周惟婧，朱 鑫，劉俊勇，向 月，閆占新，張文濤

(1.四川省電力公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，四川 成都 610065;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)概述

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，從某種程度上看，世界上發(fā)生的大電網(wǎng)惡性事故其根本原因是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理造成的，因此，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是否合理對電網(wǎng)的安全有著及其重要的影響。隨著技術(shù)的進步和人們生活水平的提高，在電網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)過程中對供電的可靠性、經(jīng)濟性以及環(huán)境保護等有了更高的要求。目前，中國電網(wǎng)迫切需要解決的問題有:資源配置不合理，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱以至于抵御事故風(fēng)險的能力低;配電網(wǎng)建設(shè)滯后與當前用戶對電能質(zhì)量和安全可靠性的要求不斷提高的矛盾日漸突出;用戶多樣化的用電需求使得配電網(wǎng)建設(shè)與節(jié)能降耗的壓力巨大;農(nóng)村負荷分布廣、密度低、距離遠，使得對遠距離農(nóng)村供電投資巨大且運行損耗大［1］。

分布式發(fā)電及微網(wǎng)的出現(xiàn)為解決偏遠地區(qū)的用電提供了一種較為經(jīng)濟的供電方式。微網(wǎng)在電力系統(tǒng)末端的分散負荷處引入微電源［2］，不僅有利于解決用戶的供電問題或者提高用戶端的電能質(zhì)量和供電可靠性，而且可以降低配電網(wǎng)電力損耗，節(jié)約電能，緩解電力緊張局面。但是微網(wǎng)的出現(xiàn)也使得輸配電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃面臨更大的不確定性，如負荷預(yù)測和變電站建設(shè)方案等，大大增加了規(guī)劃的難度，必須充分考慮投資主體、微網(wǎng)容量、安裝地點及接入時間等諸多因素的影響，提出具有高適應(yīng)度的網(wǎng)架規(guī)劃方案。

微網(wǎng)既可以看作是一個小型的電力系統(tǒng)，也可以看作是配電網(wǎng)中虛擬的一個延伸分支?？傮w上而言，微網(wǎng)與配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有一定相似性，配電網(wǎng)線路的結(jié)構(gòu)多具有多分段、多連接的特點，而微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則相對靈活。在微網(wǎng)的設(shè)計過程中應(yīng)該根據(jù)其地域特征、經(jīng)濟性等方面因素則設(shè)計不同結(jié)構(gòu)。

1 常規(guī)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

配電網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是由無數(shù)條線路組成，可分成干線和分支線，或者經(jīng)線、緯線和分支線。在干線中，為了能夠適應(yīng)負荷的發(fā)展和線路的分割，減少故障時停電用戶的數(shù)量，必須對并聯(lián)或串聯(lián)連接的線路進行必要的分段。對公用架空配電網(wǎng)進行分段和連接，可靈活運行配電線路，減少停電用戶數(shù)，并使在線路工作或線路故障時受影響的用戶最少。結(jié)合配電線分段連接理論的成熟過程，配電線路已經(jīng)從初期只是對配電線路進行環(huán)網(wǎng)，即兩條10 kV線路連接，任意一條線路故障時由另外一條接帶全部負荷，發(fā)展到當前配電線路發(fā)多分段、多連接的形式［3］。

2 微網(wǎng)

微網(wǎng)是分散的、獨立且較小規(guī)模電力系統(tǒng)，它采用大量的現(xiàn)代電力技術(shù)，將風(fēng)電、光伏發(fā)電、燃氣輪機、儲能設(shè)備等一些分布式電源通過一定的電氣連接方式并在一起，在用戶側(cè)直接接入。相對傳統(tǒng)配電網(wǎng)而言，微網(wǎng)可以被看作為電網(wǎng)中的一個可控的補充單元。在需要時，它可以快速啟動，滿足外部輸配電網(wǎng)絡(luò)的需求［4］。

