微电网（Micro-Grids）正在成为未来智能电网的一个重要方面，它具有控制灵活性，可靠性和更好的电能质量。我国有丰富的可再生资源，有利于微电网的开发和应用。近年来建成的微电网示范项目显示了中国微电网的未来发展方向。协调控制技术和先进的电力电子技术为微电网的研究和开发提供重要的信息和保障。研究表明，在中国微电网发展过程中，挑战和机遇并存，中国微电网的发展前景广阔。

微电网（Micro-grid）定义

美国电气可靠性技术解决方案联合会(CERTS-Consortium for Electric Reliability Technology Solutions) 给出的定义为：可独立运行或者与周边电网连接的分布式能源（如太阳能，风能等）、能源存储及电力负载系统。

欧盟微电网项目( European Commission Project Micro-grids) 给出的定义是：包分布式能源（小型电机、燃料电池、光伏等）的低压配电系统、能源存储装置及灵活的负载系统。该系统可与主电网（Main- Grid）连接或独立操作，通过有效的管理和协调进而提高整个用电系统的效率。

微电网研究院（Micro-grid Institute）给出的定义是：微电网是一种小型能源系统，能够平衡自备供需资源，以在规定的边界内维持稳定的服务。

Fig. 1 微电网系统.

微电网发展趋势

目前，微电网安装数量虽然很少，但在我国乃至全世界范围来看，微电网安装数量承持续上涨的趋势。国际能源署（IEA）评估结果显示，目前全世界范围内70%的新兴用电区域或电网未接入区域将需要使用微电网解决方案进行连接，其总投资额将达到3910亿美元。

Fig.2 世界电力投资结构. (IEA Energy Access Outlook 2017)

能源发展与环境保护一直是我国政府的一个关键性问题。 我国早已超越美国成为世界领先的二氧化碳排放国。依靠煤炭作为主要能源不仅造成了大量的二氧化碳排放，而且还造成了不健康的空气质量。 因此，寻找替代能源是政府未来可持续发展的首要环境优先事项。中国西部有充足的可再生能源资源，然而大部分能源使用集中在东部沿海地区。鉴于可再生能源的间歇性和长距离传输的挑战，在当地收获清洁和可再生能源具有极大的潜力，开发微电网已成为一个重要的研究领域。

近年来我国为开发微电网项目做了大量工作，然而目前的示范项目往往侧重于展示技术而不是运营模式，并且对经济效益的理解也被忽略了。中国未来开展微电网示范项目的建议如下：

— 为各种类型的示范项目定义明确的目标和目标。

— 向微网潜在用户、大电网乃至整个社会阐明预期收益的范围。

— 从以技术为导向的示范转向技术加市场机制和商业模式演示，使项目能够适应当前市场。

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软件介绍

 

可再生能源系统（微电网）运行及经济评估软件集成光伏发电、风力发电、燃料电池发电、柴油发电机等分布式能源（DERs）计算模块，根据气象数据计算负荷需求及分析电力供需状况，并配以蓄电（ESS）模块，结合初期投资方案及电力交易系统模型（独立、并网）进行计算，主要针对分布式能源及微网项目开发提供前期的优化方案、可行性研究及经济收益分析。

软件结构

软件按照运行过程可分为三大部分：参数条件输入，设备运行及经济性分析，运算结果导出，其中，参数条件输入包括以下几种模块：

> 地理\ 天气数据：海拔、经纬度、风速、辐射量、温度、湿度等；

> 负荷模型：根据产业类型不同而生成的电、热负荷数据（8760小时）；

> 设备类型参数：光伏、风电、柴油机、燃料电池、电力存储等设备的基本容量装机数量等参数；

Fig.3 可再生能源系统（微电网）运行及经济评估软件结构

天气数据是整个软件运行的支撑，软件的运行是在天气数据的基础上，结合负载模型、设备参数模型达到需求和响应的平衡，计算得到各种设备年、月、日、时的发电量输出、发电效率、一次能源（柴油、天然气）消耗等设备运行状况和成本回收周期（ PP， Payback Period） 、 内部收益率（IRR，Internal Rate of Return）、净现值（NPV，Net Present Value）等经济性分析结果。再根据不同的设备选型、投资方案、政策约束等边界条件，通过线性分析法、广义梯度法、渐进分析法等优化模型，进而输出得到最优的设备选型及投资方案。

