第1章 绪论
　　近年来，基于可再生能源的分布式发电技术得到了越来越广泛的应用，但分布式发电同样会带来诸多潜在的问题。当大量分布式电源接入电网时，有可能造成电网对其不可控制和难以管理的局面，并引发诸如安全稳定性和电能质量等相关问题。国内外现有研究表明，将分布式发电系统以微电网的形式接人电网，是发挥分布式发电系统效能的有效方式。本章首先对不同可再生能源及其特点进行简要介绍，然后从微电网发展现状、基本概念及关键技术等方面进行阐述，为读者全面了解微电网优化配置的关键技术提供参考和帮助。
　　1.1 可再生能源
　　可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源，它对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。
　　1.1.1 太阳能
　　太阳能（solar energy）是太阳内部连续不断进行核聚变反应所产生的能量。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能、化学能、水的势能。太阳能是一种洁净能源，其开发和利用几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。
　　地球上，太阳能资源的分布与各地的纬度、海拔、地理状况和气侯条件有关，资源丰度一般以全年总辐射量和全年日照总时数表示。就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数*大，为世界太阳能资源*丰富地区。
　　我国属太阳能资源丰富国家，太阳能年总辐射量大致为930～2330kW h（m2 年）。以1630 kW h（m2 年）为等值线，自大兴安岭西麓向西南至滇藏交界处，把中国分为两大部分，其西北地区高于1630 kW h（m2 年），此线东南侧低于这个等值线。大体上说，中国有213以上地区的太阳能资源较好，特别是青藏高原和新疆、甘肃、内蒙古一带，利用太阳能的条件尤其有利。根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区，如表1.1所示。
　　表1.1 我国太阳能资源区域划分
　　太阳能具有如下优点。
　　（1）太阳光无地域限制，处处皆有，可直接开发和利用，无须开采和运输，便于采集；
　　（2）开发利用太阳能不会污染环境，它是*清洁的能源之一；
　　（3）每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿t煤，是现今世界上可以开发的*大能源；
　　（4）根据太阳产生的核能速率估算，氢的储量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。
　　其缺点如下。
　　（1）尽管到达地球表面的太阳辐射总量很大，但是能流密度很低；
　　（2）由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔等自然条件的限制及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的；
　　（3）太阳能利用装置因为效率偏低，成本较高，经济性还不能与常规能源相竞争。
　　太阳能发电主要有两大类：一类是太阳光发电（也称太阳能光发电）；另一类是太阳热发电（也称太阳能热发电）。
　　太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式，包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电四种形式。在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池。
　　太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能。它有两种转化方式。一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等；另一种是将太阳热能通过热机（如汽轮机）带动发电机发电，与常规热力发电类似，只不过其热能不是来自燃料，而是来自太阳能。
　　1.1.2 风能
　　风能（wind energy）是地球表面大量空气流动产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同及空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向，高压空气向低压地区流动，即形成风。风能资源取决于风能密度和可利用的风能年累积小时数。