相對電力系統(tǒng)而言，微網(wǎng)類似于一個獨立的控制單元，其中每一個微電源都具有尖端的即拔即插功能。在并網(wǎng)運行模式下，微網(wǎng)與主網(wǎng)部分或全部連接，能與主網(wǎng)之間實現(xiàn)功率的雙向流通。當主網(wǎng)有任何的擾動異常時，微網(wǎng)都能及時切換到孤島運行模式，并能繼續(xù)對優(yōu)先負荷供電。為了防止微網(wǎng)與配電網(wǎng)解列時對微網(wǎng)內(nèi)負荷的沖擊，有些微網(wǎng)的配電結(jié)構(gòu)需重新設(shè)計，將不重要的負荷接在同一條饋線上，重要或敏感的負荷接在另外饋線上。

典型的微網(wǎng)一般通過固態(tài)開關(guān)公共連接點與外部電網(wǎng)連接，按照規(guī)定的接口標準，一般連接在低壓配網(wǎng)側(cè)。通過斷路器的開合實現(xiàn)整個微網(wǎng)與主網(wǎng)的斷開或連接。各條饋線的通斷可以分別通過操作斷路器完成。微電源可包含多種形式，如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源，微型燃氣輪機、燃料電池等高效能源。必要時應(yīng)配備儲能等電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置滿足重要負荷的需要。

目前，國內(nèi)外根據(jù)自身發(fā)展需求的不同，微網(wǎng)結(jié)構(gòu)也存在較大差異。

2.1 美國

美國電氣可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會(CERTS)的微網(wǎng)設(shè)計理念是不采用快速電氣控制、單點并網(wǎng)不上網(wǎng)、提供多樣化的電能質(zhì)量與供電可靠性、隨時可接入的DG等［5］。CERTS微網(wǎng)研究主要集中在對DG的設(shè)計和魯棒控制;GE微網(wǎng)則更多地關(guān)注在外部監(jiān)控回路的研發(fā)上，以及對能量利用和運行成本的優(yōu)化上。從美國電網(wǎng)現(xiàn)代化角度來看，微網(wǎng)發(fā)展的重點主要集中于提高重要負荷的供電可靠性、滿足用戶對多種電能質(zhì)量的需求、降低成本、實現(xiàn)智能化等方面［6］。

2.2 歐洲

在典型的歐盟微網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，小型風(fēng)力發(fā)電機可以直接連接到微網(wǎng)，而光伏電源、燃料電池和微型燃氣輪機則需要通過電力電子接口連接到微網(wǎng)，中心儲能單元被安裝在交流母線側(cè)。微網(wǎng)系統(tǒng)采用分層控制策略，并且允許微網(wǎng)作為電網(wǎng)中分布式電源的一部分向大電網(wǎng)供電［7］。歐洲電網(wǎng)具備靈活性、可接入性、可靠性、經(jīng)濟性等特點?；诖颂攸c，歐洲提出要充分利用分布式能源、智能技術(shù)、先進電力電子等技術(shù)，實現(xiàn)集中供電與分布式發(fā)電的高效緊密結(jié)合，共同推進電網(wǎng)發(fā)展。歐洲微網(wǎng)的發(fā)展方向主要繞著可靠性、可接入性和靈活性3個方面來考慮。而電網(wǎng)的智能化、能量利用的多元化、環(huán)保性等將是歐洲未來電網(wǎng)的重要特點。

2.3 日本

日本將傳統(tǒng)供電的獨立電力系統(tǒng)也歸入微網(wǎng)的研究范疇，擴展了對微網(wǎng)的定義。日本微網(wǎng)研究方向主要定位于負荷跟蹤能力、電能質(zhì)量監(jiān)控、電力供需平衡、經(jīng)濟調(diào)度以及管道穩(wěn)定運行等問題，利用靈活可靠性和智能能量供給系統(tǒng)以及FACTS控制器快速、靈活的性能，實現(xiàn)對配電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以滿足用戶的需求，為小型配電系統(tǒng)及基于傳統(tǒng)電源的較大規(guī)模獨立系統(tǒng)提供了廣闊的發(fā)展空間［8］。

