微电网相关技术及方向研究

微电网相关技术及方向研究
摘要：微电网已成为一些发达国家解决电力系统众多问题的一个重要辅助手段。

微电网以其更具弹性的方式协调分布式电源，从而促进充分发挥分布式发电的作用。

本文主要介绍了微电网的相关技术以及国外的发展情况，并对国内的发展前景作出分析。

关键词：分布式发电，微电网，CERTS
1.微电网产生背景：
随着国民经济的发展,电力需求迅速增长,电网规模不断扩大,超大规模电力系统的弊端也日益凸现,成本高,运行难度大,难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需求。

尤其在近年来世界范围内接连发生几次大面积停电事故,2008年年初中国南方冰灾还是在汶川震灾期间,中国电网都发生了大面积的停电,电网的脆弱性充分暴露了出来。

分布式发电可以提供传统的电力系统无可比拟的可靠性和经济性,具有污染少、可靠性高、能源利用效率高,同时分布式电源位置灵活、分散的特点极好地适应了分散电力需求和资源分布,延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资,它与大电网互为备用也使供电可靠性得以改善。

欧美等发达国家已开始广泛研究能源多样化的、高效和经济的分布式发电系统,并取得了突破性进展。

尽管分布式电源优点突出,但本身存在诸多问题,如分布式电源单机接入成本高、控制困难等。

另外,为减小分布式电源对大电网的冲击,大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源,当电力系统发生故障时,分布式能源必须马上退出运行。

这就大大限制了分布式能源的充分发挥,也间接限制了对新能源的利用为了降低DG带来的不利影响,同时发挥DG积极的辅助作用,一个较好的解决方法就是把DG和负荷一起作为配电子系统———微网(Micro-grid)
2.微电网技术概念:
在不改变现有配电网络结构的前提下，为了削弱分布式电源对其的冲击和负面影响，美国电力可靠性技术解决方案协会(The Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS)提出了一种能更好地发挥分布式发电潜能的一种组织形式——微电网(Micro Grid)。

微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统,它可同时提供电能和热量;微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换,并提供必要的控制;微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元,并可同时满足用户对电能质量和供电安全等方面的要求。

相应地把微电网中的分布式电源叫做微型电源(Micro Source)，简称微源(MS)。

微电网是规模较小的分散的独立系统，它采用了大量的现代电力技术，将燃气轮机、风电、光伏发电，燃料电池，储能设备等并在一起，直接接在用户侧。

对于大电网来说，微电网可被视为电网中的一个可控单元，它可以在数秒钟内动作以满足外部输配电网络的需求；对用户来说，微电网可以满足他们特定的需求，如增加本地可靠性、降低馈线损耗、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用的效率及提供不间断电源等。

微电网和大电网通过PCC进行能量交换，双方互为备用，从而提高了供电的可靠性。

微电网概念提出后迅速受到各国相关部门和研究机构的重视，美国、欧洲、日本等发达国家相继建立了微电网试验平台和试点工程，在微电网研究方面也已取得很多成果。

我国微电网研究还处于起步阶段，但已经引起了国家相关部门、科研院所等的高度重视，并已开展了对此问题的相关研究。

3.微电网结构：
微电网的基本结构如图1所示,微网中包含有多个DG （Distributed Generation ，分布式发电）和储能系统,联合向负荷供电，整个微网对外是一个整体，通过断路器与上级电网相联。

微网中DG 可以是多种能源形式(光电、风电、微型燃气轮机等)，还可以以热电联产(combined heat and power, CHP)或冷热电联产(combined cold heat and power, CCHP)形式存在,就地向用户提供热能,提高DG 利用效率。

在图1中微网有A 、B 、C 三条馈线，其中A 、C 馈线中含有重要负荷，安装有多个DG,馈。

B 为非重要负荷，必要时可将其切断。

PV
敏感负荷热负荷t °
燃料电池
微型燃
气轮机可中断负荷
潮流控制器保护协调器分隔器
（断路器）可调节负荷微网主分
离器
网络
要求
能量
管理
器A
B
C
电力传输线信息流线保护信息传输线
图1：微电网结构示意图。

