小区多微电网系统工程设计研究

摘要：为了提高发电接入和用户用电高效可靠性，提出了一种基于源荷和光储特征的小区多微电网系统工程设计。根据具体特征确定小区型多微网的设计目标并设置通用的多微网设计流程，并开展工程实例分析。研究结果得到：南区户子微网2的日光伏出力与负荷关系曲线，通过理论计算可知应配置50kWh的储能。日光伏出力随时间的变化和日负荷表现出相反的变化规律，日光伏出力在中午达到最大值。南区户子微网2的光储配置明显高于南区家庭型子微网1和北区照明子微网3，经实际调查南区户是居民集中区，人口较为密集，这验证了算法结果的准确性。

关键词：多微网；光储特征；用户用电；工程设计

为了应对当前化石能源储量不断减少以及由此引起的环境污染问题，世界各国都更加重视开发新的能源技术，尤其是一些高效的清洁能源引起了人们的日益关注［1－4］。由于许多分布式能源接入电网系统后会造成较大的波动性影响，此时便需要利用微电网对其整体供电系统实施全面整合，通过运用更加高效的运行管控方法，只有最大程度提升分布式清洁能源的利用率，才能使其发挥更大的作用［5－7］。由于微网技术应用范围不断扩大，随着该技术的不断成熟，形成了越来越复杂的微网结构，因此产生了大量的信息数据并且需要投入更多的监测设备，从而在一定程度上提高了对大型微电网实施数据与性能分析的难度［8－9］。为了尽量减小系统的运行复杂度，从而满足分布式发电的要求以及确保微电网的稳定供电，可以把微网分成许多子微网，再利用并联结构连接上述各个子微网已经成为微电网技术一个重要发展趋势［10－11］。现阶段除了有许多学者对多微网开展理论研究以外，国内也有一些企业建设了多微网的示范项目并取得了良好的效果。例如，文献［12］重点研究当前的各类多微网工程建设情况，并总结得到了该网络的几种典型运行特征，将其分成偏远地区、办公区、小区、工业园共四类应用模式。文献［13］选择鹿西岛建设工程作为研究案例，设计出了单海岛群联形式的多微网系统，并通过实验测试发现引入多微网结构可以使海岛以更加稳定的状态持续供电。文献［14］对工业园条件下的多微网特征进行了探讨，在此基础上构建了几种不同的多微网设计方式，同时选择了二个工程案例进行了分析，实现了工业园区供电稳定性及整体效率的显著提升。当前，用户侧不断接入越来越多的分布式光伏发电系统，因此更易形成小区型多微网的结构［15－16］。研究小区型多微网拓扑结构时，需要先对多微网的运行特点进行探讨，再根据具体特征确定小区型多微网的设计目标并设置通用的多微网设计流程，同时还应对储能结构与电气类型都进行综合考虑。再根据使用要求设计得到小区多微网的初期结构，并对流程准确性进行验证分析。

1源荷特征

1．1光伏及储能系统。为小区型空间构建多微网光伏系统时通常选择住宅房顶作为安装位置，由于实际安装得到的光伏系统具有不同的倾角，并且安装位置也存在明显差异，这使得各类房顶光伏系统将会在不同时间达到峰值状态，对每个微网功率进行控制时需要结合光伏出力特点进行适当调节［14－16］。为了使光伏系统能够以更小的波动性进行功率输出，并降低其对微网系统产生的冲击作用，通常选择综合运用光伏与储能系统的方式，利用储能系统来实现对整体系统功率的有效调节。当多微网以并网结构连接时，可以确保所有子微网组成功率最大的光伏系统，整体电力供应更加充足，在完成对储能系统的充电以外的剩余电力可以继续对电网进行售电。在光伏系统不能达到系统负荷的运行电力要求时，可以将大电网作为主电源对负荷实施供电。多微网发生离网后，所有子微网出力需在确保负荷运行条件外还要对储能系统进行充电。1．2负荷特性。本文选择南方某一家庭小区作为研究案例，由于该小区中的住户大部分都是属于早出晚归的生活方式，这使得小区多微网在一天时间内发生耗电量的大幅改变，如图1所示。从多微网的每天电量消耗特征分析可以发现，其通常表现为白天低负荷，夜间高负荷。从不同季节的用电情况分析可知，用电量最高的是夏季，其次为春季与秋季，最低的是冬季。根据供电稳定性的不同可以把小区型多微网用电负荷分成3种类型。重要负荷由基础负荷设备构成；可转移负荷表示能够被灵活调节的用电负荷，可以结合实际电价变化以及电网运行状态进行调节，显著提高用电时段的灵活性。在多微网保持离网运行状态时，需确保要负荷获得持图1小区型多微网典型日负荷特性续供电，如果无法提供充足的供电能力，则需要对用电效益以及停电损失进行综合分析，以此更加精确评价中断负荷造成的影响，也可以对转移负荷的实际用电阶段进行灵活设置。1．3运营特征。对于实际运营过程而言，多微网运营方发挥着重要作用，一方面维持系统的正常运行，另一方面要结合电网调度情况以最优化方式控制电网运行过程。通过建立规范化运营模式，尽量提高成本分摊与收益分配的公平性，确保大电网和用户间能够形成平衡的利益关系，如图2所示，使各主体间可以实现互利共赢并促进这一新能源系统的健康发展。因为在配置储能系统和建立微电网需较高的前期投入成本，导致整体收益率偏低，不能有效吸引家庭用户参与投资的过程。

