基于微网的分布式风光储系统并网典型方案研究

王赛一 华月申 国网上海浦东供电公司顾辰方 上海电力设计院有限公司



基于微网的分布式风光储系统并网典型方案研究

王赛一 华月申 国网上海浦东供电公司
顾辰方 上海电力设计院有限公司

摘要：基于对国内外微电网实验室系统和典型示范工程的调研上，结合微电网自身特性和我国能源结构分析，阐述了微电网典型电源模式，研究并提出基于微电网的分布式风光储系统的典型结构，包括网络拓扑、微电网内部的电气接线网络结构、供电制式(直流/交流供电和三相/单相供电)、相应负荷和分布式电源所在微电网的位置等。并根据不同的微电网结构、所在地区，针对不同的外部电网，提出3大类，7小类的微电网典型并网方案。通过实际工程应用分析了以上典型并网方案。

关键词：微电网；分布式系统；典型并网方案

Research on Distributed Wind Power Solar Power Energy Storage System Grid-Connected Typical Solution Based on Micro Grid

王赛一：（1978-），男，博士，高级工程师，现任国网上海电力公司浦东供电公司发展策划部副主任，主要负责浦东地区配电网规划工作。

顾辰方：（1987-），男，硕士，工程师，现在上海电力设计院主要负责浦东地区规划工作。

我国的能源结构与负荷特性决定了西部、北部作为发电基地，中部东部作为负荷中心的电力工业发展特性。由此，通过长距离，大容量的输电通道连接发电基地及负荷中心的输电形式成为我国主要输电形式。但这种形式发生事故时事故容易扩散，且对于负荷中心的调峰问题造成较大压力。而大范围远距离的输电，调峰较难，因此，可以考虑从需求侧管理的角度解决。而灵活方便的分布式供电可以成为长距离，大容量供电模式的重要补充。但是普遍使用新能源的分布式发电受自然因素制约严重，这一因素直接导致了分布式电源、用电负荷、储能装置和控制装置等结合而成的微电网概念。

实际工程中，根据微电网构成电源的不同，微电网典型结构分类的不同，微电网建设地点，建设目的的不同，最后微电网的并网方式也不尽相同。如何快速有效地选择合适的微电网并网方式，对提高微电网实际工程的建设效率有着重要意义。

1 微电网典型电源分类

微电网典型电源主要分为单一电源、风光储联合发电、微型燃气轮机及联供类电源、生物质能微电网等多种类型。各种典型电源的适用范围、并网特点各不相同。

1.1单一电源类

对于可再生能源种类较为单一的某些地区，主要采取适合当地的可再生能源作为微电网基础电源，同时为满足不同的建设目的，配置不同的储能及辅助的其他新能源电源。一般来说，单一电源类地区主要以风电和光伏为主。

以风电为主的微电网，主要应用于我国西部，北部等风力资源为一类或二类，但较为偏远的地区。这类微电网主要用于向当地供应电力，作为大电网的重要补充。

此外，东南沿海省份，虽然处于风资源较弱的三四类地区，但经济发达，电力市场成熟，也形成了很多以风电为主的微电网，但这类微电网容量较小，且往往配有光伏，储能等其他能源，主要以科学研究为主。一般以这种形式建立的微电网，均采用并网型，需要大电网支援。

与风电型微电网类似，以光伏为主的微电网也分为并网型和离网型两种。离网型光伏微电网为了解决晚上无阳光的问题，主要通过配置储能设备满足晚上的电力需求。限于成本，离网型光伏微电网所供负荷往往较小，且对供电可靠性要求不高。

并网型光伏微电网一般不配置或少量配置储能，配置目的主要为改善电能质量。建设地点则为电网较强的城市，而且往往与建筑相结合，避免占地过多，比如在公共设施、商业建筑及工业厂房屋顶等安装并网光伏发电系统。

1.2风光储联合发电类

风光储联合供电微电网是指以光伏发电和风机发电为主要功能形式的微电网。在某些地区，风光储微电网可以结合风电及光伏发电的特点，形成优势互补。比如，风力发电往往白天发电少，夜间发电多，而光伏正相反。风光结合可以在某种程度上减小微电网电源的波动性。

