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。