2.4 中國

中國對微網(wǎng)的研究起步比較晚，還沒有形成對微網(wǎng)的統(tǒng)一定義，只在分布式發(fā)電和分布式儲能上開展了相關(guān)的研究。在微網(wǎng)的容量方面需要根據(jù)中國國情進一步研究和實驗，并了解微網(wǎng)的運行和暫態(tài)特性以及微網(wǎng)與電力系統(tǒng)的相互作用與影響，將有助于微網(wǎng)建立和相關(guān)標準的制定。國家已將“分布式供能技術(shù)”列入了2006—2020年中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要，并且已有863和973計劃支持微網(wǎng)領(lǐng)域的研究項目［8］。

綜上可見，各國微網(wǎng)的定義以及發(fā)展側(cè)重點是根據(jù)自身發(fā)展需求而決定的，具體對比如表1。

表1 各國微網(wǎng)研究對比

3 偏遠地區(qū)典型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前中國在微網(wǎng)的設(shè)計上仍處于探索階段，并無微網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的固定模式，由于中國微網(wǎng)供電主要強調(diào)其靈活性、定制性、經(jīng)濟型、自治性，以及根據(jù)不同地區(qū)復(fù)雜的地理環(huán)境設(shè)計可靠性高、經(jīng)濟性好、能夠適應(yīng)典型地區(qū)居民需要的微網(wǎng)［9，10］。

3.1 偏遠地區(qū)特點

國內(nèi)各省市偏遠地區(qū)的具體情況不同，但造成部分地區(qū)無電的原因主要集中以下幾個方面。

1)地理位置的偏遠造成電力建設(shè)的造價相對較大，而單位投資獲得的效益不明顯;

2)運行維護困難，無電地區(qū)地理位置偏僻，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，交通極其不便，造成輸電線路、電源等設(shè)備運行維護成本高;

3)體制機制性障礙未完全消除，偏遠地區(qū)電力建設(shè)投入機制、運營機制、激勵機制有待進一步建立和完善。

以四川省甘孜偏遠無電地區(qū)為例，該地區(qū)地域遼闊、人口稀少、交通不便、氣候惡劣。無電居民分布也主要分為離主網(wǎng)較近無電地區(qū)、單戶游牧家庭、牧民聚集點、單戶村民和偏遠村落5種類型。因此，該地區(qū)地理特點及居民分布特點使得在該地區(qū)單一依靠大電網(wǎng)建設(shè)往往投資巨大且施工環(huán)境異常惡劣。

值得注意的是，甘孜地區(qū)水能、太陽能、風(fēng)能和生物質(zhì)能資源十分豐富，其中，太陽能資源豐富，太陽能資源總量和密度大，屬全國高光能地區(qū)之一，具有發(fā)展生態(tài)能源產(chǎn)業(yè)十分優(yōu)越的資源條件，因而可以考慮對該地區(qū)采用微網(wǎng)供電模式，直接有效利用當?shù)刭Y源。

根據(jù)居民聚居的稀疏程度可在該地區(qū)的微網(wǎng)規(guī)劃過程將人口分布極為稀疏的地區(qū)的電網(wǎng)設(shè)計為簡單的單戶結(jié)構(gòu)，而將具有一定居民聚居的村落的電網(wǎng)設(shè)計成較為復(fù)雜的多戶結(jié)構(gòu)。

3.2 單戶

圖1 單戶微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，考慮到甘孜地區(qū)風(fēng)能較為充沛，也有具有可利用價值的太陽能，同時，單用戶用電量較低且負荷種類較為單一，故在單戶的微網(wǎng)設(shè)計中裝設(shè)風(fēng)能發(fā)電機組和太陽能發(fā)電機組［11］。為了保證供電的可靠性，可增裝燃機發(fā)電機組和儲能裝置，各種微源通過電力電子設(shè)備接口與配電網(wǎng)保留可能相連的交流母線連接，同時，微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(MEMS)根據(jù)負荷情況通過電力電子接口對各微源進行協(xié)調(diào)控制［12］。

