微电网不同负荷特性下电源规划浅析

魏燕

（中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，西安 710075）

分布式发电、多种形式的新能源发电，具有能源利用效率高、安装地点灵活等特点。随着分布式新能源电源和分布式电源数量的不断增多，微电网成为解决分布式新能源发电增量的有效手段。

微电网是由分布式电源、用电负荷、配电设施、监控和保护装置等组成的小型发配用电系统。从负荷侧来看，微电网可以是一个自治的电力系统；从大电网侧来看，微电网和大电网中的发电厂或负荷一样是一个独立的整体。典型的单电压等级微电网结构见图1。

图 1 典型的微电网结构

1 微电网的主要电源形式及特征

微电网中常用的分布式电源按照其出力特性可以分为2类：（1）具有可调控出力特性的燃料电源，如柴油发电机、内燃机、微型燃气轮机、燃料电池等；（2）具有间歇性出力特性的新能源电源，如风力发电、光伏发电等。储能电池在微电网中也按一种电源形式进行设计。

1.1 燃料电源特性

燃料电源类电源的主要特性包括最大、最小电能输出，燃料输出成本等。以柴油发电机为例：

燃料电源的燃料消耗成本可以表示为输出功率的二次函数：

1.2 新能源电源特性

1.2.1 光伏电源特性

光伏发电系统的输出功率由辐照强度和环境温度共同决定。

光伏发电输出功率可按式（2）计算：

其中，辐照强度It可以根据HDKR模型计算得到：

式中 Ibt、Idt、Irt是 It的 3个分量，分别对应辐照强度的直接分量、天空散射分量与地面反射分量，kW/m2；Ib、Id分别为t时段的直接辐照量与天空散射辐照量，kW/m2；A=Ib/I0，I0为t时段的地外水平辐照量，kW/m2；RB为斜面束辐照与水平面束辐照之比；β为电池板的安装倾角；，I为t时段的当地总辐照量，kW/m2；kt为t时段的天空晴朗指数，可以根据历史数据或通过随机分解法模拟得到；ρ为地面反射系数，一般取0.2。

1.2.2 风力发电特性

风机的输出功率由其轮毂高度的实际风速和功率转化特性共同决定。若有月平均风速，可结合相关统计学参数(Weibull形状因子、自相关因子、昼夜模式强度和峰值风速时间)拟合生成全年详细风速数据。

风电功率转化特性曲线的典型数学表达式如下：

式中Pwt(vt)为风速vt对应的风机出力；为风机额定出力，kW；vci、vco与vr分别为风机的切入风速、切出风速与额定风速，m/s。

1.3 储能装置特性

根据净负荷正负情况不同，储能装置存在充电、放电和闲置3种状态：

经过放电过程，储能装置的荷电状态（剩余储能容量占额定储能容量的百分比）将发生相应变化：

式中SOCt为t时刻的荷电状态；为 t时刻的储能容量；ηdis为储能装置的放电效率；σ为储能装置的自放电率。

充电后储能装置的荷电状态变化情况如下：

式中ηch为储能装置的放电效率。

为了减缓储能装置的容量损耗，延长其循环寿命，需要对储能装置的充电上限及放电深度加以限制：

式中DODmax为储能装置的最大放电深度；SOCmax为储能装置的储能容量上限。

2 电力电量平衡计算

2.1 微电网电量平衡计算

由于风电和光伏电源出力具有较强的间歇性，很难与用电负荷完全匹配。为了维持微电网在长期运行中的自治能力，需要启动可调度分布式电源与储能装置进行调节，以削减不平衡功率。为了实现功率调节采用两种典型的微电网运行策略：

为了充分发挥储能装置的削峰填谷作用，应结合负荷特性分析采用分时充放电运行策略。

（2）分时充放电策略：储能装置在日负荷的峰平谷时段遵循不同的充放电策略。在峰时段，按照负荷跟随策略削减净负荷；在平时段或谷时段，若新能源电源出力不足，优先启动燃料电源向用户供电。当燃料电源发电容量充足时，在满足用电需求之余提高出力向储能装置充电；当燃料电源发电容量不足时，通过储能装置放电填补功率缺额。

2.2 电量平衡约束条件

对微电网运行考虑以下7个约束条件来进行电力电量平衡分析：

（1）电力平衡约束

各时段系统发电量与PCC点交换电量之和应与用电负荷相匹配。

（2）备用容量约束

当微电网处于并网运行状态，备用容量由可调度燃料电源和上级电网共同提供；当微电网处于孤岛运行状态，备用容量仅由可调度燃料电源提供。

（3）新能源发电约束

各时段的风电、光伏的发电量受到实际的装机容量及实时风光资源情况约束。风电或光伏在某一时段的最大可用容量，可通过1.2节中计算公式进行计算。

（4）燃料电源发电约束

燃料电源作为可调度发电资源，能够在新能源发电出现间歇性不足时为微电网提供功率支持。由于小型燃料电源具有响应速度快、启停成本低等优点，在此做简化处理，不考虑启停约束、爬坡约束等约束条件，仅对其输出功率上下限加以限制。

（5）能量型储能装置运行约束

通过简化处理能量型储能装置的通用模型，仅考虑充放电功率约束、储能荷电状态与充放电功率的时序耦合约束、分时段荷电状态约束约束及储能初始荷电状态约束。

（6）微电网购售电约束

当微电网出现供电不足时，作为负荷以售电电价从上级电网购电；当微电网发电量过剩时，作为电源以新能源上网电价向上级电网售电。为了确保微电网的自治运行能力，还须对微电网的年购、售电量加以约束。

（7）可中断负荷约束

当系统发电容量不足时，将优先切除可中断负荷，保证微电网中重要用户持续供电。

3 算例分析

根据燃料电源，新能源电源，储能装置的特性分析，结合微电网电量平衡策略及其约束条件，以某一区域负荷为例，在不同边界条件下计算电源规划，算例如下。

3.1 计算条件

以某供电区域为例，该区域最大负荷10MW，其中一般工业负荷6MW，酒店类负荷4MW。两种负荷类型按相应容量拟合出全年负荷曲线得出本区域全年综合负荷曲线见图2，该地区的风速及光照曲线数据见图 3，图 47。

图2 某区域全年负荷曲线

图3 某区域全年风速曲线

图4 某区域全年光照曲线

项目约束条件设定新能源渗透率为50%，其中年购入、出售电量比例上限均为50%。设定值见下表：

表1 微电网约束控制条件

3.2 计算结果及分析

设定允许与电网交换功率值上限及新能源设备的年利用小时数，则得出电源规划结果如下表：

表2 电源规划结果

对表2数据分析可知，第1，2种工况，增加允许电网输入的最大功率可以减少燃料电源的容量配置，在满足新能源消纳的基础上能够降低燃料电源的部分投资；第 4种工况为孤岛方式，不允许弃风弃电，需增加一定燃料电源的容量，以保证负荷的平衡；第 6，8种工况只允许向电网输出功率，电源的规划容量均大于其他条件下的规划容量。

4 结语

从算例及其结果分析汇总可以看出，保证微电网与大电网的一定的联系，在电价合理的条件下有利于降低微电网的初期投资。因此在进行微电网设计及内部电源规划时，应充分考虑各种电源特性的合理配置，与大电网协调一致，取得技术经济最为合理的微电网配置方案。