功能模块介绍

地理\ 天气数据：

气象数据是可再生能源设备分析的必要参数。本款软件使用韩国气象厅（KMI ）所提供的来自103个观测点的天气信息，生成了韩国28个城市的天气数据库。该数据库采用标准的TMY2格式编辑，涵盖了经纬度及全年8760小时的大气温度、太阳辐射量、风速、大气压等全面的气象数据。用户也可根据需求，编辑所在地气象信息并录入软件数据库使用。

负荷模型：

在负荷预测方面，本软件为用户提供了用户自定义负荷和建筑类型功能化区分标准负荷模型两种负荷输入方式。

用户自定义负荷：自定义负荷可通过第三方软件（TRNSYS、Ener gyPl us等）建模计算获取（计算精度高，但软件操作复杂，耗时长，购买软件成本高），或者通过目标地区相似功能化建筑实测数据预测（可靠性高，完整数据来源较少）。该输入方式适合在项目开发前期已经拥有可靠的模拟或者实测负荷数据的用户采用。

建筑类型功能化区分标准负荷模型：该负荷输入方式基于韩国天气数据状况，制定了标准的冷、热、电模型。用户只需选择项目地点、建筑类型及面积、朝向，横纵比等建筑设计参数，软件内部通过不同建筑功能标准负荷配置及建筑参数的校正因子计算得到全年负荷数据。（可操作性强，局限性在于目前仅适用于韩国地区，针对韩国以外国家和地区，需进行模块的二次开发。）

 

Fig.4 建筑类型功能化区分标准负荷模型

光伏电池：

PV太阳能发电以选取的设备型号参数为输入条件，结合天气数据（辐射量、大气温度等）按照以下主要控制方程计算，( 参阅附录[ 1] ) 。除基本发电量计算公式外，PV模块还整合了基于设备运行状态为变量的逆变器和最大输出点追踪（MPPT）计算模型。

 

Fig.5 韩国28个主要城市光伏月发电量计算结果

（CS6X-295X,CanadianSolar）

Fig.5为以CS6X-295X型号PV模块出厂参数为基本设置，采用全韩国28个城市的天气数据进行计算得出的PV模块月发电量。为了验证软件计算模型的准确性，软件的输出结果与HOMER和TRNSYS两款知名软件做了结果对比验证。在天气数据、设备参数完全相同的情况下，验证结果良好（见Fig.6）。

 

 Fig.6 光伏月发电量计算结果验证 vs TRNSYS\Homer

（CS6X-295X,CanadianSolar @   韩国仁川）

风力发电：

风力涡轮机发电的计算方法有很多种，比如使用涡轮机性能曲线计算的Betz理论和使用风速平均值和标准偏差的 Weibull 分布模型等。方程（2）定义了风速和发电量之间的相关性计算方法。同时，模块还整合了空气密度随风机高度变化以及基于边界层理论的垂直风速变化模型( 参阅附录[ 1] ) ，使计算结果更加接近实测数值。

Fig.7 韩国28个主要城市风力涡轮发电月发电量计算结果

( FD21- 100- 12, GHREPOWER)

Fig.7为以FD21-100-12型号风力涡轮发电机出厂参数为基本设置，采用全韩国28个城市的天气数据进行计算得出的风机月发电量。为了验证软件计算模型的准确性，软件的输出结果与HOMER和TRNSYS两款知名软件做了结果对比验证。在天气数据、设备参数完全相同的情况下，验证结果良好（见Fig.8）。

 