但是，风光优势互补并非所有项目均适用，为在更广泛的范围内体现风光互补，同时微电网的电能质量需要满足其他要求，需要配置一定量的储能设备，可以解决这类问题。

但风光储微电网由于配置了一定量的储能装置，成本往往较高，为了能最大程度削弱成本过高的开发压力，这类微电网往往在风光资源相对较好，电力市场较为成熟，经济发达的地区作为试点开发。成本的因素限制了风光储微电网在一般地区的开发潜力。

1.3微型燃气轮机及联供类电源类

微电网实际建设时，除风光储等应用范围较广，相对成本较低的电源外，也有其他类型电源。

目前我国诸多城市均开发工业园区、高科技园区，这类园区往往有较为稳定的冷热负荷需求。燃气轮机具备单位功率费用较低，环境友好，能源利用率高等特点，因此，燃气轮机成为提供园区冷热电联供的中坚力量，在我国北京，上海等地区已有大量应用实例。

燃气轮机最大的优势在于能源利用率高。通过充分燃烧天然气推动汽轮机发电，直接利用废气供热或通过溴化锂机组制冷，以满足冷热负荷需求，提高能源利用率。但是限制燃气轮机的主要因素在于气源的落实。我国天然气储量分布不均，西气东输工程对于东部大中城市天然气供应有限，且价格往往较贵。因此目前燃机系统利用场合较少，仅限于天然气供应相对较为充足的大城市，且一般均为并网型电网，仅用来供应冷热负荷。

1.4生物质能

生物质能分为多种，包括木材碎屑、秸秆、沼气、生活垃圾等等。我国资源丰富，不同的地区也适用于不同的生物质能。比如，林业较为发达的东北部地区，可以利用采伐剩余碎屑作为生物质发电原材料。中东部农业较为发达的省份，适合以秸秆，粮食加工残渣等作为生物质能发电的原材料。而广大农村地区，适宜发展畜禽养殖废弃物沼气发电等，并同时采用生活垃圾和农作物秸秆等生物质能，以这些供能系统为基础发展微电网。

2 微电网典型结构分类

微电网从结构上可以分为交流微电网、直流微电网及交直流微电网3类。

图1　基于CERTS系统的微电网典型结构

2.1交流微电网

交流微电网目前还是微电网主流，以成熟交流电网为基本网架结构，在负荷侧进行负荷及微电网电源分配，成为交流微电网的雏形。

图1为CERTS提出的微电网结构。此类微电网结构主要用于交流微电网。交流微电网所供负荷划分主要依据供电可靠性要求，对于供电可靠性要求较高的负荷，可以通过A馈线供电，有储能装置的支撑。对供电可靠性要求一般的，可以通过B馈线供电，该馈线上安装一定量分布式电源供电。其他负荷可以由馈线C供电，并网状态下由大电网供电，离网运行时，这种负荷可以切除

在实际工程中，完全符合这种基于CERTS系统的交流微电网形式相对较少，更多的交流微电网结构往往采用如图2形式的结构。

这种结构下，主微电网通常可设置为一个10kV的开闭所作为网架结构基础，开闭所母线间母联开关一般情况下断开。一级微电网可以由该开闭所下的环网单元、配电所等构成，由开闭所两段母线分别提供电源。二级微电网可以由用户内部配电房构成，由开闭所或环网单元，配电所分别供电。

图2　常用交流微电网典型结构

2.2直流微电网

对于分布式电源较多，负荷较小的情况，可以选择直流微电网。采用直流微电网，可以大量减少交流微电网中大量使用的变流器，使分布式电源中的电力直接由直流负荷消纳。结构更为简单，损耗更小，效率更高。直流微电网一般可以分为以下四类：

（1）单母线结构

单母线结构直流微电网结构简单，易于扩建。且可以直接为家庭负荷供电，终端易于现有交流户用电网联系。如图3所示。

（2）双层式母线结构

双层母线结构的直流微电网，兼顾了高低压直流负荷的用电需求。与户用交流系统联络的电压等级较高，较低电压等级主要用于小容量负荷的供电，并根据负荷需求合适选择分布式电源接入。这种结构可以提高负荷的安全性。如图4所示。

