微电网结构模式

　　一般来说微电网结构模式指的是网络拓扑的设计，具体包括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节点位置等等。微电网是一种将各种分布式发电组合起来为当地负荷提供电能的中、低压小型电网，能在并网和孤岛两种模式下运行，它能提高负荷侧的供电的可靠性。其供电模式可分为交流型、直流型以及交直流混合型。

　　背景

　　能源是现代社会和经济发展的动力，是人类生命存在和繁衍的生命线。传统化石能源的逐步耗竭，使能源危机已逐步逼近。在能源需求和环境保护的双重压力下分布式发电技术获得了越来越多的重视与应用。微网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控系统、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。将分布式发电以微网的形式接入到大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电系统效益的有效途径。微网在实际运行中需要解决的关键问题之一就是控制问题.作为微网控制策略的实现载体，微网实验系统的建设格外令人关注。欧盟的第五、第六和第七研究框架分别资助的微网：大规模分布式电源接入低压电网，作为微网相关项目的研究成果，各种微网实验系统的建设体现了世界范围内对微网不同结构特征及控制模式的探索，对现有的微网示范工程按区域进行了综述1。

　　国内外微网的定义

　　总体来看，微电网不同于传统孤立电网系统，其中采用了大量的电力电子器件进行控制，也采用了大量清洁高效的可再生能源。简单地说，微电网在配电网侧相当于一个可控单元，在用户侧相当于可定制的电源，正常情况下与并网运行，当电网发生故障进入孤岛模式运行。传统意义上的电力系统包含七大领域，即发电、输电、变电、配电、用电、调度、通信;而微电网中包含了六大领域，即发电、储能、配电、用电、调度、通信。微电网作为集电能收集、电能传输、电能存储和电能分配于一体的新型电力交换系统，可以成为大电网的有力补充和支撑，有益于提高现有电网运行的可靠性和经济性。

　　国外微电网定义

　　目前国内外对于微电网尚未有明确的定义，美国的电气可靠性技术解决方案联合会(CERTS)中认为微电网是一种由负荷和微电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热能并满足用户对电能质量和供电可靠性的要求，由电力电子器件负责能量的转换并提供必须的控制，微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元。欧盟对于微电网的定义为利用一次能源并使用微型电源，可实现冷，热，电三联供，利用电力电子装置进行能量调节，配有储能装置，并可在并网和独立两种方式下运行2。日本对于微电网的研究是基于新能源的开发利用以缓解能源紧张问题，其对于微电网的定义是指在一定区域内利用可控的分布式电源，根据用户需求提供电能的小型系统。

　　国内微电网定义

　　随着微电网研究的进展，国内相关机构也开始进行微电网定义的探讨。国网电科院的专家认为，微电网应是以一组分布式发电为集群分割网络，通过适当的管理和控制改善原有网络，并协调这些分布式电源运行，因此适用于我国的微电网定义应当是以分布式发电技术为基础，以靠近分散型资源或者用户的小型电站为主，结合终端用户电能质量管理和能源梯级利用技术形成的小型模块化、分散式功能网络。

　　微电网典型结构模式

　　微电网结构模式的确定是进行微电网规划设计的前提条件，结构模式的选择对微电网具体接入电网的电压等级和容量规划以及具体分布式电源的选择会产生较大影响。一般来说微电网结构模式指的是网络拓扑的设计，具体包括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节点位置等等3。

　　交流微电网结构模式

　　交流微电网在目前国内外所采用的微电网中仍为主流，交流微电网不改变原来的电网结构，适合运用在将原有电网改造为微电网网架结构中。

　　参考CERTS提出的微电网结构得到一类典型低压微电网结构模式如右图所示。该微电网有3类对供电质量有不同要求的负荷，即敏感负荷、可调节负荷、可中断负荷。馈线C上是一般负荷，正常情况下微电网与大电网并联运行，当主网出现故障时静态开关将断开，成独立运行的系统，当电网恢复正常以后，微电网又可与主网重连，恢复并网运行。

　　从容量规划中可见中低压交流微电网可分别设置主微电网、一级、二级子微电网，分层分级进行结构模式规划。在以电缆网为主的配电网中，可以建立如右图所示的微电网网架结构，针对各地负荷特性和能源结构灵活配置分布式电源和储能设备。

　　具体来看，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，鉴于我国微电网容量限制，一般情况下不宜采用35kV，110kV的变电站级别作为微电网供电系统的中心网架结构。以原有开闭所母线结构作为主微电网母线结构比如为单母线分段，两路10kV进线分别接两段母线，母联开关平时处于分位分段运行。在开闭所处设置智能微电网调度中心，配置微电网监控系统、配电自动化系统、智能用电系统、电力需求侧管理等系统，连接大型风力发电、大容量能量型储能、柴油发电机等作为主微电网供电电源，一般情况下采用几百kW-MW的分布式电源。

　　一级子微电网通常可以是10kV开闭所下设的若干个变电室，以变电室为中心就近向负荷中心供电，每个变电室的进线分别来自上级开闭所的两段母线以增加可靠性。以每一段母线为一个一级子微电网的核心网架，将母线所连中小型风力发电、光伏发电、燃气轮机和储能作为一级子微电网供电单元，其中的分布式电源的容量通常为几十kW至几百kW的级别为宜，具体容量配置和电源选择视各地负荷密度而异。