馈线A 中含有一个运行于CHP 的DG ，同时向用户提供热能和电能。

当外界大电网出现故障时停电或有电力质量问题时，微网可以通过主断路器切断与外界联系，从而进入孤立运行状态。

此时微网全部由DG 供电，馈线B 通过公共母线得到电能正常运行。

如果系统需要，可以断开馈线B 停止对非重要负荷供电。

当故障解除之后,主断路器重新合上，微网重新恢复和主电网同步运行，保证系统平稳的恢复到并网运行状态。

各分布式电源的功率输出大小由能量管理器统一调节。

在微电网这种结构下，多个DG 就地向重要负荷提供电能和电压支持，有效降低了负荷对大电网的依赖，分担了大电网的供电压力，减小了远距离输电损耗。

微电网解决了DERs 的并网问题，并且由于所采用的先进的电力电子技术是灵活可控的，因此微电网可以利用DERs 对微电网的潮流流动进行有效调节。

概括起来微电网主要有以下几个优点：
（1）微网提供了一个有效集成应用DG 的方式,继承拥有了所有单独DG 系统所具有的优点。

（2）微网作为一个独立的整体模块,不会对大电网产生不利影响,不需要对大电网的运行策略进行修改。

（3）微网可以以灵活的方式将DG 接入或断开,即DG 具有“即插即用”(plug-and-play)的能力。

（4）DG 并网的许多问题都是由DG 响应速度慢、惯性小的特点引起的,多个DG 联网
的微网增加了系统容量,并有相应的储能系统(蓄电池储能系统、飞轮储能系统等)，使系统惯性增大，减弱电压波动和电压闪变现象，改善电能质量。

（5）微网在上级网络发生故障时可以孤立运行继续保障供电,提高供电可靠性。

微电网作为对单一大电网的有益补充，其广泛应用的潜力巨大。

目前，目前，世界上一些主要发达国家和地区，如美国、欧盟、日本和加拿大等，都开展了对微电网的研究。

4.微电网国内外研究状况：
美国最早提出了微电网概念，近年来，其微电网研究一直在有条不紊地进行着。

美国的微电网研究项目主要受到了美国能源部的电力提供和能源可靠性办公室、加州能源委员会的资助，其研究的重点主要集中在满足多种电能质量的要求、提高供电的可靠性、降低成本和实现智能化等方面。

欧洲DERs的研究和发展主要考虑的是有利于满足能源用户对电能质量的种要求以及欧洲电网的稳定和环保要求等。

微电网被认为是未来电网的有效支撑，它能很好地协调电网和DERs之间的矛盾，充分发挥DERs的优势。

欧洲各国对微电网的研究越来越重视，近几年来各国之间开展了许多合作和研讨。

2005年，欧洲提出“Smart Power Networks”概念，欧盟微电网项目(European Commission Project Micro-grids)给出的定义是利用一次能源；使用微型电源，分为不可控、部分可控和全控三种，并可冷、热、电三联供；配有储能装置；使用电力电子装置进行能量调节。

目前日本在微电网示范工程的建设方面处于世界领先地位。

日本政府十分希望可再生能源(如风能和光伏发电)能够在本国的能源结构中发挥越来越大的作用，但是这些可再生能源的功率波动性降低了电能质量和供电的可靠性。

微电网能够通过控制原动机平衡负载的波动和可再生能源的输出来达到电网的能量平衡，例如配备有储能设备的微电网能够补偿可再生能源断续的能量供应。

因此从大电网的角度看，该微电网相当于一个恒定的负荷。

这些理念促进了微电网在日本的发展，使日本的微电网对于储能和控制十分重视。

有日本学者提出了灵活可靠性和智能电量供给系统（flexible reliability and intelligent electrical energy delivery system，FRIENDS），利用FACTS元件快速灵活的控制性能实现对配电网能量结构的优化。

