微电网规划关键问题与运行仿真

王有春，文闪闪，秦跃进，陶　芬，陈　聪，胡　畔

(1.湖北省电力勘测设计院，湖北武汉　430040；2.武汉大学电气工程学院，湖北武汉　430072)

Key Issues and Operation Simulation of the Microgrid Planning WANG Youchun1, WEN Shanshan1, QIN Yuejin1, TAO Fen1, CHEN Cong2, HU Pan2

(1.Hubei Electric Power Survey & Design Institute, Wuhan 430072,China;

2.School of Electrical Engineering，Wuhan University, Wuhan 430072, China)



微电网规划关键问题与运行仿真

王有春1，文闪闪1，秦跃进1，陶芬1，陈聪2，胡畔2

(1.湖北省电力勘测设计院，湖北武汉430040；2.武汉大学电气工程学院，湖北武汉430072)

0引言

随着科学技术的发展，供电需求趋向多样化，传统大型集中式供电已难以满足当今社会的需求。同时，由于能源与环境压力，世界各国均开始致力于新能源发电发展。为了保证分布式发电可靠入网、有效利用，并且最大限度发挥分布式发电技术在经济、能源和环境中的优势，学者们提出了使用微电网的概念解决上述各种问题与矛盾[1-2]。

微电网规划是微电网建设的基础，其规划水平的高低不仅直接影响到微电网自身的安全性、可靠性与经济性，而且随着微电网渗透率的不断增加，也会对大电网的运行产生深远影响。因此，微电网规划设计工作是微电网建设前期十分重要的环节[3]。

微电网规划过程中涉及的关键问题主要包括负荷预测、接入方式、电压等级和容量以及网架结构的选择等[4]。目前，微电网规划方法通常是先通过建立合理与完整的规划模型，然后利用智能优化算法寻找分布式电源与储能系统的最优配置。文献[5]采用十进制遗传算法，建立全寿命周期净费用、可再生能源利用率以及污染物排放水平的多目标函数模型，对独立海岛微电网进行设计。文献[6]建立以网损最小和年发电成本最低为目标函数的微电网规划模型，应用改进惯性权重的粒子群算法进行优化，提高了算法的收敛效率。

本文研究了包括负荷预测、接入方式、电压等级和容量以及网架结构的选择等关键点在内的微电网规划问题，并在PSCAD仿真环境下建立微电网模型及控制模型。仿真结果表明，该规划方法可靠实用，对工程实践具有一定的指导作用。

1微电网规划关键问题

1.1微电网负荷预测

微电网负荷预测是微电网能量管理系统的重要组成部分，也是微电网与大电网联合调度、实时控制、制定运营计划以及电网规划的重要依据[7]。目前，国内外学者已对配电网的负荷预测方法进行了大量研究，但对微电网负荷预测方法的研究甚少。

结合微电网的空间特性，可能适用于微电网的负荷预测方法有人均用电量法、人工神经网络法、负荷密度法和改进的负荷密度法。表1给出几种预测方法的思想及优缺点。其中人工神经网络法适用于超短期及短期负荷预测，人均电量法、负荷密度法、改进的负荷密度法更适用于规划阶段所需的中长期负荷预测。通过比较各种方法的优缺点，对于处于规划期的微电网，建议使用考虑各综合因素的改进的负荷密度法进行负荷预测。

表1　适用于微电网的负荷预测方法

1.2微电网接入方式的选取

根据是否与主网之间存在功率流动情况，微电网的接入方式可分为联网模式与孤网模式。其选择取决于以下几个因素：地理位置及技术要求、经济收益及运营成本、负荷需求及特点、该地区资源环境因素、政策导向等[8]。

表2为两种微电网接入方式的对比。对于海上孤岛、偏远山区等地，由于地理位置和技术的限制，实现与大电网并网运行十分困难，建议采用孤网模式实现网内电能的自给自足。微电网规划设计人员可以根据规划区域实际情况及资金状况选取合适的接入方式。

1.3微电网电压等级和容量的选取

确定微电网电压等级和容量时，要对微电网所辖区域内的负荷进行分类研究，由负荷预测结果制定负荷曲线，针对负荷密度、供电半径范围、负荷特性和所连配电网能承受的微电网最高渗透率等多方面因素，选择微电网的电压等级和容量。表3给出了微电网电压等级与容量的一般选取原则[9]。

