微電網（Micro-Grids）正在成為未來智能電網的一個重要方面，它具有控制靈活性，可靠性和更好的電能質量。我國有豐富的可再生資源，有利于微電網的開發和應用。近年來建成的微電網示范項目顯示了中國微電網的未來發展方向。協調控制技術和先進的電力電子技術為微電網的研究和開發提供重要的信息和保障。研究表明，在中國微電網發展過程中，挑戰和機遇并存，中國微電網的發展前景廣闊。

微電網（Micro-grid）定義

美國電氣可靠性技術解決方案聯合會(CERTS-Consortium for Electric Reliability Technology Solutions) 給出的定義為：可獨立運行或者與周邊電網連接的分布式能源（如太陽能，風能等）、能源存儲及電力負載系統。

歐盟微電網項目( European Commission Project Micro-grids) 給出的定義是：包分布式能源（小型電機、燃料電池、光伏等）的低壓配電系統、能源存儲裝置及靈活的負載系統。該系統可與主電網（Main- Grid）連接或獨立操作，通過有效的管理和協調進而提高整個用電系統的效率。

微電網研究院（Micro-grid Institute）給出的定義是：微電網是一種小型能源系統，能夠平衡自備供需資源，以在規定的邊界內維持穩定的服務。

Fig. 1 微電網系統.

微電網發展趨勢

目前，微電網安裝數量雖然很少，但在我國乃至全世界范圍來看，微電網安裝數量承持續上漲的趨勢。國際能源署（IEA）評估結果顯示，目前全世界范圍內70%的新興用電區域或電網未接入區域將需要使用微電網解決方案進行連接，其總投資額將達到3910億美元。

Fig.2 世界電力投資結構. (IEA Energy Access Outlook 2017)

能源發展與環境保護一直是我國政府的一個關鍵性問題。 我國早已超越美國成為世界領先的二氧化碳排放國。依靠煤炭作為主要能源不僅造成了大量的二氧化碳排放，而且還造成了不健康的空氣質量。 因此，尋找替代能源是政府未來可持續發展的首要環境優先事項。中國西部有充足的可再生能源資源，然而大部分能源使用集中在東部沿海地區。鑒于可再生能源的間歇性和長距離傳輸的挑戰，在當地收獲清潔和可再生能源具有極大的潛力，開發微電網已成為一個重要的研究領域。

近年來我國為開發微電網項目做了大量工作，然而目前的示范項目往往側重于展示技術而不是運營模式，并且對經濟效益的理解也被忽略了。中國未來開展微電網示范項目的建議如下：

— 為各種類型的示范項目定義明確的目標和目標。

— 向微網潛在用戶、大電網乃至整個社會闡明預期收益的范圍。

— 從以技術為導向的示范轉向技術加市場機制和商業模式演示，使項目能夠適應當前市場。

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軟件介紹

可再生能源系統（微電網）運行及經濟評估軟件集成光伏發電、風力發電、燃料電池發電、柴油發電機等分布式能源（DERs）計算模塊，根據氣象數據計算負荷需求及分析電力供需狀況，并配以蓄電（ESS）模塊，結合初期投資方案及電力交易系統模型（獨立、并網）進行計算，主要針對分布式能源及微網項目開發提供前期的優化方案、可行性研究及經濟收益分析。