2008年初的冰雪天气导致我国发生大面积停电，暴露了我国现有的网架结构在保障用户供电方面所存在的薄弱环节。

微电网既可以联网运行，又可以孤岛运行，能保证在恶劣天气下对用户供电。

微电网在满足多种电能质量要求和提高供电可靠性等方面有诸多优点，使它完全可以作为现有骨干电网的一个有益而又必要的补偿。

另一方面，我国“十一五”规划纲要提出了建成5GW风电的发展目标，在不久的将来将有风电和光伏等DERs不断接入电网。

微电网在协调大电网与DERs间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的
价值和效益等方面具有优势，使其能够在中国未来电网的发展中发挥很重要的作用。

但是，中国微电网的发展尚处在起步阶段。

5.微电网中的关键技术：
5.1 微电网控制：
微电网控制主要主要有三种经典的控制方法：
（1）基于电力电子技术的“即插即用”与“对等”的控制思想
该方法根据微电网控制要求,灵活选择与传统发电机相类似的下垂特性曲线进行控制，将系统的不平衡功率动态分配给各机组承担,具有简单、可靠、易于实现
的特点。

但该方法没有考虑系统电压与频率的恢复问题，也就是类似传统发电机中
的二次调整问题。

因此，在微电网遭受严重扰动时，系统的频率质量可能无法保证。

此外，该方法没有讨论在微电网运行模式切换时的过渡过程。

（2）基于功率管理系统的控制
该方法根据微电网控制要求，灵活选择与传统发电机相类似的下垂特性曲线进行制，将系统的不平衡功率动态分配给各机组承担，具有简单、可靠、易于实现的特。

但该方法没有考虑系统电压与频率的恢复问题，也就是类似传统发电机中的二次整问题，因此，在微电网遭受严重扰动时，系统的频率质量可能无法保证。

此外，该法没有讨论在微电网运行模式切换时的过渡过程。

（3）基于多代理技术的微电网控制方法：
该方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微电网控制系统。

代理的自治性、反应能力、自发行为等特点,正好满足微电网分散控制的需要，提供了一
个能够嵌入各种控制性能但又无需管理者经常出现的系统。

但目前多代理技术
在微电网中的应用多集中于协调市场交易、对能量进行管理方面,还未深入到对
微电网中的频率、电压等进行控制的层面。

要使多代理技术在微电网控制系统
中发挥更大作用,仍有大量研究工作需要进行。

5.2 微电网的保护：
微电网的保护与传统保护有着极大的不同，典型表现有：
（1）潮流的双向流通；
（2）微电网在并网运行与独立运行种工况下,短路电流大小不同且差异很大。

因此，如何在独立和并网两种运行工况下均能对微电网内部故障做出响应以及在并网情况下快速感应大电网故障，同时保证保护的选择性、快速性、灵敏性与可靠性，是微电网保护的关键，也是微电网保护的难点。

传统的电流保护显然无法满足微电网保护的特殊要求。

目前，针对单相接地故障与线间故障，有学者提出了基于对称电流分量检测的保护策略。

该方法以超过一定阈值的零序电流分量和负序电流分量作为主保护的启动值，将传统的过电流保护与之结合可取得良好的效果。

虽然国际上已有学者研制出微电网保护的硬件装置，但人们仍在对更加完善的保护策略进行积极探索。

发电机和负荷容量对保护的影响，不同类型发电机（如基于变流器与不基于变流器）对保护的影响及微电网不同运行方式和不同设计结构对保护的影响等问题都是微电网保护策略研究中所关注的重点。