　　地球上的风能资源十分丰富。根据相关资料统计，每年来自外层空间的辐射能为1.5×1018kW h，其中2.5%（即3.8×1016 kW h）的能量被大气吸收，产生大约4.3×1012 kW h的风能。风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带，如美国的加利福尼亚州沿岸和北欧一些国家。世界气象组织于1981午发表了全世界范围风能资源估计分布图，按平均风能密度和相应的年平均风速将全世界风能资源分为10个等级。8级以上的风能高值区主要分布于南半球中高纬度洋面和北半球的北大西洋、北太平洋及北冰洋的中高纬度部分洋面上，大陆上风能则一般不超过7级，其中以美国西部、西北欧沿海、乌拉尔山顶部和黑海地区等多风地带的风级较大。
　　中国风能资源丰富，*新风能资源普查初步统计结果显示，中国陆上离地10m高度的风能资源总储量约43.5亿kW，居世界第1位。其中，技术可开发量为2.5亿kW，技术可开发面积约20万km2，此外，还有潜在技术可开发量约7900万kW。另外，海上10m高度的可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW。全国10m高度的可开发和利用的风能储量超过10亿kW，仅次于美国、俄罗斯，居世界第3位。陆上风能资源丰富地区主要分布在三北地区（东北、华北、西北）、东南沿海和附近岛屿。
　　风能具有如下优点。
　　（1）风能为洁净能源，无污染，绿色环保；
　　（2）风能设施日趋进步，大量生产降低成本，在适当地点，风力发电成本已低于其他发电机；
　　（3）风能设施多为不立体化设施，可保护陆地和生态；
　　（4）风能为可再生能源，可满足未来长远能源需求。
　　其缺点如下。
　　（1）风能具有间歇和波动性，风能无法存储（除非储存在电池里），风能也不能被驾驭，以满足电力需要的时机；
　　（2）一般比较好的风力发电站往往设在偏远地区，远离城市及负荷中心区域；
　　（3）风力发电需要大量土地来兴建风力发电场，才可以生产比较多的能源；
　　（4）进行风力发电时，风力发电机会发出巨大的噪声，造成声污染。
　　1.1.3 水能
　　水能（water energy）是一种清洁绿色能源，是指水体的动能、势能和压力能等能量资源。广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源；狭义的水能资源指河流的水能资源。全球水能资源的理论蕴藏量约为39.9万亿kW h，技术可开发量约为14.6万亿kW h，其中亚洲占比*大。
　　我国国土辽阔，河流众多，大部分位于温带和亚热带季风气候区，降水量和河流径流量丰沛；地形西部多高山，并有世界上*高的青藏高原，许多河流发源于此；东部则为江河的冲积平原；在高原与平原之间又分布着若干次一级的高原区、盆地区和丘陵区。地势的巨大高差，使大江大河形成极大的落差，如径流丰沛的长江、黄河等落差均有4000多米。
　　我国水能资源居世界第一。根据2003年全国水力资源复查结果，我国水能资源的理论蕴藏量、技术可开发量分别为6.08万亿kW h和2.47万亿kW h（随着进一步的勘察，水能资源量可能会进一步增加），均居世界第一，分别占世界水能资源的15%和17%。从分布上看，主要分布在西南地区和长江、雅鲁藏布江等流域，四川、西藏、云南、贵州、重庆等西南省（市、地区）占比在70%左右，长江、雅鲁藏布江及西藏诸河、西南国际诸河占比80%左右。
　　水能具有如下优点。
　　（1）水能发电成本低，积累多，投资回收快，大中型水电站一般3～5年就可收回全部投资；
　　（2）水能无污染，是一种清洁能源；
　　（3）水电站一般都有防洪灌溉、航运、养殖、美化环境、旅游等综合经济效益；
　　（4）水电投资与火电投资差不多，施工工期也并不长，属于短期近利工程；
　　（5）操作、管理人员少，一般不到火电1/3的人员就足够了；
　　（6）运营成本低，效率高；
　　（7）可按需供电；
　　（8）控制洪水泛滥，提供灌溉用水，改善河流航动。
　　其缺点如下。
　　（1）对生态有一定的破坏作用，大坝以下水流侵蚀加剧，河流的变化及对动植物的影响等；
　　（2）需筑坝移民等，基础建设投资大，搬迁任务重；
　　（3）在降水季节变化大的地区，少雨季节发电量少甚至停发电；
　　（4）下游肥沃的冲积土减少。
　　1.1.4 生物质能
　　生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。而所谓生物质能（biomass energy）就是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时是唯一一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来源于太阳，所以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。
　　很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。生物质能蕴藏在植物、动物和微生物等可以生长的有机物中。有机物中除矿物燃料以外的所有来源于动植物的能源物质均属于生物质能，通常包括木材、森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等。地球上的生物质能资源较为丰富，而且是一种无害的能源。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿t，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10～20倍，利用率不到3%。