表2　联网与孤网运行特点对比

表3　微电网电压等级与容量选取

微电网内各分布式电源到其所供负荷的距离相对较短，因此一般情况下微电网系统的电压等级为低压或者中压两个等级，与所连接的配电网相关，可从微电网容量、微电源容量、并网点注入电流及运行电压范围等角度确定微电网电压等级；微电网容量由微电网电压等级、输送距离等多方面因素决定，在尽量满足负荷要求的情况下，只要满足接入点的容量在最小接入容量和最大极限传输功率之间即能满足电压要求，设计时可根据所建微电网的实际情况确定。

1.4微电网网架结构设计

微电网系统中微电源、负荷性质以及电能质量要求等因素决定了微电网的结构。微电网网架设计的基本原则是保证微电网内能量守恒[10]：正常运行时DG容量与配电网提供的电能之和同微电网负荷容量匹配；微电网计划孤岛运行时，DG容量能够为重要负荷提供充足电能，在偏远乡村级微电网中还需额外提供备用容量。在满足基本原则的前提下，还需综合考虑地理位置、DG特性、负荷特性等诸多因素的影响，如图1所示。表4为微电网常用的3种网架结构的对比。其中并联结构适用于容量较大、负荷种类多、供电可靠性要求高的联网型微电网；串联结构则适用于电压等级低、负荷等级低、分布集中的孤网型微电网；而环形结构则主要应用在孤岛模式下，具有供电可靠性高、运行简便的优点。

表4　微电网各网架结构对比

图1　微电网网架设计基本要素

2微电网运行仿真

为了更好地理解上述微电网规划关键问题，本文在EMTDC/PSCAD仿真环境下建立了微电网模型。由负荷预测结果，设定负荷有功功率为150kW。由于自然资源限制，设定燃气轮机功率为40kW，光伏电源和风电功率分别为10kW、30kW，分布式电源总出力为80kW。负荷分为三级，分别为可中断负荷、可调节负荷和重要负荷。根据负荷供电要求，分别在不同负荷处建构不同的分布式电源，其网架结构设计如图2所示。根据前面所述，微电网电压等级选取380V，接入辐射状配电网馈线处，微电网的有功、无功出力均可调。

图2　微电网网架结构图

2.1微电网的控制策略

从系统的角度而言，微电网目前常用的控制策略有3种：主从控制法、对等控制法和分层控制法。主从控制法主要用于孤岛运行的微电网，这种方法可以支撑微电网电压和频率，但对主控单元依赖性强；对等控制法是一种基于下垂法实现电压、频率自动调节的方法，简单、可靠、易于实现，但以牺牲电压和频率的稳定性为代价；分层控制法一般设有中央控制器，向微电网中的分布式电源发出控制信息，可提供较高的电能质量。本文搭建的微电网模型采用主从控制和对等控制相结合的控制策略。图3为本文的微电网控制策略示意图。

图3　微电网控制策略示意图

2.2微电网功率交换模式研究

设定微电网在该过程中采用并网接入模式。仿真开始约1.5s后各机组开始稳定运行。假设0～4s时，微网并网运行；4～8s时，微网孤网运行；8～12s时，微网恢复并网。

图4显示了有功功率变化情况。并网转为孤网运行时，微网与主网之间的功率交换迅速降为0。8s时主网向微网输送的功率陡然增加，后又大幅下降，经过2s波动后稳定在-28.45kW。图5显示了频率变化情况。并网时，系统频率始终保持在50Hz左右，4s时系统频率瞬间下降至48.398Hz，而后上升至49.435Hz，随后保持稳定。8s后恢复为50Hz稳定运行。

图4　变动负荷条件下的有功功率变化情况

图5　变动负荷条件下的频率变化情况

2.3微电网频率稳定性问题研究

微电网规模较主网而言非常小，因此在并网运行时，微电网内部的有功功率由主网平衡，此时有功功率的波动对于主网可以忽略不计，因此，微电网在并网时的频率与主网保持一致。

设定微电网在该过程中采用并网接入模式。在3～3.9s时，有功负荷从120kW增长至140kW，并于6～6.9s从140kW降至120kW。图5显示了系统的有功功率变化情况，在1.5s后各机组达到稳定。