軟件結構

軟件按照運行過程可分為三大部分：參數條件輸入，設備運行及經濟性分析，運算結果導出，其中，參數條件輸入包括以下幾種模塊：

> 地理\ 天氣數據：海拔、經緯度、風速、輻射量、溫度、濕度等；

> 負荷模型：根據產業類型不同而生成的電、熱負荷數據（8760小時）；

> 設備類型參數：光伏、風電、柴油機、燃料電池、電力存儲等設備的基本容量裝機數量等參數；

Fig.3 可再生能源系統（微電網）運行及經濟評估軟件結構

天氣數據是整個軟件運行的支撐，軟件的運行是在天氣數據的基礎上，結合負載模型、設備參數模型達到需求和響應的平衡，計算得到各種設備年、月、日、時的發電量輸出、發電效率、一次能源（柴油、天然氣）消耗等設備運行狀況和成本回收周期（ PP， Payback Period） 、 內部收益率（IRR，Internal Rate of Return）、凈現值（NPV，Net Present Value）等經濟性分析結果。再根據不同的設備選型、投資方案、政策約束等邊界條件，通過線性分析法、廣義梯度法、漸進分析法等優化模型，進而輸出得到最優的設備選型及投資方案。

功能模塊介紹

地理\ 天氣數據：

氣象數據是可再生能源設備分析的必要參數。本款軟件使用韓國氣象廳（KMI ）所提供的來自103個觀測點的天氣信息，生成了韓國28個城市的天氣數據庫。該數據庫采用標準的TMY2格式編輯，涵蓋了經緯度及全年8760小時的大氣溫度、太陽輻射量、風速、大氣壓等全面的氣象數據。用戶也可根據需求，編輯所在地氣象信息并錄入軟件數據庫使用。

負荷模型：

在負荷預測方面，本軟件為用戶提供了用戶自定義負荷和建筑類型功能化區分標準負荷模型兩種負荷輸入方式。

用戶自定義負荷：自定義負荷可通過第三方軟件（TRNSYS、Ener gyPl us等）建模計算獲取（計算精度高，但軟件操作復雜，耗時長，購買軟件成本高），或者通過目標地區相似功能化建筑實測數據預測（可靠性高，完整數據來源較少）。該輸入方式適合在項目開發前期已經擁有可靠的模擬或者實測負荷數據的用戶采用。

建筑類型功能化區分標準負荷模型：該負荷輸入方式基于韓國天氣數據狀況，制定了標準的冷、熱、電模型。用戶只需選擇項目地點、建筑類型及面積、朝向，橫縱比等建筑設計參數，軟件內部通過不同建筑功能標準負荷配置及建筑參數的校正因子計算得到全年負荷數據。（可操作性強，局限性在于目前僅適用于韓國地區，針對韓國以外國家和地區，需進行模塊的二次開發。）

Fig.4 建筑類型功能化區分標準負荷模型

光伏電池：

PV太陽能發電以選取的設備型號參數為輸入條件，結合天氣數據（輻射量、大氣溫度等）按照以下主要控制方程計算，( 參閱附錄[ 1] ) 。除基本發電量計算公式外，PV模塊還整合了基于設備運行狀態為變量的逆變器和最大輸出點追蹤（MPPT）計算模型。

Fig.5 韓國28個主要城市光伏月發電量計算結果

（CS6X-295X,CanadianSolar）

Fig.5為以CS6X-295X型號PV模塊出廠參數為基本設置，采用全韓國28個城市的天氣數據進行計算得出的PV模塊月發電量。為了驗證軟件計算模型的準確性，軟件的輸出結果與HOMER和TRNSYS兩款知名軟件做了結果對比驗證。在天氣數據、設備參數完全相同的情況下，驗證結果良好（見Fig.6）。

?Fig.6 光伏月發電量計算結果驗證 vs TRNSYS\Homer

（CS6X-295X,CanadianSolar @? ?韓國仁川）

風力發電：

風力渦輪機發電的計算方法有很多種，比如使用渦輪機性能曲線計算的Betz理論和使用風速平均值和標準偏差的 Weibull 分布模型等。方程（2）定義了風速和發電量之間的相關性計算方法。同時，模塊還整合了空氣密度隨風機高度變化以及基于邊界層理論的垂直風速變化模型( 參閱附錄[ 1] ) ，使計算結果更加接近實測數值。

Fig.7 韓國28個主要城市風力渦輪發電月發電量計算結果

( FD21- 100- 12, GHREPOWER)

