摘要：目前，微电网是将多个分布式电源进行组合，配置以相应的控制系统、储能装置的辅助设备，将分布式电源的运行统一化、协调化，电能质量标准化，它是一种解决新能源消纳的一种合理可行的解决方案。本文主要讨论了微电网的规划设计与容量配置，结合枯竭能源地区的资源情况，使用 HOMER 软件对该地区进行相应的微电网搭建模拟，并且进行相应的容量配置优化。使用MATLAB/SIMULINK 对规划好的微电网经行建模仿真，介绍了分布式电源的控制策略，最后进行了整体建模与仿真，验证了所设计的微电网的可行性。
关键词：规划设计；容量优化；微电源；MATLAB
1.引言
随着能源危机与环境污染日益形势严峻，风、光等可再生能源凭借着其资源储量大而污染小等优点将在未来的能源格局中扮演重要角色。近年来，我国可再生能源发电技术发展迅速，并网容量呈现快速增长趋势。“十二五”期间我国可再生能源发电装机容量超过了 1.7 亿 kW，“十三五”期间预计将继续增加风电装机容量 0.79 亿 kW、光伏装机容量 0.63 亿 kW。随着新能源快速发展和大规模应用，分布式电源并网将给电力系统带来不可忽视的冲击。微电网可以利用分布式电源、储能及可控负荷的协调配合来改善可再生能源并网的友好性，是解决新能源消纳和提高供电可靠性的有效手段。
当前的电力系统大致有如下不足之处：首先，供电系统无法及时有效的根据负荷需求来灵活迅速的供给，具体表现为某地的电力供给出现余量， 而另一个地方却无法充分接收到应给电力；其次，偏远地区的电力输送一直是一个棘手的问题，由于自然环境如地貌，天气等的影响，输电线路的假设首先就成为一道难以克服的障碍；再次，远距离输电带来的损耗，经济效益也是电网公司首要考虑的重要问题。 综上所述，急需找到一种合理解决上述一系列问题的方法，微电网（micro-grid，MG）与分布式能源发电作为一种新兴的新能源消纳技术应运而生，并引起各界的广泛关注。
2微电网的规划设计与容量配置优化
风力资源与阳光资源在不同季节、天气、条件下的分布情况不同，但是其具有一定的互补特性，相较于单一的光伏发电或者风力发电，多种微电源组成的微电网的输出功率波动较小，合理的配置风、光、储的容量， 既可以很好的约束系统建设的总成本，也能提高系统供电的可靠性。且在能源枯竭地区，充分利用可再生能源也是改善该地区各种由于化石能源枯竭而造成的生态问题、经济问题等的一个有效途径。
2.1负荷情况
微电网供电系统的配置是否合理，主要取决与负荷的需求情况，本文使用HOMER软件自带的通用居民负荷来模拟处于能源枯竭地区的某社区负荷情况，日用电负荷如图1所示，月用电负荷如图2所示。平均日用电需求 165.44kW·h，平均小时用电量 6.89kW·h，峰值 20.46kW·h，平均年用电需求 6.0385kW·h。
2.2风、光资源情况
在使用 HOMER 对风能资源处理时，设定 weibull 参数为2，风速自相关因子为 0.85，风俗设计高度为 25m。在 HOMER 中定位国内典型能源枯竭城市河南焦作的地理位置，以此来模拟能源枯竭地区的太阳能以及风能资源状况，软件自动下载了来自地区的辐照强度以及风速数据，数据来源于 NASA Surface Mteorology And Solar Energy。
2.3微电网的规划设计分析
现就某地区建立风光储微电网系统模型，如图3所示。该模型包含了风力发电机、光伏发电系统、蓄电池储能系统、负荷、逆变器。
初步优化配置仿真结果，软件仿真结果给出了三种选择方案，从上至下经济成本依次增加，故优先选择图中风、光、储结构， 其配置为 100kW 风力发电机 1 台，光伏电池容量 24.2kW，12V/83.4Ah 蓄电池 176 个。这样配置的系统总净现成本为 445809.57 美元，其中个单元的安装成本为 262447.42 美元。根据微电网能量产出与消纳情况，光伏组件每年产出33624kW·h 的能量，占所有产出的 11.2%；风力发电机每年产出265490kW·h 的能量，占所有产出的 88.8%，总发电电量为每年299114kW·h，交流负荷为每年消耗电量 60355kW·h。