图6　变动负荷条件下的有功功率变化情况

由图6可知，有功负荷增加时，各机组输出有功功率保持不变，而与主网交换的功率由吸收49.3kW转为吸收69.3kW；而当有功负荷减少时，由主网吸收的功率又降为49.3kW，从而保持有功功率的平衡，这是由于并网运行时微电网内部的有功功率由主网平衡。图7显示了系统频率变化，可看出在并网运行时，由于主网的调频作用，频率均在50Hz左右波动，但会出现尖峰。

图7　变动负荷条件下的频率变化情况

2.4微电网电压稳定性问题研究

设定微电网在该过程中采用并网接入模式。无功负荷为60kvar，微型燃气轮机发出无功40kvar，其余机组发出无功为40kvar。在3～3.9s时，无功负荷从60kvar增长到70kvar，并于5～5.9s从70kvar降至60kvar。图8显示了微电网同主网间功率流动情况，2.5s后各机组达到稳定。由图8可知，微电网并网时各机组输出的无功功率保持不变，当无功负荷增加10kvar时，微电网与主网交换的无功功率由10kvar上升至20kvar(其中10kvar为系统无功损耗)，系统能保持无功功率的平衡。图9显示了系统母线电压幅值的变化情况，并网运行时无功负荷的变化不会引起系统母线电压幅值大幅变化。图10显示了并网时母线电压偏差状况，从图上可知其首端电压偏差不超过额定值的5%，仿真结果符合国家标准。

图8　微电网同主网功率流动状况

图9　负荷切换前后微电网电压稳定性

图10　微电网电压偏差

3总结

我国的微电网技术研究还处于起步阶段，一些微电网所包含的技术体系还有待进一步明确和完善。本文初步探讨了微电网规划的几个关键问题，得出以下几个结论：

① 对于处于规划期的微电网，建议采用改进的负荷密度法进行负荷预测；

② 对于海上孤岛、偏远山区等地，建议采用孤网模式实现网内电能的自给自足。

③ 微电网系统的电压等级一般为低压或中压两个等级，容量由电压等级、输送距离等因素决定；

④ 在保证微电网内能量守恒的前提下，选择网架结构时还需综合考虑地理位置、DG特性、负荷特性等因素的影响。

参考文献

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王有春(1983-)，男，工程师，从事电力系统规划设计方面的工作与研究，E-mail:785749870@qq.com；

文闪闪(1984-)，男，工程师，从事电力系统规划设计方面的工作与研究, E-mail:shanguang2008@163.com。

(责任编辑：林海文)

Key Issues and Operation Simulation of the Microgrid Planning WANG Youchun1, WEN Shanshan1, QIN Yuejin1, TAO Fen1, CHEN Cong2, HU Pan2

(1.Hubei Electric Power Survey & Design Institute, Wuhan 430072,China;

2.School of Electrical Engineering，Wuhan University, Wuhan 430072, China)

摘要：微电网的合理规划是实现其效益的基础。本文从负荷预测、接入方式、电压等级和容量以及网架结构4个方面对微电网规划的关键问题进行研究。利用电磁暂态仿真软件EMTDC/PSCAD建立了含微型燃气轮机、风力发电机、光伏电池等分布式电源的微电网模型及其控制模型，对微电网运行模式切换后功率变化、频率稳定性、电压稳定性等运行情况进行仿真。实验表明，上述规划方法对工程实践具有一定的指导作用。

关键词：规划；微电网；关键问题；PSCAD仿真

Abstract：Reasonable microgrid planning is the basic for the obtaining of benefit. Such key issues on microgrid planning as the load forecasting, access mode, voltage level and capacity, and grid structure are studied in this paper. By using the electromagnetic transient simulation software EMTDC/PSCAD, microgrid model with distributed generations that include microturbines, wind turbines and photovoltaic cells and its control model are built, and such cases as the power variation, frequency stability and voltage stability after switching operation modes are simulated. Experiments show that the proposed method has certain reference for engineering application.

Keywords：planning; microgrid; key issues; PSCAD simulation

作者简介：

收稿日期：2014-03-25

文章编号：1007-2322(2015)01-0008-05

文献标志码：A

中图分类号：TM743