　　依据来源的不同，可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五大类。
　　生物质能具有如下优点。
　　（1）生物质能属可再生资源，生物质能由于通过植物的光合作用可以再生，可保证能源的永续利用；
　　（2）生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的SOx、NOx较少，可有效地减轻温室效应；
　　（3）生物质能分布广泛，缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能；
　　（4）生物质能是世界第四大能源，仅次于煤炭、石油和天然气。随着农林业的发展，特别是炭薪林的推广，生物质资源还将越来越多；
　　（5）生物质能源可以以沼气、压缩成型固体燃料、气化生产燃气、气化发电、生产燃料酒精、热裂解生产生物柴油等形式存在，应用在国民经济的各个领域。
　　其缺点如下。
　　（1）由于其分散性，生物质能适合于小规模分散利用；
　　（2）植物的光合作用仅能将少量的太阳能转化为有机物，能量密度较低；
　　（3）根据现有技术和相关支持政策，生物质能的规模利用和高效利用尚有一定的困难，经济效益较差。
　　1.1.5 地热能
　　地热能（geothermal energy）是从地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。地球内部的温度高达7000℃，而在80～10Okm的深度处，温度会降至650～1200℃。透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1～5km的地壳，热力得以转送至较接近地面的地方。高温的熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水*终会渗出地面。运用地热能*简单和*合乎成本效益的方法，就是直接取用这些热源，并抽取其能量。
　　地热能集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。如果热量提取的速度不超过补充的速度，那么地热能便是可再生的。地热能在世界很多地区的应用相当广泛。据估计，每年从地球内部传到地面的热能相当于10OPW h。据2010年世界地热大会统计，全世界共有78个国家正在开发利用地热技术，27个国家利用地热发电，总装机容量为10715 MW，年发电量为67246GW h，平均利用系数为72%。目前，世界上*大的地热电站是美国的盖瑟尔斯地热电站，其第一台地热

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 可再生能源 1
1.1.1 太阳能 1
1.1.2 风能 3
1.1.3 水能 4
1.1.4 生物质能 5
1.1.5 地热能 6
1.1.6 海洋能 7
1.2 微电网 7
1.2.1 国外发展概况 9
1.2.2 国内发展概况 12
1.3 微电网基本概念 15
1.3.1 微电网结构 16
1.3.2 微电网运行方式 18
1.4 微电网关键技术 20
1.4.1 规划设计 20
1.4.2 运行控制 20
1.4.3 经济运行与能量管理 22
1.4.4 故障检测与保护 23
1.4.5 建模与仿真 24
1.4.6 电能质量 24
1.4.7 通信技术 25
1.4.8 实验研究 25
1.4.9 接入标准 25
参考文献 26
第2章 微电网优化配置概述 29
2.1 优化配置方法论 29
2.2 优化配置技术 30
2.2.1 建模研究 31
2.2.2 运行策略 32
2.2.3 评价指标 32
2.2.4 约束条件 34
2.2.5 求解方法 35
2.2.6 决策方法 36
2.2.7 分析评估 37
2.3 优化配置工具软件概况 37
2.3.1 微电网系统辅助优化设计软件 37
2.3.2 微电网系统优化设计可供借鉴类软件 46
2.3.3 光伏和风电系统分析软件 50
2.3.4 现有优化软件存在的不足之处 56
参考文献 58
第3章 微电网模型 60
3.1 自然资源分析 60
3.1.1 风资源 60
3.1.2 光资源 66
3.1.3 水资源 69
3.2 负荷分析 72
3.2.1 主要工作内容 72
3.2.2 研究现状 73
3.2.3 负荷特性指标 73
3.3 风力发电系统 77
3.3.1 输出功率模型 77
3.3.2 影响因素 78
3.4 光伏发电系统 80
3.4.1 输出功率模型 80
3.4.2 光伏电池模型 80
3.4.3 影响因素 82
3.5 储能系统 84
3.5.1 铅酸蓄电池KiBaM模型 84
3.5.2 铅酸蓄电池其他模型 87
