微网规划设计方法与软件_肖峻

首先根据工程目标确定微网的应用模式。 1）原始数据的获取与分析。获取历史光照、 风速、负荷数据。根据历史统计数据，用月平均风
第 25 期
肖峻等：微网规划设计方法与软件
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速通过二参数 Weilbull[15]分布生成全年风速数据， 用月平均光照生成全年光照数据[16]； 也可通过给出 典型日的风速、光照数据扩展成全年数据。负荷数 据的处理借鉴了 HOMER 软件的处理方式， 根据输 入的典型日数据，考虑负荷增长率以及季节性加入 随机波动，扩展成全年的负荷数据。 2）分布式电源规划。以经济最优为目标，根 据当地气象资源以及负荷情况对分布式电源进行 优化，得到间歇性 DG 和可控性 DG 的容量。 3）储能系统规划。储能系统规划包括间歇性 分析、储能容量优化、ESS 实现设计 3 部分内容。 ①间歇性分析。对可再生能源输出功率进行频 谱分析和概率统计，从时域和频域两方面分析功率 的间歇性和波动性。 ②储能容量优化。 选择储能类型(功率型， 如超 级电容器；能量型，如蓄电池；或两者混合)并设置 储能的控制策略；设置平滑输出模式中滤波器截止 频率或削峰填谷场景中的削峰触发功率。利用容量 优化算法计算得到储能的能量容量和功率容量。 ③ESS 实现设计。ESS 设计包括能量转换系统 (power conversion system， PCS)和储能元件的设计。 PCS 的设计主要是针对储能双向逆变器的设计。根 据 ESS 功率容量的需求，同时考虑系统功率因数， 确定逆变器容量；选用不同类型的逆变器(单级式、 单级带变压器式、 双级式)， 计算直流电压范围并进 行能耗分析。储能元件设计按照电压范围和总容量 匹配的原则，对储能元件选型并进行串并联设计， 形成多个完整的设计方案。 4）微网方案评估。对以上产生的多个微网设 计方案进行仿真和技术经济评估，以其中经济性和 技术性结合最佳的方案作为最终推荐方案。
原始数据 获取与分析
分布式 电源规划
生成多方案
微网方案 评估
技术评估
经济评估
方案对比 最终设计方案
图1 Fig. 1
微网规划设计流程图
Flow chart of planning and designing of microgrid
1 PDMG 规划设计流程
1.1 应用场景 PDMG 软件的应用场景涵盖负荷平衡、 平滑联
负荷平衡模式 平滑输出模式 正常并网 并网 调度模式 削峰填谷 系统备用 计划发电 混合模式 内部故障 孤岛 负荷平衡 内部无故障 内部故障 平滑+削峰等
Microgrid)。 该软件具备间歇性数据分析、 分布式电 源及储能容量优化、储能系统实现设计以及结合专 家干预的技术经济比较等较为完整的微网规划设 计功能。本文通过天津生态城某微网示范工程应用 来验证软件的有效性，并与 HOMER 和 Hybrid2 进 行较为全面的对比。 DG 和 ESS 的规划设计是微网规划设计的主要 内容。DG 可分为间歇性 DG(如风机、光伏等)和可 控性 DG(如柴油发电机、 微型燃气轮机等)。 间歇性 DG 规划设计主要是根据可利用的能源情况(风能、 太阳能等)和微网负荷要求， 以供电可靠性以及经济 性最优为目标进行优化并确定微网中 DG 的容量； 根据不同的调度策略，以配合间歇式 DG 满足负荷 要求为目标优化可控性 DG 的容量[7-8]。 ESS 容量优化的研究现状如下：HOMER 软件 只可以通过对有限个设定方案进行比较，得出其中 经济最优的方案[9]；文献[10]以风电场运行案例提 出了储能装置配合大型风电场的容量配置方案，但 是并没有给出通用的优化方法；文献[11]提出了用 于平滑可再生能源功率输出的储能容量优化方法， 采用反傅里叶变换产生储能指令，然后结合电量平 衡的原理进行容量优化，但是系统损耗考虑较为粗 略；文献[12]通过研究风电场风速的概率分布来确 定储能最小容量，能够以较小的储能容量达到稳定 风电场功率的要求，文献[13]在短期风电预测的基 础上对储能容量进行优化，并考虑了预测误差，但 是文献 [12-13] 所述方法仅用于集中式风电配套储 能的优化，未推广到微网中；文献[14]研究了微网 并网及孤岛 2 种模式下的储能容量优化方法，在满 足系统充放电要求的同时能够达到总经济收益最 佳，但是没有考虑储能荷电状态(state of charge， SOC)的限制。 以上文献均从系统所需能量来配置储 能容量， 没有考虑储能外特性和 ESS 的损耗(或者粗 略地考虑了损耗)。 储能的外特性对于储能的运行以 及损耗都有很大影响， 考虑储能外特性可以使容量优 化的结果更接近对储能的实际需求。为使优化结果 更加精确，本文提出一种考虑储能外特性以及 ESS 实际损耗的储能容量优化方法， 并在 PDMG 中实现。
0 引言
分布式能源技术的迅速发展带来了巨大的社 会效益和经济效益。微网技术能够有效地将分布式 电源(distributed generation，DG)、负荷和储能系统 (energy storage system，ESS)融合成一体，形成对大 电网友好可控的单元。 分布式电源及配套储能系统的类型、容量、位 置以及网架结构对微网运行有着很大的影响[1-3]， 这 些问题都需要在微网规划设计阶段确定。目前国外 已经开发了一些微网规划设计方面的软件，其中应 用较为广泛的是美国能源部可再生能源实验室开 发的 HOMER[4]和 Hybrid2[5]，但是其在实际工程应 用中也存在一定局限性：HOMER 虽能对间歇式电 源与储能系统进行稳态仿真和优化容量配置，但无 法自动生成平滑输出、削峰填谷等场景下的目标曲 线，需要人工输入，不能很好地满足用户需求； Hybrid2 虽具有强大的仿真功能但不具备优化功 能，也不能完全满足用户需求。因此，本文根据几 个微网示范工程中规划设计的需要，并借鉴 HOMER 和 Hybrid2 的优点，在天津大学配电网规 划软件平台[6]基础上研制了一套实用的微网规划设
1.2
系统功能及设计流程 本文采取流程化的微网规划设计方法，如图 1
所示，主要包括原始数据获取与分析、分布式电源 规划设计、储能系统规划设计和微网方案评估。
设定微网运行模式 获取历史气象数据(风速， 光照)、 负荷数据 目标年风速、 光照、 负荷数据 间歇性 DG 容量优化 可控性 DG 容量优化 间歇性分析 储能系统 规划 储能容量优化 ESS 实现设计 PCS 设计 储能元件设计
与国外软件 HOMER 和 Hybrid2 进行了对比，结果表明， PDMG 具有以下优势：在规划方法上更先进，提出并实现 了基于 3 阶巴特沃兹低通滤波器、 计及储能外特性与详细损 耗的储能容量优化方法，其最优性明显好于 HOMER 和 Hybrid2 的方案组合方式；在功能上更完整，具有按场景自 动生成目标曲线、 逆变器结构设计、 混合储能设计等新功能。 通过天津生态城某微网示范工程验证了软件的有效性。 关键词：微网；规划设计；软件；储能容量优化方法
XIAO Jun1, BAI Linquan1, WANG Chengshan1, YU Jiancheng2
