占曉友，文水梟，邵 華

(國網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，安徽 合肥 238000)

基于拓撲結(jié)構(gòu)與單元位置選擇的微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

占曉友，文水梟，邵 華

(國網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，安徽 合肥 238000)

微電網(wǎng)技術(shù)因其能夠高效環(huán)保地整合各種分布式發(fā)電(distributed generation, DG)單元并入大電網(wǎng)系統(tǒng)而得到越來越多的重視，同時微電網(wǎng)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用必須要考慮經(jīng)濟性，其經(jīng)濟性評估取決于系統(tǒng)的成本。微電網(wǎng)系統(tǒng)成本包括了各DG單元的投資、運行、維護成本以及微電網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)損費用。該文重點針對網(wǎng)損費用，對比分析了3種具有代表性的拓撲結(jié)構(gòu)，給出了基于拓撲結(jié)構(gòu)與單元位置選擇的微電網(wǎng)放置方案。利用MATPOWER仿真軟件對微電網(wǎng)不同放置位置進行潮流計算分析，得出各種方案下系統(tǒng)網(wǎng)損費用。對比發(fā)現(xiàn)不同拓撲結(jié)構(gòu)下的微電網(wǎng)系統(tǒng)所需的經(jīng)濟成本有所不同，而在同一拓撲結(jié)構(gòu)下，DG單元放置位置不同，也會影響微電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析。采用雙電網(wǎng)并入式環(huán)狀結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)成本最低，輻射狀拓撲結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)成本最高。

微電網(wǎng)；經(jīng)濟性；拓撲結(jié)構(gòu)；單元放置位置；網(wǎng)損費用；雙電網(wǎng)并入式

0 引言

微電網(wǎng)技術(shù)是現(xiàn)今世界上電力工業(yè)公認的發(fā)展方向。微電網(wǎng)中通常包含多種微型發(fā)電單元，其中包括太陽能光伏發(fā)電，風能發(fā)電，微型燃氣輪機發(fā)電，燃料電池和柴油機發(fā)電等，各發(fā)電單元具有獨特的機組特性。隨著微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，微電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計逐漸成為研究的方向。其中，系統(tǒng)的經(jīng)濟性正受到越來越多的關(guān)注。由于微電網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的不同以及各單元放置位置的不同，微電網(wǎng)系統(tǒng)成本有所區(qū)別。雖然短時間內(nèi)各種拓撲結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)成本影響較小，但隨著時間的積累，此因素會使微電網(wǎng)總設(shè)備的年費用有明顯差異。

目前，國內(nèi)外針對微電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析主要是通過對微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量調(diào)度進行的，其中文獻[1]包括對微網(wǎng)系統(tǒng)各DG單元的優(yōu)化配置和經(jīng)濟運行。針對分布式發(fā)電系統(tǒng)，文獻[2]通過對配電網(wǎng)所含分布式發(fā)電(distributed generation, DG)單元的定容和選址，實現(xiàn)配電系統(tǒng)的最優(yōu)規(guī)劃。在考慮系統(tǒng)優(yōu)化時主要以系統(tǒng)本身的發(fā)電單元為目標。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，文獻[3]主要講述了微網(wǎng)常見的拓撲結(jié)構(gòu)，但未針對具體的微電網(wǎng)系統(tǒng)進行經(jīng)濟性分析和評估。與已有的研究工作不同，本文著眼于微網(wǎng)網(wǎng)損成本，主要針對常見的3種典型拓撲結(jié)構(gòu)下微電網(wǎng)經(jīng)濟性進行對比分析，同時也研究在同一拓撲結(jié)構(gòu)下，發(fā)電單元選址的不同對微電網(wǎng)系統(tǒng)成本的影響。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)按結(jié)構(gòu)分為3種，直流微網(wǎng)、交流微網(wǎng)、交直流混合微網(wǎng)。

1.1 直流微網(wǎng)

直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其特征是系統(tǒng)中的DG單元、儲能裝置、負荷等均通過電力電子變換裝置連接至直流母線[4-5]，直流網(wǎng)絡(luò)再通過逆變裝置連接至外部交流電網(wǎng)。直流微網(wǎng)通過電力電子變換裝置可以向不同電壓等級的交流、直流負荷提供電能，DG單元和負荷的波動可由儲能裝置在直流側(cè)補償。

1.2 交流微網(wǎng)

交流微網(wǎng)仍然是微網(wǎng)的主要形式，其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。在交流微網(wǎng)中，DG單元、儲能裝置等均通過電力電子裝置連接至交流母線，通過對公共連接點(common connection point, PCC)端口處開關(guān)的控制[6-7]，可實現(xiàn)微網(wǎng)并網(wǎng)運行與孤島運行模式的轉(zhuǎn)換。

1.3 交直流混合微網(wǎng)