偏遠單戶微網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、投資較小，也適用于其他偏遠山區(qū)、海島等地區(qū)供電。但由于缺少外電網(wǎng)的支撐，電能質(zhì)量不高。在不具備一定容量旋轉(zhuǎn)電源的地區(qū)，不宜接入對電能質(zhì)量要求高的負荷。

3.3 多戶

綜合各種基本結(jié)構(gòu)，對于多用戶，諸如村落形式的等含多種DG和儲能裝置構(gòu)成的微網(wǎng)，其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2［13］可以看出，該微網(wǎng)是由分布式電源和各種儲能裝置組成，主要展示是村落這一級的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。各種村落級的微網(wǎng)包含各種以可再生能源為基礎(chǔ)和燃機為輔助的分布式電源。所有的村落不一定具備各種可再生能源形式的分布式電源。儲能裝置被放置在指定的村落里以保證滿足不同等級負荷的需求。如此的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)最適合農(nóng)村社區(qū)的能源需求，以及未來擴展與主電網(wǎng)的連接運用各種可再生能源如風(fēng)能、光能、小水電、微型燃氣輪機等的小型分布式電源機組和當?shù)氐母鞣N儲能單元以及當?shù)刎摵山M成基礎(chǔ)單一微網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖2 多戶微網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)［8］的控制方式根據(jù)控制器不同的決策方式可以劃分為集中式控制和分散式控制［14］。其中微網(wǎng)的集中式控制與常規(guī)電力系統(tǒng)中分層控制的思想近似，實現(xiàn)過程也相對較為簡單，因此當前的很多研究是通過該思想進行的。在集中式控制方式中，由微網(wǎng)中央控制器進行優(yōu)化管理，協(xié)調(diào)控制各個層次控制系統(tǒng)，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟性、安全性等，以通過優(yōu)化各微源的發(fā)電量及其與主網(wǎng)間的功率交換使微網(wǎng)得到最大化利用為目標。此外，從多用戶微網(wǎng)系統(tǒng)控制的角度考慮，采用統(tǒng)一集中調(diào)度方式由于本身的分布式特性及海量控制數(shù)據(jù)等原因難以實現(xiàn)靈活有效控制，需要將控制權(quán)分散到各元件上實現(xiàn)控制、通信、協(xié)作。分散式的控制思想是想要最大程度地實現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)分布式發(fā)電單元和負荷的自治，但實現(xiàn)較為復(fù)雜。其中，Agent技術(shù)具有分布、自治和快速處理復(fù)雜問題的能力，在微網(wǎng)控制中得到應(yīng)用［15］。在嵌入了Agent的微網(wǎng)電壓控制系統(tǒng)后，微網(wǎng)被分成微網(wǎng)層(由微網(wǎng)Agent控制)和元件層(由執(zhí)行級Agent控制)。其工作過程如下所述［16］。

(1)微網(wǎng)Agent一方面接收上層網(wǎng)絡(luò)命令開斷靜態(tài)開關(guān)以確定微網(wǎng)處于并網(wǎng)或孤網(wǎng)運行狀態(tài)，另一方面接收各微源Agent返回的信息，通過測量微網(wǎng)內(nèi)部電氣參數(shù)，把握全局信息，協(xié)調(diào)控制。

(2)一般意義上的微網(wǎng)可以實現(xiàn)并網(wǎng)和孤網(wǎng)運行。在并網(wǎng)運行時，微網(wǎng)可以看作是主網(wǎng)的一條低壓配線，此時微網(wǎng)的頻率、電壓由主網(wǎng)控制。而微網(wǎng)孤網(wǎng)運行時需要結(jié)合各Agent間配合、分層協(xié)調(diào)實現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。以電壓調(diào)節(jié)過程為例。