综上所述，这样配置的微电网已基本能满足负载的用电需求。不足之处在于每年有高达 236626kW·h 的剩余电量，可见该系统还需进行进一步的容量配置优化。因此选择将 100kW 风电机组换成 10kW 风电机组。10kW 机组的购置成本为 0.45 万元/kW，置换成本 0.23 万元/kW，运行维护成本 0.033 万元/kW。软件给出最优配置为光伏发电系统 57.5kW，10kW 风力发电机组 6 台，12V/83.4Ah 蓄电池 206 个。年剩余能量从之前的 236626kW·h 降低至 129365kW·h。 整个微电网系统的电力盈余皆由蓄电池进行平衡，系统全年向蓄电池充电 18186kW·h，蓄电池全年放电 16370kW·h，损耗 1819kW·h，蓄电池利用率达到了 90%，可见蓄电池在微电网中的出现是合理且必要的。图4是蓄电池全年放电状态。
3微电网的 MATLAB/SIMULINK 建模与仿真
本文在基于恒功率控制的基础之上对微电网整体控制进行建模仿真。目前，较为主流的微电网整体控制策略有对等控制（Peer To Peer Operation），主从控制(Master Slave Operation)，以及混合控制(Hybrid Operation)。本文采用微电网对等控制策略经行建模。
3.1对等控制的优点以及设计原理
对等控制的解释是：微电网中每个微电源的地位都是平等的，没有主从上下之分。所以各个分布式电源之间不受相互的影响与制约，也即是它们之间不需要各宗复杂的互相通信连接，这就很好的控制了微电网建设的技术成本与经济成本，提高了稳定性与冗余度。“即插即用”是对等控制的一个主要特点，当某个微电源无论是被迫切除还是计划切除时，不会造成整个系统的停运，其余部分皆不受影响而将继续运行。
采取对等控制的微电网在并网模式下，微电网输出一部分负荷所需功率，公共电网输出剩余系统中缺额的功率。在离网模式下，各个微电源都会分担相应的负荷，调节微电网电压及频率。当负荷发生变化时，每个微电源的下垂控制器将会根据事先设定好的下垂曲线、额定功率、电压频率以改变其本身的输出能量幅值以及频率，自动分担负荷的变化量，是微电网再次进入新的平衡状态。但是采取对等控制的微电网在离网模式下运行时，由于各个微电源的下垂曲线所造成的负荷变化后的系统电压和频率会有一定的变化，或者是由于系统从离网模式转变为并网模式时，系统电压、频率与公共电网不相符，需要一定的时间来稳定，因此对等控制是一种有差控制。目前，这种控制方式仍处于实验室阶段。
3.2微电网 MATLAB/SIMULINK 模型搭建与参数设置
根据规划设计与容量配置结果、以及各个微电源的控制策略，使用MATLAB/SIMULINK 软件搭建微电网系统模型如图5所示。本模型主要有光伏发电系统，风力发电系统，蓄电池三个分布式电源组成。其中蓄电池经一个 DC/DC 模块与光伏阵列相连接从而实现互补供电；风力发电机模块经变压器直接接入电网；光伏阵列采用了恒功率控制方式，逆变器换器采用 PWM 控制的三电平 IGBT 桥进行建模。 逆变器扼流圈 RL 和一个小型谐波滤波器 C 用于滤波 IGBT 桥产生的谐波。逆变器控制包含五个基于 Simulink®的主要子系统：
MPPT 控制器：最大功率点跟踪（MPPT）控制器基于'扰动和观察'技术。 该 MPPT 系统自动改变逆变器 VDC 调节器的 VDC 参考信号，以便获得将从 PV 阵列提取最大功率的 DC 电压。
VDC 调节器：确定电流调节器所需的 Id（有功电流）参考值。
电流调节器：根据电流参考 Id 和 Iq（无功电流），调节器确定逆变器所需的参考电压。 在我们的例子中，Iq 参考被设置为零。
PLL 和测量：同步和电压/电流测量需要。
PWM 发生器：根据所需的参考电压向 IGBT 发出触发信号。
3.3微电网仿真结果分析
直流母线电压及功率：如图6所示，光照辐射强度为 1000W/m2 ，直流母线电压在 510V 附近波动，功率大概为 60kW。仿真结果整体与预期相符。
4.总结
随着经济与工业的发展，全球能源危机与环境污染问题日渐严重，可再生能源发电发展迅速，微电网作为清洁能源消纳的主要手段凭借着其灵活可靠的特点异军突起，将在未来的世界能源格局中充当重要角色。随着对微电网研究的继续深入，怎么在保证供电可靠性的基础之上使微电网各个发电单元合理协调地共同运行，且使微电网经济成本与技术成本降低已经成为急需解决的问题。
参考文献
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论文作者:张中力, 蔡从浩, 牛方天
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第13期
论文发表时间:2019/8/28
标签：电网论文; 系统论文; 负荷论文; 电源论文; 蓄电池论文; 分布式论文; 对等论文; 《工程管理前沿》2019年第13期论文;