馬翔宇

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221000）

第二次工業(yè)革命的發(fā)展讓人類社會(huì)發(fā)展向前邁了一大步，人類由此進(jìn)入了電氣時(shí)代，我們每個(gè)人的生活也與電力緊密聯(lián)系起來。在現(xiàn)代生活中，電力讓我們能夠在夏季感受空調(diào)帶來的涼爽、乘坐便捷的軌道交通工具和電視手機(jī)帶來的影音娛樂等。也許我們每個(gè)人都已對(duì)使用電力感到習(xí)以為常，但全球仍有許多缺電地區(qū)，還有眾多民眾無法使用電力，電力這個(gè)讓我們習(xí)以為常的能源卻是他們稀缺的寶貴資源。受其他原因的限制，部分國(guó)家仍未能擺脫無電、缺電的困境。當(dāng)前，新能源發(fā)電技術(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)逐漸成熟，將含有新能源發(fā)電的分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用于缺電地區(qū)，讓更多的人使用上電力成為可能。

1 全球新能源使用情況

對(duì)于當(dāng)今世界新能源發(fā)展而言，全球可再生能源種類多樣，儲(chǔ)量豐富并且發(fā)展迅速，以中國(guó)為例，預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)新能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)4.1×108kW，其中，風(fēng)電2.4×108kW、太陽(yáng)能發(fā)電1.5×108kW。由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)與社會(huì)政治等原因，結(jié)合實(shí)際情況考慮，通過在部分缺電地區(qū)建設(shè)大規(guī)模電網(wǎng)而讓每一戶百姓使用電力是相對(duì)不實(shí)際、有困難的，但如果可以合理運(yùn)用當(dāng)?shù)刎S富的可再生能源資源，比如太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等，以部落或者村鎮(zhèn)為單位，建設(shè)共享型分布式新能源發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)來解決部分地區(qū)的用電難問題是可以實(shí)現(xiàn)的。

2 分布式新能源發(fā)電微電網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

2.1 應(yīng)用背景分析

由于部分地區(qū)的電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)速度較為緩慢，已經(jīng)無法滿足當(dāng)今現(xiàn)代生活對(duì)電力的需求。依賴電網(wǎng)建設(shè)來為大部分居民提供電力服務(wù)時(shí)間相對(duì)較久，實(shí)施難度相對(duì)較大，投入成本高昂，再加上目前大部分缺電地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較弱，針對(duì)供電系統(tǒng)建設(shè)成本的經(jīng)濟(jì)性的考量分析是十分必要的。根據(jù)世界銀行發(fā)布的電力供應(yīng)狀況報(bào)告中關(guān)于建設(shè)電力設(shè)施經(jīng)濟(jì)性選擇方案分析可知，對(duì)于距離電網(wǎng)小于4 km的區(qū)域，如果負(fù)荷相對(duì)較大，最經(jīng)濟(jì)選項(xiàng)是架設(shè)輸電線路保障供電；對(duì)于距離電網(wǎng)大于4 km而小于8 km的用戶，如果負(fù)荷非常小，可選擇太陽(yáng)能家庭式系統(tǒng)供電，如果負(fù)荷相對(duì)較大可選擇微電網(wǎng)或者架設(shè)輸電線路供電；但對(duì)于相距電網(wǎng)大于8 km，負(fù)荷高于50 kW的情況，選擇架設(shè)微電網(wǎng)是最為經(jīng)濟(jì)的方案。綜上來看，由于大多數(shù)的缺電地區(qū)人口分布相對(duì)廣泛，且遠(yuǎn)離主要城鎮(zhèn)，鄉(xiāng)村人口數(shù)量又相對(duì)較多，如果僅僅通過架設(shè)電力線路來保證大部分無電部落或者村落地區(qū)用電需求是不夠經(jīng)濟(jì)的。如果在部分無電地區(qū)采用新能源發(fā)電來建設(shè)微電網(wǎng)或者直接建設(shè)家庭式太陽(yáng)能家庭供電系統(tǒng)來滿足人民用電需求，則具有較好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)與可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)的特點(diǎn)。但是依靠單一型可再生能源作為發(fā)電源是不穩(wěn)定的，僅僅安裝太陽(yáng)能電池板并不能較好地滿足人民的基本用電需求，其供電能力受天氣的影響較大。如果采用多種分布式可再生能源作為發(fā)電源，則可相對(duì)提高系統(tǒng)供電可靠性，較好地滿足基本生活用電負(fù)荷。