Fig.7為以FD21-100-12型號風力渦輪發電機出廠參數為基本設置，采用全韓國28個城市的天氣數據進行計算得出的風機月發電量。為了驗證軟件計算模型的準確性，軟件的輸出結果與HOMER和TRNSYS兩款知名軟件做了結果對比驗證。在天氣數據、設備參數完全相同的情況下，驗證結果良好（見Fig.8）。

Fig.8 風力渦輪發電機月發電量計算結果驗證 vs TRNSYS\ Homer

（FD21- 100- 12, GHREPOWER @ 韓國光州）

燃料電池和柴油燃機：

燃料電池和柴油發動機發電機可以用與熱電聯產模型相同的方式解算，因為它們使用燃料產生電和熱。不同之處在于燃料電池依賴于電化學方法，而柴油發電機依賴于燃燒。在電能產生和熱回收方面，使用熱效率和熱回收效率的宏觀指標進行模擬是方便的。通過根據電力負荷實現部分負荷運行，可以根據運行模式降低燃料成本。對于部分負荷運行，需要根據每小時的電力負荷計算必要的燃料電池發電負荷，并以適當的負荷比運行。根據部分負荷比，利用發電效率，燃料消耗率和發熱量的性能函數構建部分負荷運行分析( 參閱附錄[ 1] ) 。

Fig.9 燃料電池\燃機的燃料消耗量與燃燒效率與負荷比相關性。

電力存儲系統：

能量存儲系統作為應對功率過載狀態的手段變得重要。大容量電池儲能裝置的優點在于，通過對剩余電力充電并在最大峰值負荷下放電，極大提高了系統電力需求響應的靈活性。由于不穩定性和不可預測的可再生能源的增加，電池儲能系統的功能將極大提高電力系統運行的穩定性。

鉛酸電池：

鉛酸電池性能計算采用通用的Shepher d ( 1965) 和Hyman( 1977) 模型。該模型根據串行和并行陣列的配置輸入單位單元的電容和容量。通過給出的每個時區的特性曲線求解微分方程，計算電池的充電率，充電或放電的工作電流和電壓之間的關系。方程（4）是Shepher d和Hyman鉛酸電池計算模型公式：

鋰離子電池：

大容量鋰離子電池性能計算采用動態電壓模型和動能電池模型計算，其中，動態電壓模型一種通用的化學模型，模型參數從電池數據表中提取，見方程（5）：

方程（6）、（7）和（8）描述了動能電池模型的邊界和可用容量之間的相互作用：

Fig.10 顯示了由可再生能源設施（包括電池）組成的智能電網的能源管理系統（EMS）的運行概念。 EMS通過使用新能源和可再生能源的發電來響應電力需求，并控制與電網連接銷售剩余電力的能力。

Fig.10 電力存儲裝置在微電網中運行示意圖（并網）。

冷熱電三聯產及區域供熱\ 冷（CCHP&DHC）：

冷熱電三聯產及區域供熱\ 冷模塊目前尚未整合到此款軟件中，但團隊擁有著豐富的項目開發經驗，可根據用戶需求通過二次開發添加CCHP&DHC模塊。

Fig.11 CCHP&DHC系統解算流程圖

冷熱電三聯產及區域供熱\ 冷系統包括了電負荷、熱負荷、大型熱電聯產電廠、小型熱電聯產設備、換熱器、吸附式冷凍機及儲熱裝置，在滿足用戶基本用電負荷的基礎上，進行余熱回收供熱、供冷，并配以儲熱裝置提高回收熱的使用率。該系統引入了最新低溫區域供熱既第四代區域供熱概念（Low Temperature District Heating，LTDH or 4GDH），既供熱溫度在50到70℃、回水溫度在25到40℃之間，極大的提高了發電回收熱的使用效率。目前低溫區域供熱\ 冷+冷熱電三聯產已經成為國際上主流的用戶解決方案。（參閱附錄[5]）

附錄：

[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.