3.5.3 液流电池模型 89
3.6 冷热电三联供系统 93
3.6.1 微型燃气轮机模型 94
3.6.2 电解槽储氢罐燃料电池循环系统模型 96
3.6.3 燃料总费用与输出功率关系模型 97
3.7 柴油发电机系统 97
3.7.1 输出功率与耗油量关系模型 97
3.7.2 输出功率与燃料费用关系模型 97
3.8 小水电发电系统 97
3.8.1 河床式小水电模型 98
3.8.2 带蓄水库的小水电模型 98
3.9 典型负荷模型 99
3.9.1 重要负荷模型 99
3.9.2 可中断负荷模型 100
3.9.3 可转移负荷模型 101
3.10 经济成本模型 104
3.10.1 基于等年值的微电网综合经济成本模型 104
3.10.2 基于总净现费用的微电网综合经济成本模型 105
参考文献 105
第4章 离网型微电网优化配置 108
4.1 离网型微电网典型应用场景 108
4.1.1 光水储柴微电网 108
4.1.2 光储柴微电网 109
4.1.3 风储柴海水淡化微电网 110
4.1.4 风光储柴微电网 112
4.2 离网型微电网评价指标 114
4.2.1 经济性 114
4.2.2 可靠性 116
4.2.3 环保性 119
4.2.4 其他 120
4.3 离网型微电网典型运行策略 121
4.3.1 专家策略 121
4.3.2 启发式规则 132
4.3.3 运行优化 133
4.4 离网型微电网优化配置综合模型 135
1.4.1 优化变量 136
4.4.2 优化目标 136
4.4.3 约束条件 136
4.5 离网型微电网优化配置求解方法 139
4.5.1 遍历法/枚举法 139
4.5.2 智能算法 140
4.5.3 混合算法 145
4.6 算例分析 145
参考文献 151
第5章 并网型微电网优化配置 153
5.1 并网型微电网典型应用场景 153
5.1.1 光储微电网 153
5.1.2 光储柴微电网 154
5.1.3 风光储柴微电网 155
5.1.4 风光海流能储微电网 156
5.1.5 光储热微电网 158
5.2 并网型微电网评价指标 159
5.2.1 第一类指标 159
5.2.2 第二类指标 161
5.2.3 第三类指标 161
5.3 并网型微电网典型运行策略 164
5.3.1 联络线功率控制 164
5.3.2 专家策略 164
5.3.3 调度运行 167
5.4 并网型微电网优化配置综合模型 169
5.4.1 优化变量 169
5.4.2 优化目标 1 70
5.4.3 约束条件 170
5.5 并网型微电网优化配置求解方法 173
5.5.1 容量优化问题求解方法 173
5.5.2 位置优化问题求解方法 174
5.6 算例分析 175
参考文献 182
第6章 考虑综合因素优化配置 184
6.1 考虑不确定因素 184
6.1.1 不确定性因素 184
6.1.2 随机场景技术 185
6.1.3 多状态建模技术 193
6.2 考虑需求侧因素 201
6.2.1 用电满意度模式 202
6.2.2 发供电匹配模式 214
6.3 考虑储能因素 223
6.3.1 蓄电池寿命因素 223
6.3.2 复合储能系统 234
6.4 考虑光伏并网接纳能力因素 247
6.4.1 光伏消纳能力评估分析 247
6.4.2 储能设备定址定容 249
6.4.3 算例分析 251
6.5 小结 258
参考文献 260
第7章 微电网优化配置软件 261
7.1 考虑稳态运行约束的优化配置方法 261
7.1.1 潮流计算原理 261
7.1.2 稳态运行约束条件 264
7.1.3 算例分析 265
7.2 MG-ODS优化配置软件 270
7.2.1 优化配置软件关键功能 270
7.2.2 优化配置软件体系架构 270
7.2.3 优化配置软件实现 273
7.3 微电网优化设计软件发展趋势.278
参考文献 278
第8章 典型案例分析 279
8.1 东福山岛微电网案例分析 279
8.1.1 项目概述 279
8.1.2 系统构成 280
8.1.3 运行策略 281
8.1.4 优化配置模型 287
8.1.5 仿真分析 290
8.1.6 实际运行情况分析 294
8.2 渔山岛微电网案例分析 295
8.2.1 项目概述 296
8.2.2 资源及负荷分析 297
8.2.3 微电网初步分析 298
8.2.4 优化配置分析 299
8.3 鹿西岛微电网案例分析 305
8.3.1 项目概述 305
8.3.2 负荷分析 306
8.3.3 资源分析 307
8.3.4 基础条件设定 308
8.3.5 系统结构 309
8.3.6 优化配置分析 310
8.3.7 可靠性分析 313
8.4 阿里地区微电网案例分析 314
8.4.1 项目概述 314
8.4.2 阿里电网现状分析 315
8.4.3 太阳能资源分析及发电量评估 316
8.4.4 基础条件设定 317
8.4.5 计算分析 318
8.4.6 储能系统优化分析 326
参考文献 328