2.2 供電服務(wù)方案選擇

結(jié)合實(shí)際工程分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)相關(guān)典型電力缺乏地區(qū)的新能源資源分布情況、地理環(huán)境、天氣因素綜合分析，可考慮選擇單一型新能源并網(wǎng)發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、多種混合式新能源分布式并網(wǎng)發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和多組合式新能源與傳統(tǒng)能源發(fā)電并行式組網(wǎng)發(fā)電的微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。單一型新能源并網(wǎng)發(fā)電方案即系統(tǒng)發(fā)電側(cè)由一種可再生能源發(fā)電構(gòu)成（太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能），其具有安裝簡(jiǎn)易性強(qiáng)、成本低、經(jīng)濟(jì)性好、便于大規(guī)模推廣使用的特點(diǎn)，但可靠性差，受天氣因素影響嚴(yán)重，可持續(xù)使用性不強(qiáng)，無法保證長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定供電。多種混合式新能源分布式并網(wǎng)發(fā)電方案即系統(tǒng)供電側(cè)由多種新能源分布式發(fā)電組成，對(duì)使用環(huán)境兼容性好，對(duì)當(dāng)?shù)匦履茉促Y源利用充分，并具有供電能力較強(qiáng)、對(duì)天氣因素變化容納性好等特點(diǎn)，可滿足較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定供電需求。但在極端條件下和負(fù)載較大的情況下無法提供有效供電，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制難度相對(duì)較大，成本相對(duì)于單一型方案較高。

對(duì)于多組合式新能源與傳統(tǒng)能源發(fā)電并行式組網(wǎng)發(fā)電方案，該方案能夠最大化利用新能源資源，節(jié)能性好，同時(shí)，在極端惡劣天氣條件下，可切換燃油發(fā)電機(jī)出力，直接組網(wǎng)發(fā)電提供可靠供電保障，但是建設(shè)成本相對(duì)較高，可能會(huì)受到缺電地區(qū)經(jīng)濟(jì)條件制約。綜合考慮應(yīng)選擇兼具節(jié)能性與穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并能夠較好解決偏遠(yuǎn)地區(qū)供電問題。同時(shí)，在提出不同類微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，再根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)可靠性、實(shí)用性等原則，對(duì)所有可行方案進(jìn)行分析修改，總結(jié)出針對(duì)不同種使用環(huán)境下，根據(jù)使用對(duì)象所處的自然條件選擇相應(yīng)最佳配置制定組網(wǎng)發(fā)電方案，即在總架構(gòu)（發(fā)電側(cè)、儲(chǔ)能側(cè)、逆變側(cè)、負(fù)載側(cè)）保持相應(yīng)一致的情況下，對(duì)發(fā)電側(cè)和儲(chǔ)能側(cè)制訂多種配套方案，以便為使用者提供最優(yōu)、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠的供電服務(wù)。但在選擇方案時(shí)，每一個(gè)獨(dú)立架設(shè)的微電網(wǎng)系統(tǒng)都配套相應(yīng)的新能源發(fā)電機(jī)組模塊對(duì)于整個(gè)缺電地區(qū)而言是不經(jīng)濟(jì)的，并且無電地區(qū)普遍經(jīng)濟(jì)較弱，因此，針對(duì)經(jīng)濟(jì)因素考慮便顯得格外重要。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于缺電少電地區(qū)的用電環(huán)境與用電需求相結(jié)合考慮，用戶需要一種使用方便、易于維護(hù)并且建設(shè)成本相對(duì)較低的供電系統(tǒng)。因此，可采用共享式新能源分布式發(fā)電微電網(wǎng)作為系統(tǒng)主要架構(gòu)。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示，其主要由移動(dòng)式共享新能源發(fā)電模塊、集成儲(chǔ)能系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換器、分布式入戶供電模塊所組成并包含相應(yīng)監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于對(duì)需求負(fù)荷較小、新能源儲(chǔ)量豐富、離主網(wǎng)架偏遠(yuǎn)的地區(qū)，其運(yùn)行方式為孤島運(yùn)行。本系統(tǒng)可增加遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，采用集中監(jiān)控的方式維護(hù)各微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，提升維護(hù)水準(zhǔn)與控制效率。