在圖3所示的微網(wǎng)中，既含有交流母線又含有直流母線，既可以直接向交流負荷供電又可以直接向直流負荷供電，因此可稱為交直流混合微網(wǎng)。但從整體結(jié)構(gòu)分析，實際上仍可看做是交流微網(wǎng)，直流微網(wǎng)可看做是一個獨特的電源通過電力電子逆變器接入交流母線。

1.4 直流微網(wǎng)與交流微網(wǎng)對比

相比于交流微網(wǎng)，直流微網(wǎng)由于各與直流母線之間僅存在一級電壓變換裝置，降低了系統(tǒng)建設(shè)成本，在控制上更易實現(xiàn)；同時，由于無需考慮各DG單元之間的同步問題[8]，在環(huán)流抑制上更具優(yōu)勢。

交流微網(wǎng)為目前微網(wǎng)實驗系統(tǒng)建設(shè)的主流結(jié)構(gòu)，但直流微網(wǎng)系統(tǒng)以其特有優(yōu)勢，在微網(wǎng)實驗系統(tǒng)建設(shè)中也應(yīng)得到重視，組建交直流混合微網(wǎng)實驗系統(tǒng)，不失為發(fā)揮二者優(yōu)勢的一種可行選擇。

2 微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的引入

微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)對微電網(wǎng)經(jīng)濟成本的影響主要體現(xiàn)在網(wǎng)損量上的不同，而微電網(wǎng)的電氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可借鑒分布式發(fā)電系統(tǒng)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。文獻[9]所提供的配電網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4—6所示。

3 微電網(wǎng)各單元放置位置方案

文獻[10-11]將同一種拓撲結(jié)構(gòu)下的各DG單元、分布式儲能(distributed storage，DS)以及各負荷的相對位置進行了全排列組合。下面以輻射狀拓撲結(jié)構(gòu)為例進行簡單闡述。

將各DG單元、DS以及各負載單元所在位置分別進行標號。例如圖7中可標為a、b、c、d、e、f、g。本算例結(jié)合了已搭建完善的實驗平臺，假設(shè)光伏、蓄電池及其近端的交流負載三者都是連接在MC-BOX上[12-13]，各單元相對距離較近，并與并網(wǎng)接入點保持相對位置不變，故三者的相對位置和布局不予改變。故只對標號為a、b、c、d的單元(風機、超級電容、燃料電池、交流負載)的位置進行改變。根據(jù)數(shù)學相關(guān)排列組合的知識，總共有4×3×2=24種不同的放置方案(表1)。

4 微電網(wǎng)網(wǎng)損費用

主要從年費用角度上進行評估，微網(wǎng)的經(jīng)濟成本包括在規(guī)劃期內(nèi)DG單元的投資成本、運行成本、維護成本和網(wǎng)損費用。

表1 不同放置方案對應(yīng)編號Table 1 Corresponding number to different placement

從輸電線路和變壓器的等值電路看，電力網(wǎng)的電能損耗由2部分[14]組成：一部分是導線和變壓器繞組電阻上的損耗，這部分損耗隨著通過元件的電流或功率的增大而增大，稱為可變損耗；另一部分是輸電線路和變壓器等值電路中并聯(lián)電導中的有功損耗，這部分損耗與施加于元件的電壓有關(guān)，而與通過元件的功率幾乎無關(guān)，根據(jù)電力網(wǎng)對電壓質(zhì)量的要求，電網(wǎng)運行電壓一般不會偏離額定值太多，因此，這部分損耗基本不變，故又稱為固定損耗。

受到電氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和各發(fā)電負載儲能單元放置位置的影響，各方案下網(wǎng)損差別明顯，主要體現(xiàn)在電力網(wǎng)的可變損耗方面，故本文中主要以微電網(wǎng)網(wǎng)損費用為研究對象。

本文主要利用MATPOWER仿真軟件對微電網(wǎng)進行潮流計算分析，得出各種方案下系統(tǒng)網(wǎng)路損耗，再與單位電量費用相結(jié)合，算出電氣網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)損費用，并對不同情況進行分析，選出微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)最優(yōu)方案。

5 實例計算

拓撲結(jié)構(gòu)變換的思想是：從1個初始的輻射型網(wǎng)絡(luò)開始，閉合1條聯(lián)絡(luò)支路，形成1個回路，形成環(huán)路結(jié)構(gòu)。再考慮到多路并入電網(wǎng)，產(chǎn)生新的拓撲結(jié)構(gòu)。

