1. 引言
随着环境污染、化石能源日渐枯竭及能源供应安全等问题的出现，以太阳能、风能、地热等可再生能源的开发及利用越来越受到国际社会的重视 [1] [2]。新能源构建的分布式发电系统相比于传统大电网，具有绿色无污染，安装地点灵活，能量利用率高，减少长距离输电损耗等优点 [3]。此外，中共中央国务院《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》明确提出允许拥有分布式电源的用户或微电网系统参与电力交易 [4]，新能源微电网有着广阔的发展前景。
近年来，我国各大高校及科研院所均对微电网开展了深入研究，国内已建成和在建的微电网示范工程多达数十个。2011年中新天津生态城智能电网综合示范工程投入运营，2014年厦门大学投运我国第一个太阳能建筑一体化的直流微电网，浙江温州鹿西岛微电网示范工程建成，2015年河北电力科技园风、储、热一体化示范工程建成，许多技术达到国际先进水平 [5]。文献 [6] 针对海岛用电采用微电网模式设计技术路线，根据负荷曲线和分布式电源出力特性分别计算了风力发电、光伏和储能系统的容量，为提高供电质量构建了有备用环形微电网输配电网络，对海岛用电环境和微电网推广具有参考价值。文献 [7] 根据使用场景特点研究了海岛盐雾环境对微电网电气系统中各种设备、材料耐候性的影响，对微电网电气系统和结构系统进行了设计，研究了适用于海岛环境电站的具体运行模式，并展开运行控制策略研究，最后，设计了适用于岛屿环境的微电网系统，该系统具有成本较低、节能环保、便于推广的特点。文献 [8] 阐述了湖南某公司综合大楼微电网工程项目设计方案，以实际用电需求为基础，设计以交流微电网为主、直流网络为辅的网架结构，构建风光储一体化混合微电网系统，能够实现并离网自动切换，停电时保障关键负荷运行，电网正常供电时以经济性为目标实现用电成本最小化。
上述研究结果为未来新能源发电技术发展与工程推广提供了重要参考，此外分布式电源的随机性是影响并网电能质量的主要原因，为了保证电网良好的电能质量，需要在系统静态参数配置基础上，对其接入大电网系统后的稳定性进行初步分析。本文针对实际微电网建设工程项目，在系统方案以及静态参数设计基础上，综合考虑微电源的模型，微电源的组网控制策略以及现有微电网并网运行与控制的策略，构建微电网的仿真平台，可为开发一款微电网性能分析软件提供条件，为微电网的实际建设和推广提供参考。
2. 系统设计
项目实施地戴场岛，岛上居民用电现由徐州新沂公司10 kV棋戴114线供电，岛上配变容量3000 (小学变400 + 鱼塘变400 + 马口变400 + 马口南变200 + 马口北变400 + 新庄变200 + 村变400 + 村部2#变400 + 青墩村部2#变200) kVA；专变3台，容量270 (刘琪文变80 + 农村合作社变80 + 新沂市利民水产变80) kVA。目前全岛高峰负荷约1000 kW，戴场岛高峰负荷500 kW，负荷包含村民生活用电、鱼类养殖氧泵、水泵、通信基站及路灯等，且未来负荷增长可能性低。
本期微电网设计由蓄电池储能系统和太阳能与风力发电系统组成。新建一座10 kV微电网一次设备预制舱，将戴场岛2台变压器(村变400 + 村部2#变400)接入新建10 kV一次设备预制舱10 kV母线，将构成一个戴场岛范围内的微电网系统。新建10 kV一次设备预制舱以一回10 kV线路T接至10 kV棋沟114线。微电网建设分布见图1，主要包含：光伏发电系统，安装于戴场岛南侧岛屿，装机容量为400 kWp。风力发电系统，安装于戴场岛东南(备选)、西北角及戴场岛南侧岛屿东南角，共2台50 kW低风速风机。蓄电池储能系统，安装于戴场岛南侧岛屿，蓄电池储能系统容量为320 kW × 5 h。
Figure 1. Distribution map of microgrid construction
图1. 微电网建设分布图
2.1. 方案选择
2.1.1. 方案一：全岛离网型微电网
1) 全岛离网型微电网配置