(1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education (Tianjin University), Nankai District, Tianjin 300072, China; 2. Tianjin Electric Power Corporation, Hebei District, Tianjin 300010, China) ABSTRACT: To solve the problem of planning and designing of microgrid demonstration projects, a software named planning and designing of microgrid (PDMG) was developed. The software can be applied to different application scenarios and realize intermittent data analysis, distributed generation planning and designing, energy storage systems planning and designing. This paper introduces system models, principles and methods and software functions of PDMG. PDMG was compared to HOMER and Hybrid2 and the results show it has the following advantages. PDMG is advanced in planning method. A new method of energy storage capacity optimization was proposed and integrated into the software. Based on third-order Butterworth low-pass filter model, the method considers the external characteristics and system losses. The optimality is better than HOMER and Hybrid2, which optimize the capacity through selecting a relative optimal capacity from several certain schemes set by users. PDMG has more comprehensive functions, including generating target curves automatically, converter design, and hybrid energy storage design. The microgrid demonstration project in Tianjin eco-city demonstrates the effectiveness of PDMG. KEY WORDS: microgrid; planning and designing; software; energy storage capacity optimization method 摘要： 为解决微网示范工程的规划设计问题， 开发了一套微 网规划设计软件 (planning and designing of microgrid ， PDMG)。该软件适用于微网的多种应用场景，实现了间歇 性数据分析、 分布式电源规划设计、 储能系统规划设计等功 能。介绍了 PDMG 的系统模型、原理方法以及软件功能。
第 32 卷 第 25 期 2012 年 9 月 5 日 文章编号：0258-8013 (2012) 25-0149-09
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TM 74
报
Vol.32 No.25 Sep.5, 2012 ©2012 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：470·40
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中
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电
机
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程
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第 32 卷
计 软 件
Hale Waihona Puke PDMG(Planningand
Designing
of
络线功率波动、计划发电、削峰填谷以及平滑削峰 复合等多种模式，具体如表 1 所示。
表1 Tab. 1 PDMG 微网运行场景划分 Application scenarios of microgrid in PDMG
获取历史气象数据风速光照负荷数据设定微网运行模式目标年风速光照负荷数据间歇性dg容量优化可控性dg容量优化间歇性分析储能容量优化ess实现设计pcs设计储能元件设计生成多方案原始数据获取与分析技术评估经济评估方案对比最终设计方案分布式电源规划储能系统规划微网方案评估图1微网规划设计流程图fig
DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2012.25.024
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文献标志码：A
微网规划设计方法与软件
肖峻 1，白临泉 1，王成山 1，于建成 2
(1．智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津市 南开区 300072； 2．天津市电力公司，天津市 河北区 300010)
Method and Software for Planning and Designing of Microgrid
基 金 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 (973 项 目 ) (2009CB219703)；国家 863 高技术基金项目(2011AA05A117)。 The National Basic Research Program of China (973 Program) (2009CB219703); The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2011AA05A117).