微网国内外研究进展介绍

• 微网建模仿真
微网的建模和仿真目前的研究主要集中于 1）微源建模 2）电力电子变换器建模，尤其是逆变器的建模 • 利用MATLAB/Simulink对微网中的风机、柴油发 电机、储能电池组以及电力电子变换器接口进行 了详细建模，对风电和光伏的微网进行建模，重 点研究其对负荷的供电可靠性，研究不同网架拓 扑结构和储能-电源配置下的微网运行经济性和供 电可靠性的比较。
多代理控制策略。基于多代理系统（Multiagent system，MAS）的微网协调控制是 目前国内外微网建模和控制领域研究的主 流方向和一大热点。其概念来自人工智能 领域。
一方面，多代理中的每个代理实体本身可 用来表征微源的特性，从而实现微网的建 模
另一方面，多代理系统本身提供了一种实现微网 点对点通信控制的软件环境。
分布式发电
V.S.
微网
DG 分布式电源
MS 微电源或微源
微电源与分布式电源并无本质区别， 换个名字而已！
关键的区别在于——
微网整体可控
“微网将来可作为配网的一种特殊运行形态 和存在形式。”（刘骥）
超越其先驱——分布式发电（DG）的研究范畴 1）单个微电源的研究是基础，但不是重点 2）多微电源间的协调配合及调度运行才是重点 及难点
380VAC
合闸开关
孤岛
配电网 负载 配电网
PV
PV
光伏并网 发电系统
PV配网 负载源自380VAC合闸开关
孤岛#1
配电网 负载 配电网
PV
PV
光伏并网 发电系统
PV
配网 负载
合闸开关
配电网 负载 配电网
...
孤岛#N
PV PV
光伏并网 发电系统
PV
配网 负载
• 为解决上述核心问题，一个自然的想法就 是将地理上靠近、又都以分布式供电为主 的电源及其负荷在一个比配电网还小的局 部上形成自治系统———
3 孤岛运行问题 • 孤岛运行是DG需要解决的一个极为重要的问题。 • 一般而言，DG的保护继电器在执行自身功能时， 并不接受来自于任何外部与之所联系统的信息。 如此，配网的断路器可能已经断开，但分布式发 电的继电器还未能检测出这种状况，不能迅速地 做出反应，仍然向部分馈线供电，最终造成系统 或人员安全方面的损害，所以孤岛检测尤为重要
• 2）电压闪变 当分布式发电与配电网并网运行时，因有配网的 支撑，一般不易发生电压闪变，但切换成孤岛运 行时，如无储能元件或储能元件功率密度或能量 密度太小，就易发生电压闪变。 • 3）谐波畸变和直流注入 电力电子型电源易产生谐波，造成谐波污染。
2 对配电网可靠性产生不利影响 • 包括： • ① 大系统停电时，由于燃料（如天然气）中断或 辅机电源失去，部分分布式发电会同时停运，这 种情况下无法提高供电的可靠性。 • ②分布式发电与配电网的继电保护配合不好，可 能使继电保护误动，反而降低可靠性。 • ③ 不适当的安装地点、容量和连接方式会降低配 电网的可靠性。譬如，由于燃料电池等DG的响应 过程本身难以跟踪负荷的变化速率，更不用说在 与配网解列后保持适当的电能质量。
• 以上都是完全基于软件的仿真，国外也有通过DSP和 FPGA平台对控制算法作半实物验证的研究工作， • 其中FPGA用来实时模拟旋转元件，DSP用来产生控制信 号控制逆变器的运转 • 由于FPGA的硬件成本低廉（不过百元级），相比商业化 的硬实时仿真器动辄几十万上百万的投入而言具有很大的 优势，因此很适合做实验室里小容量级的微网原型系统的 验证开发。 • 目前，这种仿真模式在国内开展较少。
• 分布式发电对电力系统和用户来说是多用途的， 可以作为备用发电容量、削峰容量，也可承担系统 基本负荷；对于电力系统的运行，分布式发电还可 起到电压自动调节、电压稳定、系统稳定等作用。
① ③ ④ ②
分布式发电引入的原因 传统电力系统存在的问题: • 不能灵活跟踪负荷的变化 • 对于偏远地区的负荷不能进行理想的供电，原因 有如下两种：距离供电中心较远及自然条件的恶 劣对传统输电网的接入的限制； • 大型互联电力系统中局部事故极易扩散，导致大 面积的停电； • 环境污染问题日益严重
三、微网研究方向及热点
1. 微网能量管理 主流的研究集中在： • 1）研究有功和无功的能量管理策略