　　二级微电网通常由建筑物配电室构成，由上级开闭所或变电室的两段母线分别出线供电，将各建筑400V配电系统及所连楼顶光伏、储能及其他分布式电源作为二级子微电网供电单元，分别就近接入建筑物的配电子系统，其中以几kW至几十kW级别的分布式电源和储能作为电源，并结合上级电网共同对负荷供电，这也就是通常意义上靠近负荷终端的低压微电网。

　　各级微电网可分别接入风力发电、光伏发电、储能、柴油发电机、冷热电三联供微型燃气轮机、负荷，组成风光储柴气互补微电网或者其他形式的微电网，主微电网及每个子微电网都可以实现并网、孤网运行，并可实现无缝切换、即插即用。

　　中低压交直流混合微电网

　　按照分布式电源主要的配置位置的不同，交直流微电网的结构模式也有差异，按照电源种类分类，分布式电源可以接在直流母线上，也可以连接在交流母线上，一般来说，分布式电源接在直流母线上更有利于微电网对不可控源的控制运行。中低压交直流混合微电网可分为以下几类：

　　第一类典型的交直流混合微电网是在交流母线侧接入分布式电源满足交流负载需求；第二类是在直流母线侧接入分布式电源满足直流负载需求，通过逆变器向直流负载供电；第三类是在交流侧采用较大容量的交流分布式电源供应交流负荷，同时在直流侧添加上节所述的各类典型直流母线微电网为直流负荷供电，达到合理利用分布式电源并减少中间逆变过程的目的，各类交直流微电网典型结构模式如右图所示。

　　混合交直流微电网在公共连接点的开断上更具多样性，既可以采用一般微电网系统并网运行和孤岛运行的方式，同时还可以实现交流部分并网运行、直流部分孤岛运行的模式。而当在交直流两侧均有电源点的情况下，还可以分别进入孤岛模式独立运行，更有利于微电网的控制运行操作。

　　交流和直流微电网系统比较系统优点

　　（1）交流微电网

　　各分布式电源及蓄电池储能均通过各自的变流器并入统一交流母线，因此变流器容量相对较小；由于系统采用交流母线，负荷或分布式电源扩容都较直流微电网结构便利。

　　（2）直流微电网

　　系统可采用统一的大容量DC/AC变流器，且DC/DC装置较简单，因此成本相对交流微电网低；由于采用一个DC/AC装置，因此该装置的控制相对交流微电网简单4。

　　系统不足

　　（1）交流微电网

　　各单元都需要独立的DC/AC变流器，因此成本相对直流微电网系统较高；储能系统采用多套DC/AC并网装置，储能系统作为主电源独立运行时，多个储能装置的均流控制相比直流微电网困难。

　　（2）直流微电网

　　系统采用直流母线，且通过统一的DC/AC变流器接入交流微电网，因此直流母线扩容受限制；微电网设备配套采购困难，市场上用于光伏系统的DC/DC模块和用于风力发电机的AC/DC模块单独采购困难。

　　基于我国能源结构的微电网典型供电模式

　　以低压交流微电网作为范例，本节建立各类分布式电源和储能装置联合供电系统，讨论在我国不同地区、不同能源结构和不同供电可靠性需求下的微电网具体供电模式，按照我国可再生能源的情况和目前已有分布式电源和微电网的建设情况，并结合国外已有微电网范例工程经验，将典型微电网供电模式分为以下四类:以风光储供电系统为主的微电网，以小水电供能系统为主的微电网，以微型燃气轮机或其他分布式电源冷热电联供为主的微电网和其他分布式电源构成的微电网5。

　　光伏微电网

　　以光伏为主要分布式电源的微电网主要分为并网型和离网型两类，离网型微电网系统一般应配置蓄电池等储能设备，而并网光伏微电网可分为带有蓄电池和不带有蓄电池两类，带有蓄电池的微电网系统具有不问断电源的作用，建议在可靠性较高的城市微电网等处采用。光伏微电网电池供电模式如右图所示。

　　风光储联合微电网

　　典型风光储微电网可采用直流和交流两种供电模式，现阶段适用于我国的交流风光储微电网如右图所示，这种供电模式之下，在必要时可在添加柴油机来稳定出力。

　　小水电以及抽水蓄能微电网

　　对于光照不足的西南部分地区可以只考虑风水发电模式构造微电网，若风电能够满足负荷需求。此时水轮机处于停发状态或者在水库蓄水量超过正常蓄水位时发电。若风电不能满足负荷需求，不足部分通过蓄电池放电和调节水电站发电来补给，如右图所示。

　　冷热电联供微电网

　　冷热电联产系统在生产电力的同时，也能提供热能或同时满足供热、制冷等方面的需求，在其基础上进行技术改造能够构造微电网，可以实现效率的大幅度提高。以微型燃气轮机作为微电源的微电网典型结构模式如右图所示，由于其出力比较稳定，对电能质量比较高的场合外，一般不需要额外配置储能设备。

　　结语

　　对现存的微网实验工程和示范工程按结构和控制模式进行了分类，交流微网是目前微电网实验建设的主流结构，但直流微网系统也有其特有的优势，在微网实验系统建设中也应得到重视，组建交直流混合微网实验系统，是发挥二者优势的一种可行选择，实际应用中应因地制宜的选择合适的微网结构。微网控制方式多样，对于微网的控制，应综合考虑供电质量、系统可靠性、微网优化运行等因素，选择合理的控制模式，从而最大限度地发挥微电网的经济效益。

　　本词条内容贡献者为:

　　石季英 - 副教授 - 天津大学