多能源互补微网对高原无电地区的应用研究

摘 要：按照建设社会主义新农村的要求，需电力先行，消灭无电村。当前，我省地处高原的阿坝、甘孜两州尚有无电村约1000余个，无电户10多万户，大多数无电村、无电户分布在广袤的草原或高山大岭，且分布分散，若采用电网集中供电方式不但成本高，而且难以实现。随着太阳能、风电等可再生能源和高效清洁的化石燃料在内的新型发电技术提供了良好的发展空间。采用大量的电力电子技术，将燃气轮机、风电、光伏发电，燃料电池，储能设备等分布式电源直接与用户侧相连，建设微型多能源互补电网为其提供电能，解决偏远地区无电现状提供了方向。

关键字：多能源；微电网；无电地区

1 微电网的技术现状

微电网是采用大量的电力电子技术，将燃气轮机、风电、光伏发电，燃料电池，储能设备等分布式电源直接与用户侧相连，为其提供电能。

微网从系统观点来看，其具有双重角色。一方面，对于公用电力企业而言，微网可视作为电力系统的一个可控细胞，该可控细胞可以被作为一个简单的可调度负荷，可以在数秒内作出响应以满足传统系统的需要；另一方面，对于用户而言，微网可以被作为一个可定制的电源，以满足用户多样化的需求，如增强局部供电可靠性，降低馈电损耗，支持当地电压，通过利用废热提高效率，提供电压下陷的校正，或作为不间断电源等效用。此外，紧紧围绕全系统能量需求的设计理念和向用户提供多样化电能质量的供电理念是微网的两个重要特征。

微电网的设计对于其运行的安全性、可靠性、经济性至关重要，需要对DG的类型、容量、位置进行合理的配置和选择。网络结构的优化设计，则要根据微电网系统安置处的可利用能源和负荷的情况，考虑设备的响应特性、效率、安装费用以及控制方法等因素。其次，DG的单元配置不同于常规发电单元，在微电网系统规划设计中单元配置的优化策略对于整个系统效益最大化有重要的影响。根据微电网中的负荷需求量，以年运行费用最小为优化目标，在考虑6种不同天气的情况下，确定了微电网中各DG单元的数量和容量、与主网间的能量交换量以及该系统的年运行计划。此外，有学者提出将现含有DG的配电网改造成可独立运行的微网方案。各国电力系统中存在数量及规模不等的DG，该方案为将含有高比例DG的电网改造成能够独立运行的微网提供了一条新途径。

2 高原地区微网构建的外部环境

2.1 地区能源环境

目前，部分发达国家为促进可再生能源的发展，已强制电力供应商在一定时期内，需用可再生能源（包括太阳能）提供规定比例的电力。不久的将来，我国也会作此强制要求，并允许可再生能源发电指标在各电力企业间有偿转让。

我省高原地区的大多数无电村、无电户分布在广袤的草原或高山大岭，且分布分散，一个几十千瓦的供电网络就能满足一个村落的用电需求，若采用电网集中供电方式不但成本高，而且难以实现，由于这些村落和住户所处高度大多在海拔3000米左右，日照时间长，光热资源相当丰富，风能密度相对较大，这为构建、推广应用风能、太阳能互补发电打下坚实基础

2.2 风能与太阳能发电技术的互补

从光伏发电和风力发电的出力特性来看，随地域和季节的不同，存在不可预估的变动性，彼此之间的互补效益并不明显，日出力互补性也不强两者发电利用小时数都不高，单独并网时，输电线路空闲概率都比较大，若两者打捆并网，存在错时共用输电设备的可能性。在风电基地可以建设一定规模的光伏电，按不同比例的风光伏电打捆并网，在输送风电电量的同时，可以一并输送光伏电电量。光伏电规模与风电规模或输送规模的比例越低，光伏电电量并网利用率越高，在风电基地附近适当发展一定规模的光伏电，与风电打捆并网，可以共用输电线路设备，风光、伏电利用率都比较高，既节省投资，又能提高输电设备利用率 同理，在光伏电基地配备适当规模的风电，也有类似效益。

在我省高原地区太阳能和风能具有天然互补性，即无风时太阳能充足，无太阳时风能丰富（特别是下午），适合采用风能—太阳能互补发电系统。由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。

3 高原无电地区村级微网的构建

高原地区村级微网通常运行在孤岛状态，网架结构为简单的串并联形式。如图3.1所示，分布式电源与负荷组成微型供用电系统，再并联接入馈线。乡村级微网结构要预留足够多的 DG接口，一方面应对微网负荷增长；其次分布式电源不仅提供微网正常运行时所需的电能，而且要有充足的备用容量应对微网故障，具备自愈能力。高原地区村级微网由于缺少电网的支撑容易受到分布式电源随机性和波动性影响，因此一般需要接入旋转设备，为微网提供电压、频率支撑的同时也作为热后备容量。村级微网负荷通常为不重要负荷，简单的串并联网架结构保证了微网的经济性与故障易恢复性。

高原地区村级微网结构简单、投资较小，适用于偏远山区、主网难以顾忌且风能、光能相对丰富等地区供电。由于缺少外电网的支撑，微网电能质量不高，在不具备一定容量旋转电源的地区，不宜接入对电能质量要求高的负荷。

4 系统的主要特点

4.1 显著的环保效益

多能互补供能系统采用清洁燃料天然气作为一次能源，为清洁产能系统，其系统排放指标均达到相关环保标准，与传统热电分供方式相比，由于节省了大量火力发电所消耗的标煤，CO2 减排效果明显，具有显著的环保效益。

4.2 较好的经济性

多能互补供能系统实现当地能源的就地转化为电能，其能源产品的多样性和较高的能源利用效率，使得供能系统对于燃气、电力价格的波动具有较强的适应性，相对于传统供能系统可节省一定的年能源消耗费用。

5 结论

分布式能源的利用，已经成为解决当前能源危机及能源可持续利用的有效途径。由于分布式电源具有较强的间歇性和波动性，大规模的分布式电源的接入，易对大电网带来不稳定的因素，在保证大电网安全稳定运行的情况下，在很大程度上限制了分布式能源的发展。微电网的提出和利用，能够有效地将分布式电源与用户负荷融合在一起，形成一个完整的能耗系统。对解决四川高原地区无电问题提供新的思路，目前大电网无法延伸供电的情况下，微电网可以孤网独立运行，在必要的时候，相对于大电网而言，也可形成一个可控的细胞单元，通过公共连接点，与大电网进行互联，实现微电网的并网运行在为分布式能源提供发展平台的同时，有效的提高了系统的供电可靠性。

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