无功控制方面，对三种控制策略的进行比较和讨 论（电压下垂特性、电压调整、负荷无功补偿） 有功方面，在频率下垂特性控制策略的基础上探 讨各种频率恢复策略
• 2）建立微网控制的小信号分析模型并进行了特征 值分析，指导微网控制器参数的设计。
• 利用MATLAB等软件对微网下的频率控制问题进 行了分析，通过控制策略的动态响应来平衡系统 有功波动，提高系统应对频率方面的电能质量下 降的能力，
• 同时其控制策略兼顾了两种因素引起的频率波动 ：①DG出力的随机性波动引起的频偏；②主网与 微网间联络线的交换功率波动引起的频偏。
微网控制策略 微网除了并网/孤岛两种稳态运行模式外，还存在着两种模 式间的转换过渡过程。 在逆变器不停机的同时，通过调整控制策略和变换网络拓 扑来实现微网内电压的平缓过渡，及所谓的“无缝切换” （seamless transfer），以保证网内重要敏感负荷的供电 不受影响。 微网的不同运行模式和DG并网接口的不同拓扑形式都将 导致模式切换过程中微网控制方法的多样性和不确定性。 此外，不同种类储能装置的配置及运行特性也会对其控制 策略的选取产生影响。
当微网切换至孤岛运行时有两种情况： 一种是微网自身全部从主网脱离，一种是微网内部分微源 或DG退出 微网孤岛运行较之其并网运行的最大的不同就在于，并网 时，其从主网连接处（并网点PCC）获取主网电压的频率 和幅值信号作参考，孤网可与主网同步运行 孤岛运行时，没有来自主网的信号可供参考，微网需寻找 新的电压参考信号以维持网内电能质量水平，故需要研究 微网孤岛运行时的控制策略与算法
• 当主网发生某种扰动事故时，微网能无缝 （seamless，又译平滑）切换到独立运行 （isolated operation）或称孤网运行（ islanding operation）状态从主网脱离。
• 当主网扰动清除回复正常后，微网又能重 新与主网同步并入主网。
• 目前，国际上对微电网的基本共识是：
• 微电网是由各种分布式电源、储能单元、负荷以 及监控和保护装置组成的集合 • 具有灵活（Flexible）的运行方式和可调度性能 • 何谓“灵活”？——能在并网运行和孤岛（自主 ）运行两种模式间切换；通过相关控制装置间的 协调配合，可同时向用户提供电能和热能
• 微网组成元素包括：
• 微电源（Microsource，MS）或微源，内容基本 包括前述分布式电源的种类，如风电、光伏、燃 料电池、微型燃气轮机、生物质发电等； • 负荷，包括敏感负荷（sensitive loads）和非敏感 负荷； • 快速开关，用于将微网与主网分离与再并网（ reconnection）。 • 微网控制及调度系统
微电网
微电网
控制系统 静态开关
380VAC 合闸开关
孤岛#1
配电网 负载 配电网
PV
PV
光伏并网 发电系统
PV
配网 负载
合闸开关
配电网 负载 配电网
...
孤岛#N
PV PV
光伏并网 发电系统
PV
配网 负载
微网专用监控单元
• 微网，是相对于传统大电网的一个概念， 是指多个DG及其相关负荷按照一定的拓扑 结构组成的网络，并通过静态开关（SS） 联至常规电网。其域内多个DG的连接的主 馈线被称为公共并网点PCC（Point of Common Coupled）
1）首先，一旦某个单台分布式电源出现问题，其上所 连接的负荷要么丢失，要么需重新由主网供电，这其 中必然造成停电间隙
停电间隙
① ③ ④ ②
2）其次，当主网发生故障时，即使该分布式电源设计之初有孤岛运行模 式，可对负荷独立供电，但由于失去了原来主网的电压、频率参考， 必然会导致其控制算法和检测装备的复杂性增加，进一步降低供电可 靠性，尤其是当主网中存在多个这样的DG时。
How to Solve？ ——微网诞生
二、微网概述
• 微网的概念及构成 • 前面介绍的分布式电源的典型应用场景是独立分散地各 自并网，这样虽能很大程度上改善传统的由某几个大发 电厂（水、火电厂为主）对网络集中供电引起的环境污 染和供电可靠性问题。
但是分布式发电的接入在给电网带来某些方面改善的 同时也会给电网带来许多意想不到的问题，这其中最突 出的一条便是接在分布式电源上的用户或负荷的电能质 量问题。
