摘要：我国电源机构中过渡依赖煤电，发展风电及光电等清洁能源可以减少化石能源的消耗，风电和光电出力的随机性以及自然资源分布等限制了其发展，发展微电网及分布式电源成为了风电和光电未来发展的方向。本文介绍了如何根据自然资源等条件确定微电网中分布式电源的容量配比，以及夏季和冬季典型日的分布式电源的开机容量选择。
关键词：微电网；分布式电源；配比；HOMER
0 引言
截至2016年底，我国的电源装机构成中，煤电的装机容量已达105388万千瓦（占总装机容量的64%），过度依赖化石能源导致环境污染问题日益严峻；风电和光电等新能源的大规模应用虽然可以降低煤电在能源结构中的比重，但其出力的不可控性和随机波动性使其与大电网之间的融合出现了问题，且适宜发展风电与光电的区域有时距离主电网较远，在此情况下构建微电网并发展分布式电源成为了一个较好的选择[1-3]。
美国电力可靠性技术方案协会于1999年首次提出了微电网的概念[4]，以实现能源的最大化利用，微电网可应用于风电等多种能源并存的地区，实现资源的优化配置，不但可用于自然资源丰富的地区，而且可用于海岛和边防军营等离网区域。
目前，用于微电网规划研究的软件主要有HOMER、hybrid2和PVsyst等。本文应用HOMER软件对某假定的离网区域进行经济性仿真和分析，研究分布式电源的配比问题。
1 微电网简介
微电网是指由分布式电源、储能单元、能量转换装置、相关负荷和监控、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[5-6]。
图1 微电网结构图
图1是一个典型的微电网结构[7]，微电网内包含了A、B、C共3条馈线，分别对应敏感负荷、可中断负荷和可调节负荷，负荷可根据重要程度以及对电能质量的不同要求接入不同的馈线。微电网通过PCC与外部电网相连，微电网内负荷由微电源与外部电网共同供电，当外部电网出现故障时，微电网可通过分离器切断与电网的联系，进入孤岛运行状态，在电网故障消除后，重新恢复与电网的连接。
通常，微电网运行的目标为发电成本最小、用户停电损失最小、环境效益最好和经济收益最大的多目标函数，但多个目标之间往往存在冲突，一般很难使其同时达到最优[8-10]，因此，微电网的经济运行成为对其集成控制及能量管理研究中的一个重要内容。
HOMER软件可以通过对各系统参数输入敏感变量，找出净现总成本（Total NPC）最小的电源配比方案。
2 分布式电源配比研究思路
通常，微电网内会配置一定容量的分布式电源，可以为单一类型的分布式电源，也可以为多类型的联合发电系统，而微电网所在区域的风速和光辐射强度等自然资源会随时变化，这导致了这些电源的出力呈现出不确定性。
分布式电源的装机容量决定了其运行等费用，因此，电源装机容量及开机容量最大并不能保障其经济性最佳，需根据分布式电源所在区域的自然资源情况确定其装机容量，并根据短时内的风速和光辐射强度等确定其开机容量。
此外，微电网的负荷特性、是否与大电网相连、储能原件的容量、峰谷电价等因素都会对微电网的分布式电源配比产生影响[11]。
本文仅就自然资源情况对分布式电源配比的影响进行研究，并模拟了某假定地微电网在夏季和冬季典型日中分布式电源最佳的运行配比。
3 算例分析
3.1 微电网结构
为研究分布式电源的配比问题，本文假定一个某地区的风电和光伏联合发电系统，并在系统中设置了一定容量的蓄电池作为储能原件。
图2 微电网系统模型
3.2 参数设置
（1）负荷
负荷设置为交流负荷，在HOMER软件Baseline data中按负荷特性输入典型日的负荷，结果具体见图3。
图3 负荷特性图
（2）风机
在风机输入选项卡中选择Generic 3kW型风机，风机数量选择为1。
图4 Generic 3kW型风机出力特性曲线
图4为Generic 3kW型风机出力特性曲线，由图4可知，该型风机切入风速为4m/s，切出风速为15m/s，假定地全年平均风速约为6m/s，则风机平均出力为0.28kW。
（3）光伏电池
假定地的光资源较丰富，光伏电池容量选择2kW，并在敏感变量中填写0、1、2、3、4。
（4）微型燃气轮机
微型燃气轮机的容量假定为1kW，并将参数填入HOMER软件相应的选项卡中。
（5）蓄电池
蓄电池选择的型号为Trojan L16P，单台容量为2.16kW，在敏感变量中填写0、4、8、12、16、32。
（6）逆变器
逆变器容量假定为1kW，在敏感变量中填写0、1、2、3、4。
（7）风能和太阳能资源
在HOMER软件中输入一年12个月的风资源和光辐射强度，可自动生成风能资源分布和光资源分布等图，如图5和6所示。
图6 光资源分布图
微电网系统的初始参数设置如表1所示，其余参数按系统默认值。
表1 系统参数设置表
3.3 仿真结果分析
3.3.1 分布式电源的装机配比
点击Calculate后，系统运行并得到配比组合图仿真结果，如图7和8所示。
图8 电源配比组合图
由图7和8可以得出以下结论：
（1）系统计算得出了3个最优方案，分别为Label/Battery、PV/Label/Batt
