能、风能等可再生能源发电具有低碳、环保的特点，已成为我国解决环境问题、局部能源短缺问题的重要途径。太阳能、风能具有随机性、间歇性以及能量输出不稳定性等特点，影响发电系统的可靠性。储能电池可以有效补充发电系统的供应波动，也可以储存多余电能，改善发电系统的输出特性。

2 微电网的应用定位

基于分布式电源的分布特点，结合不同地区、不同类型负荷对供电质量的要求，微电网可分为如下几种类型：

(1)城市型微电网。城市微电网的服务对象主要是商业区、医院、居民区、宾馆、学校及办公大楼等，以提高供电可靠性和电能质量为主要目标，采用微电网技术可满足特定用户的电能质量需求。同时，城市面临巨大的环境压力，通过发展城市微电网不仅可以提高供电的服务质量，同时也能提高可再生能源发电的利用率，有利于减轻城市日益严峻的环境压力。

(2)大型企业微电网。石油化工、钢铁等大型能耗企业用电量较大，且对供电的可靠性、安全性有较高的要求，同时电力消耗所造成的成本较高。建设企业微电网，可通过能源的综合利用满足企业需求，降低能源成本，提高企业效益。这类微电网一般处于中压配电网等级，容量较大，分布于城市的周边。

(3)偏远地区微电网。主要包括草原、偏远山区、海岛、沙漠地带等对电力需求较低的偏远地区。这类地区往往是传统电网未能覆盖或处于大电网供电网络末端，供电可靠性及电能质量较差，供电能力弱且接入成本较高，建设微电网可弥补大电网集中式供电的局限性，解决这些地区的缺电和无电问题。这类微电网以独立运行为主，依赖于本地资源，进行分布式电源发电，以解决这类地区的供电难题。

我国传统的电网系统规模巨大，目前国家正大力推广对可再生能源的开发利用，因此微电网在未来电力系统中将占据很大的规模比重。

3 风、光、柴、储独立微电网的结构

风、光、柴、储多能源互补微电网是目前国内研究最广泛的一种形式，这种微电网系统充分利用了当地丰富的自然资源并形成互补，有效提高可再生能源的利用率并减少柴油消耗以改善环境，具有较大的经济效益和社会效益。

含风、光、柴、储多能源互补微电网的常见结构(见图1)。

图1 含多种可再生能源的微电网结构

上图中AC-DC总线型风、光、柴、储微电网系统是相对比较成熟的可再生能源发电系统。该系统利用太阳能电池、风力机等发电设备，将可再生资源转化为电能，供给负载，并将多余的电量储存在蓄电池中。当系统输出的电能未能满足用户需求时，逆变器系统将储存在蓄电池组中的直流电转换成交流电，利用输电线路送达用户负载处。蓄电池储能的主要作用是为了尽量消除由于气象因素而引起能量与需求间的供求不平衡。为避免系统供电的间歇性，系统配备了柴油发电机，柴油机的选择根据当地的自然资源和负载用电情况来确定。

该独立型微电网发电系统主要包括风力机组、太阳能光伏机组、蓄电池组、柴油发电机及控制系统、逆变器、整流器、负载等部分组成，各单元合理的容量配置是保证微电网系统可靠性和运行经济性的关键。

4 应用分析

崇明岛位于上海市区北部，是我国第三大岛。据气象观测站统计，崇明地区10米高度年平均风速为4．41m/s月平均太阳辐射量可达4．11W/（m·d），风能、太阳能资源比较丰富，适合建设可再生能源分布式微电网。（见图2和图3）。

图2 全年小时风速分布曲线图

图3 全年小时光照强度分布曲线图

本文以崇明岛某住宅小区为案例，该小区用电几乎全部为居民生活用电，日均用电量约为2132 kWh，峰值负荷约为261kW，小区全年小时负荷曲线（见图4）。

图4 全年小时负荷分布曲线

表1列出了不同类型和容量的电源配置组合的计算结果。可以看出，根据当地的自然资源条件，利用风、光、柴、储的组合方式发展微电网是合适的。如以投资成本最低设计的配置组合，可再生能源的发电比例达到86%，柴油发电机运行时间为2686h，相比于柴油发电机单独供电，运行时间减少了69%，可大大减少燃油的消耗量，以及燃油燃烧所带来的环境污染。

表1 不同配置下的计算结果

需要考虑的是，风力机组10台，光伏机组180kW，柴油发电机组300kW，蓄能单元400块（2V/1500Ah），逆变器150kW，这样的配置下，总净现值成本（NPC）在所有的组合中是最低的，但这并不一定是最合理的选择，需要视实际情况而定。比如，有的用户在对供电可靠性要求并不是很高的情况下，适度调整全年缺电率的约束，可有效降低运行成本；而有的系统配置总净现值成本略大，但在此种配置下，可有效避免蓄电池的频繁充放电，使蓄电池的使用寿命延长；或者可以有效地减少柴油发电机的运行时间，具有一定的环境效益。

同时，微电网系统配置的选择不仅由系统总净现值成本决定，也要根据实际情况，优先考虑特殊因素，并结合其它条件，如光伏电池的实际建设面积，储电池维护与保养等多方面因素进行综合考量来进行选择。

选取总净现值成本最小的配置（180kW光伏机组，300kW风力机组、300kW柴油发电机组、400块蓄电池）进行分析，柴油机只在少数时间段运行，全年工作时间2686小时，发电量占总发电量的14%。整个微电网系统大部分由风力发电机和光伏电池进行发电。当太阳能、风能发电严重不足和蓄电池放电也未能满足需求时，柴油机启动发电，从而保证居民用电安全可靠。

该配置下每月平均发电量和发电明细如图5和表2所示，该微电网系统风力发电量占比为66%，为主要电源；光伏发电占比20%，为辅助电源，柴油发电机占比14%，作为备用电源。可再生能源发电比例达到86%。

图5 每月平均发电量

表2 各机组发电量明细

参考文献：

金东，含多种分布式电源的微电网系统优化及运行研究[D]．上海：上海理工大学硕士学位论文，2017．