全岛全年用电量，根据宿迁供电公司资料，全岛2019年用电量约为190万kWh。储能系统，目前岛上高峰负荷约1000 kW，负荷包含村民生活用电、鱼类养殖氧泵、水泵、通信基站及路灯等，且未来负荷增长可能性低。考虑极端天气下，储能对全岛1000 kW高峰负荷24小时供电，即配置1000 kW × 24 h储能系统。考虑1000 kW × 8 h作为备用电源，另外1000 kW × 16 h参与日常微电网供电；光伏发电系统，参考宿迁当地光伏年利用小时数暂按1200小时考虑，参考当地风电资源的典型年利用小时数，风电年利用小时数暂按1500小时考虑。根据表1，为满足全岛负荷电量平衡的需求，若微电网仅配置光伏，则需容量1500 kW。故在戴场岛附近地面安装1500 kWp太阳能光伏发电系统。
Table 1. Capacity demand of micro-grid over the island
表1. 全岛微电网容量需求
风力发电系统，为提高供电可靠性，充分利用骆马湖风资源，根据戴场岛土地资源，考虑在湖边观光带安装3台50 kW风机。所发出的电送入新增的10 kV微电网电站。
2) 全岛离网型微电网优劣势
优势：改变了宿迁戴场岛上居民用电由徐州新沂公司主供电的配电网模式，运行、维护等服务界限更加清晰。光伏、风电及储能系统均在戴场岛，距用户更近，供电半径大幅缩短，线路损耗有效减少，减少了能源浪费。
劣势：如当地光照连日晴好，全岛负荷无法消纳且蓄电池已充满，光伏及风电多发电量无法向公网输送，造成能源浪费。如连续多天天气较差，光伏、风电及蓄电池能量无法对满足全岛负荷用电，需及时评估用电情况，适时提早投入10 kV棋沟114线，如操作不及时或开关拒动后检修不及时，将造成岛上微电网长时间停电，对岛上居民生产生活造成影响，供电可靠性差。
2.1.2. 方案二：全岛非离网型微电网
1) 全岛非离网型微电网配置
储能系统，考虑极端天气下，公网线路发生故障，储能对全岛500 kW重要负荷8小时供电，即考虑500 kW × 8 h储能作为备用电源，为运行抢修提供必要时间；光伏发电系统，根据戴场岛附近岛屿地面资源，安装1500 kWp太阳能光伏发电系统，所发出的电送入新增的10 kV微电网电站；风力发电系统，为提高供电可靠性，充分利用骆马湖风资源，根据戴场岛土地资源，考虑在湖边观光带安装3台50 kW风机。所发出的电送入新增的10 kV微电网电站。
2) 全岛非离网型微电网优劣势
优势：公网仍然实时参与全岛的电力供应，作为强大的供电保障，用电可靠性更高。光伏、风电及储能系统均在戴场岛，距用户更近，供电半径大幅缩短，线路损耗有效减少，减少了能源浪费。如不需要向公网倒送电，可以设置防逆流装置，或在能源系统策略中进行控制。如当地光照连日晴好，全岛负荷无法消纳且蓄电池已充满。光伏及风电多发电量可以向公网输送，能源得以有效利用。
劣势：未改变宿迁戴场岛上居民用电由徐州公司供电的配电网模式。
2.1.3. 方案三：戴场岛非离网型微电网
1) 戴场岛非离网型微电网配置
全岛全年用电量，根据宿迁供电公司资料，戴场岛2019年用电量约为63万kWh；储能系统，考虑极端天气下，公网线路发生故障，储能对全岛320 kW重要负荷5小时供电，即考虑320 kW × 5 h (1600 kW∙h)储能作为备用电源，为运行抢修提供必要时间；风力发电系统，为提高供电可靠性，充分利用骆马湖风资源，根据戴场岛土地资源，考虑在湖边观光带安装2台50 kW风机。所发出的电送入新增的10 kV微电网电站；光伏发电系统，参考宿迁当地光伏年利用小时数暂按1200小时考虑，参考当地风电资源的典型年利用小时数，风电年利用小时数暂按1500小时考虑。根据表2，为满足全岛负荷电量平衡的需求，则需光伏容量400 kW。故在戴场岛附近地面安装400 kWp太阳能光伏发电系统。
Table 2. Capacity demand of micro-grid of Daishan island
表2. 戴场岛微电网容量需求
2) 戴场岛非离网型微电网优劣势
优势：公网仍然实时参与全岛的电力供应，作为强大的供电保障，用电可靠性更高。光伏、风电及储能系统均在戴场岛，距用户更近，供电半径大幅缩短，线路损耗有效减少，减少了能源浪费。如当地光照连日晴好，全岛负荷无法消纳且蓄电池已充满。光伏及风电多发电量可以向公网输送，能源得以有效利用。如不需要向公网倒送电，可以设置防逆流装置，或在能源系统策略中进行控制。
劣势：未改变宿迁戴场岛上居民用电由徐州公司供电的配电网模式。
2.1.4. 方案比选