（3）双母线结构

双母线结构与双层母线结构最大的不同在于双母线结构两条母线均为主干网络，电压等级可以选择380 V或220 V，均可以通过整流逆变设备与户用交流网联络。而双层母线结构仅一条母线为主干网与交流网联络，第二层网络为一些简单负荷，直接由分布式电源供电。如图5所示。

（4）单环网结构

一般来说，低压用户采用放射式接线，由外部电网保证供电可靠性。但考虑到部分地区采用离网型微电网，为保证这类微电网负荷的供电可靠性，可以考虑尝试在微电网中采用环网形式，从网络结构层面加强可靠性。如图6所示。

2.3交直流微电网

混合型交直流微电网通过交流系统与户用交流网络相联系，通过逆变器与直流微电网联络。这种微电网结构灵活，适用于各类负荷。如图7所示。

但是这种微电网结构相对复杂，相对建设成本较高。

图3　单母线直流微电网结构

图4　双层母线直流微电网结构

3 微电网典型并网方案

综上所述，微电网结构灵活，适用面广，不能仅针对某一种电网、负荷情况提出微电网并网方式，应根据周边电网、负荷类型或负荷需求等边界条件，考虑不同边界条件的微电网并网方案。下面以外界电网的不同为基础约束条件，以并网目标，所供负荷为边界条件，提出适应于不同边界条件的微电网典型并网基础方案，实际工程时，可根据业主方面不同需求，组合各类基础方案。

3.1城市电网

3.1.1并网目标

城市电网包括市区，周边近郊，工业园区，高科技园区等电网相对较为发达的地区。在区域内，不同地区往往建设微电网的初衷不尽相同，总的来说分为以下几种类型：

（1）提高供电可靠性。这种并网目标往往是最常见的，对于城市电网的末端地区，往往会存在此类要求，特别是某些位于城市周边的轻重工业负荷。在这种情况下，企业一般考虑自备电厂或小型发电设备，当外界电网故障情况下，自备电厂启动，为负荷供电。

（2）采用能源联供方式提高能源利用率。这种并网目标在高科技园区或者工业园区内比较常见。采用这种并网目标的地区一般冷热电负荷距离较近，冷热负荷相对比较明确，在有电网为负荷供电的条件下，利用联供系统，一方面满足自身冷热负荷需求，另一方面提高能源效率，依靠相关政策一定程度上提高经济性。

（3）利用微电网消纳分布式电源，减少用电量或提高房产附加值。这种情况在城区内或小范围工业厂区内利用较多，多使用屋顶建设，从而限制了此种微电网的容量规模。总的说来，这种微电网形式多变，小容量多布点的特点比较明显。

图5　双母线结构直流微电网结构

图6　单环网结构直流微电网结构

图7　交直流微电网结构

3.1.2典型负荷

电网结构属于城市电网的区域，一般为城市、商业区，高科技园区或轻重工业区，负荷类型主要为工商业负荷、城区负荷等。

对于工业负荷，量大稳定是其两个最突出的特点。此外，对于工业园区、高科技园区，工业负荷往往与商业负荷，居民负荷共存。在这种园区内供电系统与居民负荷比较相似，但相对于居民负荷，园区内负荷特性峰谷差较小，曲线更为平缓。

城区负荷包括内容较多，一般主要指服务业，表现在大型商厦、高级写字楼、宾馆等负荷。一般情况下，大型商厦、高级写字楼负荷特性主要表现为负荷曲线峰谷差较大，曲线较为规律且负荷稳定，每年变化不大，其用电高峰时段和电网总体负荷的高峰较为重叠，且与夏季、冬季温度变化关系较为密切。对于宾馆来说，由于宾馆入住率不确定，因此宾馆日负荷曲线较为不确定，但在工作日及节假日，旅游旺季及淡季之间差别较大。