2小区型多微网系统工程设计

在一个多微网系统中通常表现为一个区域内同时含有多个邻近微网。根据单独的微电网设计结构存在明显差异，进行多微网设计与建设时必须使其可以达到整体协调的运行状态，显著提高了设计的复杂性，具体设计流程如图3所示。当前用户侧不断接入更多的分布式光伏发电系统，这对小区型多微网的发展起到了明显推动的作用。相对于工业园区，大部分家庭小区使用的负荷更小，整体表现为较为平稳的特征，可以更好地承受电价变化。家庭小区中除了包含一些基本的用电设备之外，通常都是由家用电器组成，不需要达到很高的供电可靠性。考虑到小区型用户一天中会出现耗电量大幅波动的情况，形成显著改变的峰谷特征，由此导致电网峰值难以被高效控制，从而降低了电网的运行稳定性。本文重点分析了对此类多微网项目进行设计的过程。

3工程实例

以某小区作为研究对象，该小区主要由美式别墅构成，可将其归为家庭小区用电类型，现考虑在这一小区中建设多微网示范项目。在这一多微网项目中包含了3个子微网与1个分布式发电系统，每个子微网都能够以并／离网方式进行运行，而分布式光伏系统采用并网运行方式，该系统的具体架构如图4所示。之后根据此小区的实际用电数据，在满足安全性与经济性的基础上，对其实施了初步设计。3．1源荷分析。本研究中的小区处于沿海地带，具有明显的海洋性气候特征，可以达到1080h的年日照数，每月的日照统计数据如图5所示。小区内的用户住宅面积总共为400m2，经计算得到小区用户的负荷平均值等于13．8kW，满足源荷分布要求。3．2光储系统配置。为小区多微网系统配备储能系统与降低光伏系统波动图5某小区累年各月平均日照时间幅度，避免微网系统受到较大冲击，有效提升整个系统的运行稳定性。最后选择磷酸铁锂电池进行储能。储能电池选型和定容规划区域包括南区家庭型子微网1、南区户子微网2、北区照明子微网3。从供电的持续性角度考虑，应确保各子微网遇到故障问题的情况下依然可以保持10kW负荷工作2h。图6显示了南区户子微网2的日光伏出力与负荷关系曲线，通过理论计算可知应配置50kWh的储能。日光伏出力随时间的变化和日负荷表现出相反的变化规律，这负荷自然表达规律。日光伏出力在中午达到最大值，与中午阳光强度最大相关。综合考虑到储能与市场需求，需为北区子微网提供50kWh的储能系统以及10kW的储能变流器，具体见表1。由表1可以看出，南区户子微网2的光储配置明显高于南区家庭型子微网1和北区照明子微网3，经实际调查南区户是居民集中区，人口较为密集，这验证了本文算法结果的准确性。

4结论

1）在这一多微网项目中包含了4个子微网与1个分布式发电系统，每个子微网都能够以并／离网方式进行运行，而分布式光伏系统采用并网运行方式。经计算得到小区用户的负荷平均值满足源荷分布要求。2）南区户子微网2的日光伏出力与负荷关系曲线，通过理论计算可知应配置50kWh的储能。日光伏出力随时间的变化和日负荷表现出相反的变化规律，日光伏出力在中午达到最大值。3）南区户子微网2的光储配置明显高于南区家庭型子微网1和北区照明子微网3，经实际调查南区户是居民集中区，人口较为密集，这验证了本文算法结果的准确性。

作者:高强 周洪青 高骞 林芬