參考實際DG單元的布局與相關(guān)文獻[15]提供的現(xiàn)行結(jié)構(gòu)，圖7—9為微電網(wǎng)系統(tǒng)3種具有代表性的拓撲結(jié)構(gòu)圖(結(jié)合實際的光伏發(fā)電、風機、燃料電池、超級電容、蓄電池單元，此算例中假設(shè)光伏、蓄電池、負載三者空間位置相鄰，故按同一節(jié)點處理)。圖7為輻射式拓撲結(jié)構(gòu)，圖8為雙并入電網(wǎng)下拓撲結(jié)構(gòu)，圖9為雙并入電網(wǎng)下帶環(huán)狀拓撲結(jié)構(gòu)。

按照實際的微電網(wǎng)系統(tǒng)示范工程的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，對各DG單元、蓄電池、負載設(shè)定相關(guān)參數(shù)。利用MATPOWER軟件計算3種拓撲結(jié)構(gòu)下的網(wǎng)損情況如表2所示。

表2 3種拓撲結(jié)構(gòu)在并網(wǎng)和孤島下的運行網(wǎng)損Table 2 Operation power losses of three topologies in grid connection and isolated island

結(jié)合第3節(jié)各分布式單元的放置位置的不同規(guī)劃，計算出微電網(wǎng)各單元不同放置方案下的微電網(wǎng)系統(tǒng)1年網(wǎng)損費用，以投資成本大約在50萬元的微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)為例，如表3和圖10所示。

表3 3種拓撲結(jié)構(gòu)下發(fā)電單元不同位置放置下的網(wǎng)損費用Table 3 Power loss cost of in different locations of generating units under three topologies 萬元

通過對比圖10這3種拓撲結(jié)構(gòu)下針對不同選址方式(橫坐標)下年網(wǎng)損費用(豎坐標)的成本目標函數(shù)。交流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，第3種拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)損最小，第1種拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)損最大。結(jié)合表2、3相關(guān)數(shù)據(jù)可知，雙電網(wǎng)并入式環(huán)狀結(jié)構(gòu)下微電網(wǎng)成本最低，輻射狀拓撲結(jié)構(gòu)下微電網(wǎng)成本最高。

在同一拓撲結(jié)構(gòu)下，各微電網(wǎng)單元放置方式不同。以表3輻射狀拓撲結(jié)構(gòu)下的微電網(wǎng)成本為例，24種選址方式下網(wǎng)損費用不同，其中第八種選址方式網(wǎng)損最低，成本最小。顯然，當微電網(wǎng)電源接到末端負荷節(jié)點上時，通過線路的有功和無功都將減少，從而改變線路的負載能力。通過分析可知，微電網(wǎng)電源和負荷單元相對位置的不同，導致了整個微電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)損差異。通過對各網(wǎng)絡(luò)布局下的潮流計算。從大體上看，微電網(wǎng)中，負荷單元鄰近兩側(cè)均有微電網(wǎng)電源時，則該微電網(wǎng)的網(wǎng)損相對較低。

6 結(jié)語

在其他成本相同時，網(wǎng)損費用的不同決定了微網(wǎng)不同拓撲結(jié)構(gòu)下最后成本的差異。選取的拓撲結(jié)構(gòu)具有一定的代表性，但不能完全覆蓋所有領(lǐng)域的拓撲結(jié)構(gòu)。不同的拓撲結(jié)構(gòu)導致了能量在各發(fā)電單元和線路上的不同分布，在保證能量平衡及電壓頻率穩(wěn)定的前提下選擇一種較優(yōu)的拓撲結(jié)構(gòu)具有很大的現(xiàn)實意義。各單元放置位置的不同，也能影響微電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。本文潮流計算依據(jù)各發(fā)電單元某一穩(wěn)定時刻的有功和無功輸出量，而負載數(shù)據(jù)依照實際所需有功和無功大小，基于拓撲結(jié)構(gòu)與微電網(wǎng)各單元放置方式下的系統(tǒng)經(jīng)濟性分析取決于各發(fā)電單元出力和負載的需求大小。在機組出力大小和需求確定的微電網(wǎng)運行狀態(tài)下，選擇一種最優(yōu)的微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)和最佳的單元選址方式對微電網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計具有非常重要的意義。

[1] CAISHENG W， NEHRIR M H． Power management of a standalone wind/photovoltatic/full cell energy system[J]． IEEE Transactions on Energy Conversion， 2008， 23(3)： 957-967．

[2] YU H S， TENG Z B， YU J P， et al． Energy-shaping and passivity based control of three-phase PWM rectifiers[C]//2012 10th World Congress on Intelligent Control and Automation(WCICA)． Beijing， China： IEEE， 2012： 2844-2846．

[3] SERRA F M， DE ANGELO C H， FOECHETTI D G． IDA-PBC control of a three-phase front-end converter[C]//IECON 2012-38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society． Montreal， QC， Canada： IEEE， 2012： 5203-5208．

[4] EROL-KANTARCI， MOUFTAH H T． Reliable overlay topology design for the smart microgrid network[C]//IECON 2011-12th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society． Montreal， QC， Canada： IEEE， 2011： 3112-3116．

[5] MOROZUMI S， KIKUCHI S， CHIBA Y， et al． Distribution technology development and demonstration projects in Japan[C]//Proceedings of Power & Energy Society General Meeting-Conversion & Delivery of Electrical Energy in the Century. Pittsburgh: IEEE, 2008.