5.3 微电网接入标准：
微电网的接入标准也是人们较为普遍关注的问题。

目前，IEEE已重新修改了分布式电源的入网标准。

新标准中的IEEEP1547.4对分布式独立电力系统的设计、运行及接人系统导则进行了详细的规定。

5.4 微电源：
微电源是微电网中重要主成部分。

它反应时间在毫秒级，采集本地信息来控制微电源。

微电源自身中基本的动作不需要为电源之间的联系，即每个变换器在负荷变化的情况下不用与其他电源等装置进行数据交换。

控制器的基本输入量是输出功率的稳定点时的母线电压和功率。

在时域中，电源总供给功率和负荷总需求功率都是动态变化的，并且两者之间并不是每时每刻都能达到供需平衡。

在电源总发电功率大于负荷总需求功率时，将多余的能量储存在储能单元中；同样，在电源总发电功率小于负荷总需求功率时，将储能单元中储能的能量发恰当的方式释放出来。

如今，储能方式有许多种，各种方式的性能也各异。

需要研究根据系统稳定的需求来选择储能方式。

传统电力系统的电源都是同步发电机。

然而，微电源因燃料来源不同，我们可以将供电电源分成三种基本的大类：
1）直流电源，如燃料电池、太阳能电池、蓄电池以及储能电容器等。

2）交直交电源，如微轮机，其发出的电流电需要整流后再进行逆变。

3）工频交流电流，如以鼠笼式感应电机为主的风力发电机和传统的小功率同步发电机。

6. 微电网经济性：
微电网的经济效益是多方面的，其效益主要集中于能源的高效利用和环保以及个性化电能供给的安全、可靠、优质等方面
微电网的经济性是微电网吸引用户并能在电力系统中得以推广的关键所在。

在经济运行方面，微电网虽然可以从大电网的调度原则、电能交易、资源配置原则等方面借鉴众多经验，但微电网本身的许多独特之处也使得其经济运行问题带有自身特点。

从目前研究来看，微电网的经济性研究主要体现在两方面：
1）微电网系统设计的研究
微电网的经济效益是多方面的但从用户来看其效益主要集中于能源的高效利用和环保以及个性化电能供给的安全、可靠、优质两方面。

优化资源配置、实现高效能源供给是体现微电网经济性的重要方面，也是微电网研究中的一项重点。

目前，由美国CERTS提出的分布式电源用户侧模型(DER
一CAM—distributed energy resource一customer adoption model)是对微电网资源结
构进行经济设计的重要工具。

该模型将分布式发电的安装和运行成本等与电力部门
的供电费用结构进行比较，可以为用户提供供电效果佳且成本低的分布式发电技术
组合以及热电联产的技术配置决策。

更进一步的研究还将该模型与地理信息系统相
结合，应用地理信息系统的数据信息对用户周围的地理因素进行识别和分析，采用
就近组合原则形成用户群，为实现微电网良好的经济效益提供了重要的现实基础。

许多学者已将该模型应用到基于微电网的热电联供设计中，并取得了一定成果。

但该模型还只是针对简单的微电网结构进行设计，仍需在微电网的发展中不断
完善。

多样化的电能供给也是微电网为用户带来的另一效益。

按用户对电力供给的不同需求，负荷将被分类和细化，最终形成金字塔式的负荷结构。

其中，对电能质量
要求不高的多数负荷位于金字塔的底端，而对电能质量要求极高的少数负荷位于金
字塔顶层。

负荷电能质量的分级的确体现了微电网个性化供电的特点，但如何设计
合适的微电网以实现这个复杂的分级结构仍是实际应用中的难点。

2）经济效益的评估和量化
微电网的经济效益评估和量化是微电网吸引力的最直接表达。

虽然目前已有相关文献对微电网的热电联产效益及可靠性量化指标等进行评估，但至今尚
无有效方法将微电网对用户、电力部门及社会的效益全面量化。

随着微电网研
究的深入与成熟，微电网经济效益的不确定性必将成为阻碍其发展的重要因
素。

这方面的研究有待深入与加强。

7. 管理和市场方面
除了技术和经济上的问题外，微电网发展还有许多管理和政策上的障碍。

灵活协调微电网内部的能量交换与管理，建立高效、公正、安全的市场机制，重新定位供电方、电网及用户三者的角色与责任，加紧制定相应的管理政策和法规等是当前及今后一段时期的努力方向。