圖1 共享式新能源分布式發(fā)電微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

2.4 共享式運(yùn)行策略與經(jīng)濟(jì)性分析

可針對(duì)用戶所在地新能源隨季節(jié)的分布情況進(jìn)行分析，提供全年新能源發(fā)電模塊配置方案，并通過大數(shù)據(jù)分析利用不同地區(qū)的新能源儲(chǔ)量分布隨季節(jié)的變化差異而針對(duì)管轄范圍內(nèi)所有微電網(wǎng)進(jìn)行合理資源配置。根據(jù)不同微電網(wǎng)用戶的負(fù)荷需求和新能源種類以及儲(chǔ)量，配發(fā)移動(dòng)式共享發(fā)電模塊，進(jìn)而減少總初期投資使得資源利用最大化。本系統(tǒng)架構(gòu)選擇集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)同入戶電源模塊相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的移動(dòng)式新能源發(fā)電模塊具有良好的兼容能力。雖然在供電能力上具有一定的不足，但考慮到部分地區(qū)的經(jīng)濟(jì)環(huán)境、維護(hù)成本與用電負(fù)荷，本系統(tǒng)基本能滿足缺電少電地區(qū)的基本用電需求。同時(shí)，將共享式經(jīng)濟(jì)模式同新能源發(fā)電系統(tǒng)同微電網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，利用不同地區(qū)的能源分布隨季節(jié)的變化而不同的特點(diǎn)（比如水利資源、風(fēng)力資源隨季節(jié)變化）設(shè)計(jì)通用微電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)架，將不同分布式新能源發(fā)電電源利用共享經(jīng)濟(jì)模式相互投切使用，從總體上減少了新能源發(fā)電機(jī)組裝機(jī)數(shù)量，以便減少政府或公益組織的初期投資花費(fèi)，較適合應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)情況不好的無電地區(qū)。

3 方案實(shí)施推廣與未來展望

根據(jù)不同國(guó)家地區(qū)的自然條件、新能源分布情況選擇相應(yīng)的電源側(cè)，如果當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源豐富，可采用架設(shè)小型太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)作為微電網(wǎng)的主力電源；如果當(dāng)?shù)仫L(fēng)力資源豐富，可建設(shè)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為系統(tǒng)提供電力保證。通過整合不同種新能源并入微電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電，并結(jié)合共享經(jīng)濟(jì)模式應(yīng)用于分布式新能源發(fā)電模塊，可以降低對(duì)單一能源的依賴程度，提升供電保障能力，縮短停電時(shí)間的同時(shí)，降低一次性初期成本投資。在選擇方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)村落用電負(fù)荷需求進(jìn)行評(píng)估，并設(shè)計(jì)余量，以滿足未來系統(tǒng)中負(fù)荷增加的需求。在建設(shè)資金融資方面，當(dāng)?shù)卣赏度胼^大資金比例，同時(shí)開放民間融資、申請(qǐng)國(guó)際資金援助等。通過制作宣傳冊(cè)、廣告、網(wǎng)絡(luò)、新聞媒體等途徑在全世界廣泛宣傳，募集初期建設(shè)資金，為幫助更多的部分缺電地區(qū)人民擺脫用電難問題作出努力，改善當(dāng)?shù)鼐用裆顥l件。電力，是國(guó)家社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力。沒有良好的電力供應(yīng)保障，經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)發(fā)展會(huì)受到影響，如果沒有良好的電力保障，便無法快速發(fā)展經(jīng)濟(jì)，經(jīng)濟(jì)貧弱便沒有足夠資金投入電力建設(shè)，進(jìn)而產(chǎn)生惡性循環(huán)。因此，電力建設(shè)對(duì)于國(guó)家和百姓都十分重要，作為地球村的一員，我們每一個(gè)人都應(yīng)為實(shí)現(xiàn)全球電力普及率達(dá)到100%而努力。