3.1.3典型并网方案

针对以上城区微电网建设目标，负荷特性等基本前提，提出城区电网微电网并网典型方案：

（1）方案1A

本方案建设地点为工业园区或其他有需求的场所，且并网主要目标为提高负荷供电可靠性。微电网电源以柴发系统或燃气轮机等可以稳定输出电力的电源为主，为对供电可靠性要求较高的负荷供电，同时采用部分风光储系统为辅助，以适当降低柴发系统或燃气系统燃料成本。微电网采用交流系统并入厂区内原有电网系统。

方案1A的典型并网方案如图8所示。对于这种类型的微电网，柴发系统直接与重要负荷接入同一馈线，保证在外部电网断电时能够及时为重要负荷供电。

（2）方案1B

本方案建设地点位于工业园区或高科技园区，并网主要目标为提高能源利用率，利用能源联供方式解决园区内供冷供热问题并兼顾供电可靠性。微电网电源采用以燃气轮机为主的联供型同步机组，辅以小容量光伏、风电及储能装置，可以采用交流系统或交直流微电网系统并入电网。

图8　微电网典型并网方案1A

图9　方案1B典型并网方式一

方案1B与方案1A主要区别在于方案1B为以热定电方式，主要保证厂区内供热供冷，在保证冷热负荷的基础上，保证部分电负荷。因此，该类微电网中电负荷的供电可靠性只能兼顾，无法保证。

此外，方案1B可以直接选择直流系统为重要直流负荷（如中央机房）供电（如图9），也可以选择交流系统兼顾其他负荷（如图10），结构上与方案1A有较大差别。

（3）方案1C

本并网方案建设地点位于城区各建筑屋顶或周边空地，并网目标为消纳分布式电源，小规模应用，提高房产附加值。微电网电源类型主要考虑采用光伏、风电等单一电源，或采用风光储联合发电、化学燃料电池等类型电源。利用房屋原有交流系统并入电网。如图11。

3.2农村电网

3.2.1并网目标

农村地区微电网并网目标总的来说分为以下两种类型：

（1）提高供电可靠性。农村电网地区电网结构薄弱，各类用户位于电网末端，电能质量、可靠性较差。在这种情况下，利用微电网加强农村电网用户侧供电可靠性及电能质量，可以作为对公用电网的有效补充。

（2）利用农村自然资源，发展分布式电源。农村可再生资源较多，包括风力，光伏，水力，生物质，柴发系统，微型燃气轮机、柴油机、氢能等。各农村用电负荷限于地理环境的不同，微电网电源选择各不一样，原则上考虑最大限度利用农村自然资源，分布式电源的位置一般需靠近负荷，产生的电能就地消纳，作为电网末端的有力补充。

图10　方案1B典型并网方式二

3.2.2典型负荷

农村负荷特性分析同样包括各类农业、工业、公共设备和居民用电设备的特点。一般来说，农村地区负荷是农业，工业或村民居住/公共设施等三类负荷的组合，组合负荷体现出季节性较强、年最大用小时数较低、负荷密度较小及功率因数低等多个特点。

3.2.3典型并网方案

在农村电网方式下，微电网建设目标主要为提高供电可靠性、最大程度利用农村地区丰富的可再生能源。建设地点则主要在住宅附近空地、屋顶等地点。综合上述各类微电网并网目标及建设地点，归纳总结出如下几类农村电网方式下并网典型方案：

（1）方案2A

本方案建设地点为农村居民或公用建筑的屋顶，且并网主要目标为最大限度利用地区周边分布式电源。微电网电源采用风光储系统、小容量生物质电源或柴发系统，容量考虑多用户级或单用户级，根据配置容量大小，采用交流或直流系统并入房屋原有电网系统。如图12、图13。

（2）方案2B

本方案建设地点为农村地区周边空余土地或沿海滩涂等正常农业生产无法利用的区域，且并网主要目标为利用微电网加城市电网末端结构。微电网电源采用生物质电源、风光储系统，一般采用交流系统并入该地区原有电网系统。如图14。