微網(wǎng)Agent定期對系統(tǒng)內(nèi)電壓整定，整定后將此電壓值發(fā)送給此系統(tǒng)內(nèi)各微源Agent。微源Agent在接受到微網(wǎng)Agent發(fā)送的整定值后對該值進行評估，判定執(zhí)行該電壓整定值是否會對本控制區(qū)域造成危害。若不會，微源Agent會將該電壓整定值發(fā)送給相應(yīng)的微源，微源會調(diào)節(jié)無功輸出使其控制區(qū)域的電壓維持在該整定值。在一個整定周期內(nèi)，微源Agent會根據(jù)本控制區(qū)域內(nèi)負荷的變化對電壓整定值進行微調(diào)，以優(yōu)化本區(qū)域內(nèi)的電壓質(zhì)量;若評估表明執(zhí)行該整定值會對本區(qū)域造成危害，則微源A-gent拒絕執(zhí)行該調(diào)壓命令，此時微源實行自治。

當饋線輸出的無功不能滿足負荷需求時，PV Agent向微網(wǎng)Agent發(fā)出的協(xié)調(diào)調(diào)壓請求，由于超級電容器啟動快但容量有限，而SVC的啟動速度較慢但卻能提供連續(xù)的無功，微網(wǎng)Agent將選定SC Agent和SVC Agent進行協(xié)調(diào)調(diào)壓。即首先由超級電容器為饋線提供短時無功功率，以延緩電壓繼續(xù)下降，然后由SVC為饋線提供持續(xù)的無功以維持電壓穩(wěn)定。

若饋線內(nèi)發(fā)生故障，則該條線路上的斷路器斷開。此時，該饋線實際上形成一個更小的微網(wǎng)，微源Agent將起到原微網(wǎng)Agent的作用，它將根據(jù)控制區(qū)域內(nèi)負荷變化自動計算電壓整定值，之后微源依據(jù)該電壓整定值調(diào)整無功輸出，是本饋線內(nèi)的電壓維持穩(wěn)定。若微源輸出小于所需的電壓值，微源將向SC Agent發(fā)出調(diào)壓請求。但是超級電容器只能提供短時無功支持，若無功負荷持續(xù)增加，則必須切掉一部分負荷以保持穩(wěn)定的電壓。

5 結(jié)語

微網(wǎng)具有節(jié)約能源、提高電能質(zhì)量、供電可靠性，優(yōu)化電網(wǎng)性能、降低發(fā)電成本等優(yōu)點，為達到引入微網(wǎng)的預(yù)期目的，在微網(wǎng)的設(shè)計過程中要依據(jù)該地區(qū)地域特征、經(jīng)濟性、負荷特性、DG特性等基本元素對微網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和選擇［17］。在微網(wǎng)的運行過程中應(yīng)注意保持微網(wǎng)內(nèi)能量守恒，即在并網(wǎng)運行時微網(wǎng)內(nèi)各微源容量和配電網(wǎng)提供能量之和應(yīng)與微網(wǎng)內(nèi)總負荷相等，而在微網(wǎng)孤島運行時，微網(wǎng)內(nèi)微源容量能滿足負荷的需求。

前面介紹了當前國內(nèi)外微網(wǎng)的發(fā)展概況及各個國家未來發(fā)展的方向。根據(jù)中國在微網(wǎng)設(shè)計上的側(cè)重點，對甘孜偏遠地區(qū)微網(wǎng)的設(shè)計過程中根據(jù)人口的疏密程度將該地區(qū)的供電網(wǎng)絡(luò)分為單戶結(jié)構(gòu)和多戶結(jié)構(gòu)，并對其控制方式進行了說明。伴隨著人們對能源的需求和節(jié)能意識的提高，微網(wǎng)不僅將適用于解決偏遠地區(qū)的用電問題也將向城鎮(zhèn)居民提供多樣化的電能需求。未來微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)以其需求用途為基礎(chǔ)，考慮基本元素對其結(jié)構(gòu)的影響，并兼顧運行的經(jīng)濟性、可擴展性、安全性以及易維護性對微網(wǎng)進行結(jié)構(gòu)的“定制”設(shè)計。

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