本工程三个方案投资估算对比表如下表3。综上所述，非离网型微电网能暂时解决戴场岛由徐州供电的配电网模式，但是无法完全脱离徐州电网，仍需由徐州电网作为后备电源，以保证岛上居民生产生活用电的可靠性。另外，由上表可见，戴场岛非离网型微电网投资远低于全岛非离网型微电网。
Table 3. Comparisonof micro-grid investment estimation
表3. 微电网投资估算比对表
2.2. 微电网建设方案
1) 光伏建设方案，因戴场岛面积较小，拟在岛南侧岛屿上安装1500 kWp光伏发电系统。戴场岛地处北纬34˚11'21''，东经118˚11'21''，根据PVsyst光伏软件计算得出当地的Meteonorm光资源情况如图2。当地年平均太阳辐射量4889.88 MJ/m2/a，属我国第三类太阳能资源区域，具有利用太阳能发电，实施光伏发电工程的有利条件。
2) 风力发电建设方案，因戴场岛面积较小，且岛东北角立有电力杆塔，岛西南角立有通信杆塔。故拟主要在岛东南角及西北角安装风机。另外，因戴场岛水域复杂，大型风机无法由水路进入岛屿，本次考虑低风速风机。19.8 kW、30 kW及50 kW风机参数如表1所示，考虑到戴场岛可建设风机地块有限，拟用2台50 kW风机。
3) 储能建设方案，对储能电池类型进行比选，铅炭相比传统铅蓄电池的成本较低，但其能量密度和充放电倍率低，不能满足本项目要求。全钒液流电池能量密度低，成本高、占地面积大。磷酸铁锂作为政府重点推广的电池类型，是将来储能电池的主流技术路线，具备安全可靠、放电深度和充放电倍率高等优势，故采用磷酸铁锂电池。蓄电池储能系统容量按照保证320 kW负荷功率进行配置，容量备用时间为5小时，综合考虑目前储能变流器的容量，本项目中将储能电池的容量设计为320 kW × 8 h。
3. 仿真验证
3.1. 仿真平台建立
根据上述建设方案，基于Matlab/Simulink建立风光储微电网仿真平台。如图2所示，其中风力发电系统采用风机平均模型与双馈发电机模块，光伏发电系统采用光伏模块、最大功率跟踪控制，储能系统采用磷酸铁锂电池模块，微电网为交流并网方式，并网控制采用PQ控制策略。系统参数为：储能系统，磷酸铁锂电池320 KW × 5 h (1600 kw∙h)，风力发电系统共2台50 KW装机容量双馈风机，光伏发电系统地面安装400 kwp太阳能发电系统，一次设备预制舱将两台变压器接入预备舱10 KV母线，并网电压等级10 kV，双向变流器额定容量为320 kW。
Figure 2. Schematic diagram of microgrid simulation platform
图2. 微电网仿真平台示意图
3.2. 电能质量分析
在常规负载下，分别观察并网点电压偏差，电压波动以及谐波特性，如图3、图4所示
采用快速傅里叶变换对各次谐波分量进行分析，表达式如下：
(1)
其反变换为
(2)
结果表明光伏电压波动、风机输出电压波动以及10 kV并网点电压波动都很小，并网点电压、频率偏差均小于0.3%，电压波动值为0.1%，PCS处的总谐波畸变率(THD)为0.8%，一方面验证了建立的仿真平台正确性，同时也表明系统参数设计合理，能够满足设计需求并确保系统稳定运行。
Figure 3. PV A phase voltage and grid-connected harmonic component
图3. 光伏a相输出电压曲线和光伏并网谐波含量
Figure 4. Wind power A- phase voltage and grid-connected harmonic component
图4. 风机a相输出电压曲线和风机并网谐波含量
4. 结论
本文设计的微电网发电系统装机容量400 kW光伏及100 kW风电，年平均发电量630 MWh，与相同发电量的火电相比，每年可为电网节约标煤约205 t (火电煤耗按326 g/kWh计)。同时相应每年可减少燃煤所造成的多种有害气体的排放，减少相应的水力排灰废水和温排水等对水环境的污染，具有明显的环境效益和节能效益，同时，本文对照建立的仿真平台，验证了系统方案与容量配置的正确性。
基金项目
本文研究获得江苏省研究生实践创新项目“基于多能互补的综合能源利用技术及建模仿真研究，SJCX20_0440”、企业横向项目“微电网系统建模仿真与平台开发，科技开发20-016”资助。