8. 微电网在中国的发展前景
目前，中国尚未提出明确的微电网概念，但微电网的特点适应中国电力发展的需求与方向，在中国有着广阔的发展前景，具体体现在:
1) 微电网是中国发展可再生能源的有效形式。

“十一五”规划已将积极推动和鼓励
可再生能源的发展作为中国的重点发展战略之一。

一方面，充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、开发西部、解决农村用能及边远地区用电、进行生态建设等均具有重要意义；另一方面，中国可再生能源的发展潜力十分巨大。

据专家估计，中国新能源和可再生能源的可获得量是每年7.3x109t标准煤，而现在的每年开发量不足4x107t标准煤。

中国制定的2020年可再生能源发展目标也已将可再生能源发电的装机容量定位为100GW。

然而，可再生能源容量小、功率不稳定、独立向负荷提供可靠供电的能力不强以及对电网造成波动、影响系统安全稳定的缺点将是其发展中的极大障碍。

如前所述，若能将负荷点附近的分布式能源发电技术、储能及电力电子控制技术等很好地结合起来构成微电网，则可再生能源将充分发挥其重要潜力。

例如，对于中国未通电的偏远地区，充分利用当地风能、太阳能等新能源，设计合理的微电网结构，实现微电网供电，将是发挥中国资源优势、加快电力建设的重要举措。

日本已对中国多个偏远地区和较发达市区利用新能源发展的潜力与效益进行了分析，并已在中国新疆维吾尔自治区建设了微电网工程，中国也应尽快加紧在这方面的研究与开发。

2）微电网在提高中国电网的供电可靠性、改善电能质量方面具有重要作用。

中国的经济已进人数字化时代，优质、可靠的电力供应是经济高速发展的重要保障。

在大电网的脆弱性日益凸显的情况下，将地理位置接近的重要负荷组成微电网，设计合适的电路结构和控制，为这些负荷提供优质、可靠的电力，不仅可省去提高整体的可靠与电能质量所带来的必要的成本，还可减少这些由于停电引起的经济缺失，吸收更多的高新技术在中国发展。

3）微电网对于在中国发展热电联借供有极大的指导意义。

目前，中国已经建立了许多热电联供项目，而微电网研究中的资源配置与经济优化思想非常值得借鉴。

如何就近选择合适容量的热力用户与电力用户组成微电网，并进行最佳的发电挂技术组合，对于中国提高能源利用率、优化能源结构、减少环境污染等具有重要意义。

4）微电网与大电网间灵活的并列运行方式可使微电网起到削峰填谷的作用，从而便整个电网的发电设备得以充分使用，实现经济运行。

此外，对于中国已有众多独立系统，在系统中加入基于电力电子技术的新能源并配以智能、灵活的控制方式，一方面可提高系统的智能化与自动化水平，另一方面也可为企业带来可观的经济效益。

9 结束语
微电网的出现将从根本上改变传统的应对负荷增长的方式，其在降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性等具有巨大潜力。

但是诸如微电网的运行与控制，微电网相关电能质量研究和微电网保护及微电网的接入标准等，都是微电网研究中的重点问题。

此外，燃料电池、光伏发电等新能源成本仍然较高，加快对电源技术的研究，降低其成本，增强微电网的竞争力也是推动微电网发展的关键。

微电网既可以联网运行，又可以孤岛运行，能保证在恶劣天气下对用户供电。

微电网在满足多种电能质量要求和提高供电可靠性等方面有诸多优点，使它完全可以作为现有骨干电网的一个有益、必要的补偿。

微电网的发展在我国尚处在起始阶段，不间断电力变电站的概念体现了微电网的思想，但微电网在我国的发展和实用化还有待进一步研究。

毫无疑问，微电网在我国有着
巨大的应用潜力和发展前景。

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