Fig.8 风力涡轮发电机月发电量计算结果验证 vs TRNSYS\ Homer

（FD21- 100- 12, GHREPOWER @ 韩国光州）

燃料电池和柴油燃机：

燃料电池和柴油发动机发电机可以用与热电联产模型相同的方式解算，因为它们使用燃料产生电和热。不同之处在于燃料电池依赖于电化学方法，而柴油发电机依赖于燃烧。在电能产生和热回收方面，使用热效率和热回收效率的宏观指标进行模拟是方便的。通过根据电力负荷实现部分负荷运行，可以根据运行模式降低燃料成本。对于部分负荷运行，需要根据每小时的电力负荷计算必要的燃料电池发电负荷，并以适当的负荷比运行。根据部分负荷比，利用发电效率，燃料消耗率和发热量的性能函数构建部分负荷运行分析( 参阅附录[ 1] ) 。

 

Fig.9 燃料电池\燃机的燃料消耗量与燃烧效率与负荷比相关性。

电力存储系统：

能量存储系统作为应对功率过载状态的手段变得重要。大容量电池储能装置的优点在于，通过对剩余电力充电并在最大峰值负荷下放电，极大提高了系统电力需求响应的灵活性。由于不稳定性和不可预测的可再生能源的增加，电池储能系统的功能将极大提高电力系统运行的稳定性。

铅酸电池：

铅酸电池性能计算采用通用的Shepher d ( 1965) 和Hyman( 1977) 模型。该模型根据串行和并行阵列的配置输入单位单元的电容和容量。通过给出的每个时区的特性曲线求解微分方程，计算电池的充电率，充电或放电的工作电流和电压之间的关系。方程（4）是Shepher d和Hyman铅酸电池计算模型公式：

锂离子电池：

大容量锂离子电池性能计算采用动态电压模型和动能电池模型计算，其中，动态电压模型一种通用的化学模型，模型参数从电池数据表中提取，见方程（5）：

方程（6）、（7）和（8）描述了动能电池模型的边界和可用容量之间的相互作用：

Fig.10 显示了由可再生能源设施（包括电池）组成的智能电网的能源管理系统（EMS）的运行概念。 EMS通过使用新能源和可再生能源的发电来响应电力需求，并控制与电网连接销售剩余电力的能力。

 

Fig.10 电力存储装置在微电网中运行示意图（并网）。

冷热电三联产及区域供热\ 冷（CCHP&DHC）：

冷热电三联产及区域供热\ 冷模块目前尚未整合到此款软件中，但团队拥有着丰富的项目开发经验，可根据用户需求通过二次开发添加CCHP&DHC模块。

 

Fig.11 CCHP&DHC系统解算流程图

冷热电三联产及区域供热\ 冷系统包括了电负荷、热负荷、大型热电联产电厂、小型热电联产设备、换热器、吸附式冷冻机及储热装置，在满足用户基本用电负荷的基础上，进行余热回收供热、供冷，并配以储热装置提高回收热的使用率。该系统引入了最新低温区域供热既第四代区域供热概念（Low Temperature District Heating，LTDH or 4GDH），既供热温度在50到70℃、回水温度在25到40℃之间，极大的提高了发电回收热的使用效率。目前低温区域供热\ 冷+冷热电三联产已经成为国际上主流的用户解决方案。（参阅附录[5]）

 

附录：

[1] Mo Chung, Ki-Yeol Shin, Dae-Seong Jeoune, Shin-Yeol Park, Wu-Jong Lee; Economic Evaluation of Renewable Energy Systems for the Optimal Planning and Design inKorea – A Case Study; Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems 6 (2018) 725-741.

[2] Mo Chung, Hwa-Choon Park; Development of a software package for community energy system assessment; Energy 35 (2010) 2767-2776.

[3] Mo Chung, Hwa-Choon Park; Comparison of building energy demand for hotels,hospitals, andoffices in Korea; Energy 92 (2015) 383-393.

[4] Jie Liu, Dae-Hun Chung, Mo Chung, Yong-Hoon Im; Development of load models and operation simulator for a building complex with mixtures of multi-typeengines and renewable devices; Energy and Buildings 158 (2018) 831–847.

[5] Jie Liu，Yong-Hoon Im；Feasibility study on the low temperature district heating and cooling system with bi-lateral heat trades model；Energy 153 (2018) 988-999.