-ery和Wind/Label/Battery。本文主要研究微电网中分布式电源的配比问题，因此，重点对PV/Label/Battery和Wind/Label/Battery两个方案进行研究。
图7说明，PV/Label/Battery系统配置方式的适合条件为风速5～5.7m/s、光辐射强度7.3～8kWh/m2/d，Wind/Label/Battery系统配置方式的适合条件为风速5.7～8m/s、光辐射强度0～8kWh/m2/d。以上结果为给定自然资源条件下建设何种分布式电源系统提供了依据。
图8为按净现总成本大小排列的各配比组合方式，其中，风电发电系统的净现总成本最小（为74129美元），风电和光电联合发电系统的净现总成本次之（为81951美元）。
（2）如在风速和光辐射强度中选择6.11m/s、光辐射强度5.73kWh/m2/d（假定地的平均风速和光辐射强度），可以得到图9。
图9 假定地电源配比组合图
由图9可知，在平均风速和光辐射强度下，假定地净现总成本最小的是风电系统，风机的数量为1，蓄电池数量为12。
因此，可以根据假定地的自然资源情况确定微电网设计的各初始值，例如：风机数量初选为1，光电容量在较小的范围内选择，蓄电池的数量的参考值初选为12。
3.3.2 分布式电源的运行配比
一般来说，任一地点的全年风速、日间和夜间的光辐射强度均不同。为说明风速和光辐射强度变化对微电网分布式电源的运行容量配比影响，本文以净现总成本最小为边界条件，模拟假定地点夏季和冬季典型日日间和夜间最佳的分布式电源的运行配比容量情况，各季节典型日自然资源情况见表2，仿真结果具体见图10-13。
表2 典型日自然资源表
图11 电源配比组合图（夏季典型日）
由图10和11可知，夏季典型日最优的运行方案为Label/Battery和PV/Label/Battery，两种方案日间的净现总成本分别为85763美元和85884美元，系统产生的多余电量（Excess electricity）分别为0.0003%和0。
这说明夏季日间光资源丰富，降低了光电的发电成本，也使微电网的净现总成本较小，微电网为孤立电网，因此产生了少量的多余电量；夏季夜间主要利用微型燃气轮机和蓄电池为系统供电。
（2）冬季典型日
冬季日间以上两种电源配比方案成本相差不多，均可以满足系统的用电需要，为降低化石能源的消耗，日间可以选择PV/Label/Battery方案；夜间则选择Label/Battery方案，主要依靠微型燃气轮机主要为系统提供电量。
对比夏季和冬季典型日电源配比可以发现：两个典型日最优的配比方案相同，不同点在于夏季日间PV/Lab
-el/Battery方案净现总成本低，冬季Label/Battery方案净现总成本低，而且Wind/Label/Battery方案在夏季和冬季典型日均为第三方优选案。这主要是因为夏季和冬季风速均在7m/s左右，风机输出功率约为0.56kW，瞬时发电量约为0kWh；而夏季日间光资源远好于冬季，本文所选光伏电池在光辐射量大于6kWh/m2/d后发电量呈线性增加，因此，夏季日间Wind/Label/Battery方案的发电成本大于其它方案。
夏季和冬季典型日日间的多余电量分别到达了14.8%和9.71%，主要是因为风电和光电的所发电量的随机性，且本文所模拟微电网为孤立电网，多余电量无法送至主电网。
5 结论
（1）微电网的发展有利于我国减少化石能源的依赖，健康发展风电和光电等分布式清洁能源，可以满足距离大电网较远区域的供电需要。
（2）HOMER软件可以方便的通过设置敏感变量找出微电网中净现总成本最低的分布式电源配比，也可以计算出给定自然资源条件下分布式电源的最优装机容量。
本文通过具体算例说明了如何根据某地的自然资源通过设置敏感变量确定其分布式电源的配比，以及夏季和冬季典型日中分布式电源的最优开机比例。
（3）微电网中分布式电源的配比不但受自然资源影响，而且微电网结构、电价、油气价格和环保等约束条件也会对配比结果产生影响。本文虽然模拟的微电网容量较小，但是对于大电网的电源配比问题研究也具有一定的启发指导意义。
参考文献：
[1]肖宏飞，刘士荣，郑凌齋，等.微型电网技术研究初探[J].电力系统保护与控制，2009（8）：114-119.
[2]王敏，丁明合.含分布式电源的配电系统规划[J].电力系统及其自动化学报，2005，16（6）：5-8.
作者简介：
白洋（1981-），男，汉族，籍贯辽宁省沈阳市，硕士学位，中级工程师，主要研究方向为电力系统规划及电网安全稳定研究，现工作于中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司（规划研究中心）。
论文作者:白洋,张峥,刘新刚
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/24
标签：电网论文; 分布式论文; 电源论文; 光辐射论文; 风速论文; 自然资源论文; 假定论文; 《电力设备》2017年第16期论文;