[6] LIU F C， LIU J J， ZHANG B． Energy management of hybrid energy storage system(HESS) based on sliding mode control[C]//2012 7th Intelnational Power Electronies and Motion Control conference(IPEMC)． Harbin， China： IEEE， 2012： 406-410．

[7] CECATI C， AQUILA A D， LECCI A， et al． Implementation issues of a fuzzy-logic-based three-phase active rectifier employing only voltage sensor[J]． IEEE Transactions on Industrial Electuonics， 2005， 52(2)： 378-385．

[8] LEE T S． Lagrangian modeling and passivity-based control of three-phase AC/DC voltage-source converters[J]． IEEE Transactions on Industrial Electronices， 2004， 51(4)： 892-896．

[9] BROWN R E， FREEMAN L A A． Analyzing the reliability impact of distributed generation[J]． IEEE Power Engineering Society Summer Meeting， 2002(1)： 1013-1018．

[10] LASSETER R H． Microgrids[C]//2002 IEEE Power Engineering Society Winter Meeting． New York， USA： IEEE， 2002： 305-308．

[11] EROL-KANTARCI M， KANTARCI B． MOUFTAH， H． Reliable overlay topology design for the smart microgrid network. Network[J]． Network IEEE， 2011， 25(5)： 38-43．

[12] 王成山， 王守相． 分布式發(fā)電供能系統(tǒng)若干問題研究[J]． 電力系統(tǒng)自動化， 2008， 32(20)： 1-4． WANG Chengshan， WANG Shouxiang． Study on several problems of distributed generation energy system[J]． Automation of Electric Power Systems， 2008， 32(20)： 1-4.

[13] 梁有偉， 胡志堅， 陳允平． 分布式發(fā)電及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究綜述[J]． 電網(wǎng)技術(shù)， 2003， 27(12)： 71-75． LIANG Youwei, HU Zhijian, CHEN Yunping． Review of distributed generation and its application in power system[J]. Power System Technology， 2003， 27(12)： 71-75．

[14] 王小君， 鮑海． 電力系統(tǒng)節(jié)點輸電網(wǎng)損成本分析[J]. 中國電機工程學報， 2008， 28(13)： 120-124． WANG Xiaojun, BAO Hai． Analysis of transmission network losses in power system nodes[J]． Transactions of China Electrotechnical Society， 2008， 28(13)： 120-124．

[15] 劉志鵬， 文福拴， 薛禹勝， 等. 計及可入網(wǎng)電動汽車的分布式電源最優(yōu)選址和定容[J]． 電力系統(tǒng)自動化， 2011， 35(18)： 11-16． LIU Zhipeng， WEN Fushuan， XUE Yusheng， et al． Optimal location and constant volume of distributed power supply considering grid-connected electric vehicle[J]． Automation of Electric Power Systems， 2011， 35(18)： 11-16．

(編輯 蔣毅恒)

Economic Analysis of Microgrid System Based on Topological Structure and Unit Location

ZHAN Xiaoyou， WEN Shuixiao， SHAO Hua

(Inspection and Repair Company of State Grid Anhui Electric Power Company, Hefei 238000, Anhui Province, China)

Microgrid technology has been increasingly concerned for its high efficiency and environmental integration of various distributed generation (DG) units into large power grid system. The wide application of micro-grid system should consider the economy, and the economic evaluation depends on the system cost. The cost of microgrid system covers the investment, operation and maintenance cost of all GD units, and the power losses of microgrid system. The power losses cost, especially for 3 typical topological structure, was compared to determine the microgrid layout solutions based on topological structure and unit location selection. MATPOWER simulation software was introduced to calculate the power flow in different location of microgrid to get the power loss cost. The results show that the economic cost of microgrid system depends on its topological structure; the location of DG units has effect on the economic analysis of the microgrid system for the same topological structure. The microgrid with dual-grid integrated ring structure is of the lowest cost, and that with radial topology is of the highest cost.

microgrid； economy； topological structure； unit location； power loss； dual power grid integration

TK02;TM76

： A

： 2096-2185(2016)03-0049-06

2016-10-29

占曉友(1971—)，男，高級工程師，主要從事智能電網(wǎng)繼電保護技術(shù)工作，xiaoyou_z@126.com；

文水梟(1987—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事智能電網(wǎng)運維技術(shù)研究工作；

邵 華(1987—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事智能電網(wǎng)運維技術(shù)研究工作，shaoh0098@outlook.com。