3.3无电地区或孤立电网

3.3.1并网目标

这种电网系统比较薄弱，多采用单电源放射式结构，馈线之间无联络或联络较少。但往往新能源丰富。对于无电地区或孤立电网地区，微电网并网目标总的来说分为以下几种类型：

（1）为无电地区提供电力。在这种并网目标下，可以采用分散式或集中式并网方式。分散式利用风光储系统、小型柴发系统等，安装于每一用户屋顶或周边空地，利用交流或直流直接为用户供电，各用户彼此之间没有电气联系。集中式以一个村庄或几家用电负荷为一单位，在空地中建设多用户级别的风光储、柴发系统等，同时配套建设配电网，利用交流系统为各用户提供电力。

（2）提高供电可靠性。以这种并网目标建设的微电网主要位于某些海岛地区。负荷类型包括简单民用、商用及特殊的军事负荷。军事负荷主要为海防或海洋监测、雷达等对供电可靠性要求极高的负荷。鉴于这类负荷，仅靠出力不够稳定的可再生能源无法满足这类负荷需求，还需要考虑配置柴发系统、UPS等电源为军事负荷提供电力。对于一般的岛内居民商业负荷，采用一般可再生能源作为微网电源即可。需要特别指出，离网型微电网由于没有大电网的支撑，尤其需要注重电能质量的要求。

3.3.2典型负荷

无电地区负荷需求相较上文城市电网及农村电网较简单。一般说来，无电地区工业负荷，商业负荷较少且对供电可靠性要求不高，绝大部分负荷均为居民负荷，包括电灯、电扇、电视、收音机、少量电脑、水泵等，对电能质量、供电可靠性要求不高。仅个别情况下需要考虑军事负荷。

图11　方案1C典型并网方式

图12　方案2A典型并网方式一（交流结构）

图13　方案2A典型并网方式二（直流结构）

3.3.3典型并网方案

（1）方案3A

本方案建设地点为负荷需求地区各房屋的屋顶及周边空地，并网目标为负荷提供电力，负荷为简单的家用电器。微电网电源以风光储系统为主，个别需要提供长时间电力的负荷（如冰箱）可以加配小型柴发系统。采用交流或直流为用户供电。如图15、图16。

（2）方案3B

与方案3A类似，本方案建设地点为负荷需求地区周边空地，并网目标为负荷提供电力，负荷为简单的家用电器。微电网电源以风光储系统为主，个别需要提供长时间电力的负荷（如冰箱）可以在用户侧加配小型柴发系统。

与方案3A不一致的是，方案3B通过集中式为该地区所有用户供电，同时，兼顾无电地区网架规划，采用交流为用户供电。如图17。

3.4方案总结

本文提出了三大类，七小类微电网基础典型并网方案，现总结如表1。需要指出的是，在实际工程中，这七类基础方案并不能涵盖所有需求，一般需要进行组合，选择合适的并网组合方案。

图14　方案2B典型并网方式

图15　方案3A典型并网方式一

图16　方案3A典型并网方式二

4 实例分析

4.1实例1

（1）并网目标

实例1为上海电力学院微电网项目，并网目标为科学技术研究，兼顾能源的最大化利用并提高负荷的供电可靠性。本工程充分利用校园内的楼顶以及空旷地带安装一定容量的光伏发电与风力发电系统，并接入燃气轮机、储能装置、电动汽车充电站，与大电网一起为院内负荷供电。同时，建设智能用电系统，在研究生宿舍楼实现智能用电双向互动。

（2）典型并网方案

本项目并网目标为科学技术研究，兼顾能源的最大化利用并提高负荷的供电可靠性，因此考虑应用较多类型的微电网电源。本微网分布式电源包括多种类型，有光伏发电组件、风力发电机组、微燃机组和柴油发电机组。本项目位于上海市区，周边电网属于城市电网，且本项目目的为搭建一套功能完善的微电网系统，以科研需求为主，兼顾实现光伏、风机可再生能源的最大化利用，因此考虑基础方案为方案1A及方案1C，将两者方案结合，既满足提高供电可靠性的要求，也可以满足多种微电网电源综合使用带来的科研价值，使本项目满足多负荷、多电源的科研要求。如图18所示。