就微网中微源与微网的协调及微网自身与主网的 协调网源协调，其尚存的技术攻关难点包括： 1）从几毫秒到几年的时间标尺内的微网内部精 确的能量管理和功率匹配。
2）同主网间的关系定位 3）储能装置及技术 4）需求管理（可以减小储能装置的规模从而降 低微网建 设成本） 5）源荷之间的季节性匹配
• 微网与分布式发电的区别及联系 分布式发电与微网的最重要区别就在于：
微网研究综述
目录
• • • • • • • 概述 Part I: 分布式发电介绍 Part II: 微电网介绍 Part III: 微网研究方向及热点 Part IV: 国外微网研究现状 Part V: 国内微网研究现状 Part VI:总结
一、分布式发电介绍
• 分布式发电（Distributed Generation, DG）是指为 满足特定用户的需要、支持现存配电网经济运行、 靠近用户侧、配置功率为数kW至几十MW的小型、 高效、清洁的发电机组及其辅助设施
用在哪？
• 微网的典型应用场景包括：
• 1）以家庭为中心的社区供电、偏远的农村 及郊区供电
• 2）学术或公共社区诸如大学校园、山野中 心、工业园区及写字楼地带。
• 微网的优势体现在： • 1）微网内用户的就近取电和取热，从整体 上看提高了能源的利用率； • 2）清洁能源的使用能实现CO2的低排放乃 至零排放，从而显著地保护自然环境； • 3）对间歇式能源的发电特征，通过合理的 网源协调控制策略，可以保证对主电网不 造成较大的冲击。 分布式发电的劣势
主流的研究基本上是借助开源软件JADE、ZEUS 等多代理软件开发环境和电力系统仿真软件来对 微网进行联合建模与仿真。
其核心思想是基于欧盟微网计划中的MGCC与下 层Agent（发电机Agent、负荷Agent等）间的通 信来完成微网的控制。
• 总结以上的研究现状，可以看出： 从早期到现在，微网控制策略的研究基本上遵循两条思路 • 1）微观层面，即逆变器的下垂控制，本质上是逆变器的 并联均流问题； • 2）宏观层面，有无互联线通信的控制机制之争。集中控 制、分散控制以及各种衍生版本的分层分区控制，如基于 多代理系统的控制方案设计，本质上是各微源间如何协调 出力分配（包括借助储能）以实现负荷分摊的思路。
四、国外微网研究现状
美国 • 美国能源部——US DOE负责总体协调全国主要机构和公 司的微网研究计划，著名的GRID2030计划书中明确提出 了Micro-Grid将是下一代电网技术的核心环节之一。由美 国能源部负责协调的、目前公开的主要有两个项目： 1）GE（通用电气）公司的微网能量管理系统 MEMS——Microgrid EMS 其研究期限为两年，资金420万美元，预期研究目标包括 探讨微网的规格和标准，开发适应于微网能量管理系统的 本地监控策略和算法，研究微网的商业运转模式，并且最 终将在新泽西州的Wayne城进行实物演示。下图为其项目 示意图。
• 分布式发电与电网的相互影响
1 对电能质量的影响 1）电压调整 由于分布式发电是由用户来控制的，因此用户将 根据自身需要频繁地启动和停运，这会使配电网 的电压常常发生波动。分布式发电的频繁启动会 使配电线路上的负荷潮流变化大，从而加大电压 调整的难度，调节不好会使电压超标。
• 另外，若分布式电源为采用异步电机的风 电机组，由于需从配电网吸收无功功率， 且该无功功率随风的大小和相应的有功功 率变动而波动，使电压调节变得困难
本质区别！
前者禁止孤岛运行； 而后者允许甚至人为安排孤岛运行。
这种区别的产生是由两者在配网中的不同地位所决定的：前者在配电 网中的地位是负荷层的，准确说即有源负荷或“负的负荷”（潮流计 算观点）； 而后者从其概念提出之际就被当作是一个独立的电力系统而对待，其 设计宗旨为与配电网互利共生，无缝切换，即插即用，随接随断。
• 另外，对于光伏发电并网还有一些特殊问题。 • 由于光伏在白天发电，在并网运行且无蓄电池的情况下， 会产生反向功率输入电网，此时由于云层的变化而造成公 共连接点的电压波动和电压升高，如与各相负荷连接的光 伏发电设备数量不均匀的话，很容易产生不平衡电流和不 平衡电压。
V.S.
以上分析说明，单一的分布式发电（DG） 技术已经难以适应或胜任提高新能源发电 在电网中的渗透率的任务。