图17　方案3B典型并网方式

表1 微电网典型并网方案总结

方案编号　　适用并网目标　　适用负荷需求　　电源选择　　并网方式　　备注1A　　提高供电可靠性　　不可断电负荷、对电能质量要求高　条件允许下可选择燃气轮机、生物质机组　　交流　　若负荷对电能质量要求不高，可以将柴发系统替换为风光储1B　解决冷热负荷需求，兼顾供电可靠性柴发系统为主，加配少量风光储系统，电负荷兼顾　　燃气轮机为主，加配少量风光储　　交流、直流　　以热定电，无法保证供电可靠性1C　　消纳分布式电源　　普通居民、商业等负荷　　单一电源或风光储、燃料电池等为主电源　　交流　-2A　　最大限度利用分布式资源冷热负荷必须满足，普通居民、商业等负荷风光储系统、生物质电源为主，条件允许时加配柴发等　　交流、直流　　与1C区别主要在于电源选择2B　　利用微电网加城市电网末端结构　条件允许时加配柴发等　　交流　　容量较大，利用生物质电源等加强末端电网3A　　为无电地区供电　　简单居民用电　　风光储为主，个别重要负荷配置柴发系统　交流、直流　-3B　　为无电地区供电　　简单居民用电　　风光储为主，个别重要负荷配置柴发系统　　交流　　与3A区别在于集中式供电，风光储容量较大普通居民、商业等负荷风光储系统、生物质电源为主，

4.2实例2

（1）并网目标

本项目为西非多哥无电地区微电网项目，微电网并网的目标为向村庄内急需用电的负荷供电。

（2）典型并网方案：

本项目并网目标为无电地区供电，在这种并网目标下，可以采用分散式或集中式并网方式，分散式利用风光储、小型柴发系统等，安装于每一用户屋顶或周边空地，利用交流或直流直接为用户供电，各用户彼此之间没有电气联系。集中式以一个村庄或几家用电负荷为一单位，在空地中建设多用户级别的风光储、柴发系统等，同时配套建设配电网，利用交流系统为各用户提供电力。

本项目经过业主选择，最终选择集中式供电方案（即基础并网方案3B），考虑在每一村庄的空地中建设一座光储电站，并在村庄中规划建设10kV电压等级的交流配电网，为各用户供电。本工程微电网建设容量随村庄大小，负荷需求变化，典型并网方案如图19所示。

并网方案中充分考虑了本工程所有负荷对于供电可靠性的需求，水泵仅在一天中使用两次，对供电可靠性需求较低，路灯白天不开启，夜间仅开启部分，起到基本照明作用，可以随时断电，学校中没有高级用电负荷，用电负荷仅电扇及广播。居民负荷中主要为电灯、电扇、收音机等小功率用电设备，因此以上负荷对供电可靠性要求均较低，仅通过光储电站供电，不再考虑其他电源。医院负荷中包括冰箱负荷，需要长时间提供低温以储存药品，对供电可靠性要求较高，因此微电网并网方案中考虑加配柴发系统以应急供电。

5 结语

针对我国微电网结构及并研究，在前期介绍微电网主要电源类型及微电网典型结构的基础上，以并网目标，所供负荷为边界条件，提出共三大类，七小类，适应于不同边界条件的微电网典型并网基础方案。最后介绍了在实际工程中微电网基础并网方案的应用。可以看出，本文提出的典型并网方案具备较好的工程实用性。

图18　实例1典型并网方案

图19　实例2微电网并网方式

Wang Saiyi, Hua Yueshen State Grid Shanghai Pudong Power Supply Company
Gu Chenfang Shanghai Electric Power Design Co.,Ltd

Abstract:Based on survey of domestic and overseas laboratory system and typical demonstration projects of micro grid, the article describes typical power mode of micro grid combined with micro grid self characteristics and analysis of energy structure in China.It puts forward typical structure of distributed wind power solar power energy storage system based on micro grid, including network topology, electrical wiring network structure inside micro grid, power supply system (DC/AC power supply and three-phase/single phase power supply), location of corresponding load and distributed power grid in micro grid etc.It suggests 3 categories, 7 sub-categories typical micro grid-connected solution based on different micro grid structure, location and outside power network.Finally it analyzes above solutions through practical applied grid-connected projects.

Key words:Micro Grid, Distributed System, Typical Grid-Connect Solution

[作者简介]

DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.03.009