微电网中的分布式电源及其特性

微电网中的分布式电源及其特性

摘要：本文讨论了分布式发电及微电网技术产生的背景，归纳了微电网中分布式电源的种类及特点，并分析了微电网中几种主要分布式电源的特性。

关键词：微电网分布式电源特性

0 引言

微电网本身结构具有复杂性和多样性的特点，由于开展研究的时间还不长，目前在理论和技术上还不够成熟，需要进一步开展研究。本文探讨了微电网中分布式电源的种类及特性，对于微电网工程的分布式电源设备选型提供了依据。

1 分布式发电及微电网

数十年来，电力系统主要依靠大型发电厂及超高压长距离输电线路，集中向中心供电，以满足快速增长的电力需求。这种方式需要较长的工程建设时间，耗资巨大，消耗大量的一次能源，并且影响生态环境。另一方面，集中供电模式存在大停电的可能性，一旦发生会导致巨大的经济损失，近年来国内外的若干大停电事故证明了这一点。因此，利用风力、太阳能等清洁能源发电的分布式发电（Distributed Generation, DG）技术开始受到重视。分布式发电具有灵活、分散、小型、靠近用户和合理使用清洁能源的特点，能够减少输电损耗、提高一次能源的利用率以及减少废气排放，具有很好的应用前景。然而，大量分布式发电并网有可能造成电力系统对其不可控制的局面，并引发相应的电能质量、电网安全稳定性等诸多问题。

为了解决电力系统与分布式发电间联网运行的相关问题，充分发挥分布式发电为电力系统用户所带来的技术经济效益，进一步提高电力运行的灵活性、可控性和经济性，以及更好地满足电力用户对电能质量和供电可靠性的更高要求，微电网（Microgrid, MG）的概念应运而生，并很快成为国内外工程研究领域的最新前沿课题之一。与常规的分布式发电直接并网相比，微电网灵活、系统地将分布式电源与本地负荷组为一个整体，通过柔性控制可大大降低分布式电源并网运行对电力系统的影响。将分布式电源以微电网形式接入到电网中并网运行，与局部电网互为支撑，可提高分布式电源的利用率，有助于电网灾变时向重要负荷持续供电，避免间歇式电源对周围用户电能质量的直接影响，有助于可再生能源的优化利用。

2 微电网中分布式电源的种类及特点

以往的分布式电源有用户紧急备用的小型柴油发电机、燃煤的自备电厂小发电机组等，由于技术性能差、效率低、影响环保，已逐渐被淘汰或取代。随着科技的发展、设备性能的提高、环保意识的进步及能源政策的引导，分布式电源朝

着多样化、节能环保的方向发展。目前在微电网中主要应用的分布式电源包括：风力发电系统、光伏发电系统、柴油发电机、微型燃气轮机等。另外，燃料电池、生物质发电装置、地热发电装置等分布式电源在微电网中也有应用。

微电网中的分布式电源通常称为微电源。微电源与传统大电网中的常规电源有很大的不同，主要有以下特点：

（1）微电源形式多样，主要包括风力发电、太阳能发电、微型燃气轮机、柴油发电机、燃料电池等。随着科技的发展、设备性能的提高、环保意识的进步、能源政策的引导，微电源朝着多样化、节能环保的方向发展；

（2）微电源容量较小，通常为功率数千瓦至数兆瓦的小型模块式、与环境兼容的独立电源，就近布置在负荷附近；

（3）微电源一般通过电力电子装置接入微电网，具有即插即用的特点，这为微电网中多种分布式电源的协调控制提供了基础；

（4）微电源的稳态和暂态特性，不同于常规大型同步发电机。微电网中主电源主要是微型燃气轮机、柴油发电机等分布式电源，无功电压支撑能力弱、转动惯量小。电源通常还包括风力发电、光伏发电等不具备电压调节能力和转动惯量的电源。微电网的频率和电压稳定控制难度大；

（5）大部分微电源是存在波动性、不完全可控电源，如风力发电、光伏发电。这些电源受自然条件的限制，波动幅度和速度常常大于微电网中负荷的变化，对电网稳定性带来的扰动也常大于负荷波动带来的扰动。

3 微电网中主要分布式电源的特性

3.1 风力发电的特性

风力发电是目前技术最成熟、最适宜大规模开发的新能源利用形式，是微电网中分布式电源的重要类型。由于风力发电系统对风能资源要求高，且风轮运行时对环境会带来视觉和听觉上的影响，风力发电机组通常应用于海岛型微电网和偏远地区孤网运行的微电网中。在城市中，风力发电通常以风光互补路灯的形式出现在园区型微电网中。

风具有随机变化的特性，而风电机组的输出功率与风速的立方成正比，因此风力发电机组的输出功率通常随着风速大幅快速变化。若将大量风电接入电网，将会对电网的电能和电网稳定性产生影响。

并网型风力发电对于电网稳定性的主要威胁一方面是风速的波动性和随机性引起风电出力随时间变化且难以准确预测，从而导致风力发电接入电力系统时存在安全隐患；另一方面是弱电网中风电注入功率过高引起的电压稳定性降低。

风力发电对电网电压的影响主要有稳态电压波动、电压闪变、谐波、电压不平衡、瞬态电压跌落或凹陷等。

3.2 光伏发电的特性

太阳能光伏发电是最具可持续发展特征的可再生能源发电技术之一，是微电网中最主要的新能源发电形式之一，通常以屋顶光伏或地面光伏的形式应用于微电网中。

太阳能电池组件的输出电流与电压之间呈非线性关系。在一定的光照辐射强度和温度的条件下，伏安特性曲线上的任何一点都是工作点。通常，不同的工作点对应的输出功率也不同，但总可以找到一个工作点，其工作电压和电流的乘积最大，此时太阳能电池的输出功率也最大，该点即是最大功率点。在一定的光照辐射强度和温度条件下，太阳能电池所处的工作点取决于所带负载的电阻值，通过改变负载的电阻值便可以改变太阳能电池的工作点。

通常太阳能电池所标明的功率是指在标准工作条件下最大功率点所对应的功率。标准状态指的是太阳能电池组件表面温度25℃，光谱分布AM1.5，辐射照度为1000W/m2的情况。实际工作时，光伏阵列往往并不是在标准状态下，而且温度和光照辐照强度也在不断变化，所以光伏阵列能够达到额定输出功率的时候很少。

太阳能电池组件输出功率与太阳辐射强度及温度等自然条件有关。太阳能电池的输出功率受光照强度的影响明显，光照辐射强度越大，输出功率也就越大。太阳能电池组件输出功率呈现负的温度特性，即当温度升高时，虽然太阳能电池的工作电流有所增加，但工作电压却下降的更多，因此总的输出功率是下降的，所以应尽量使太阳能电池工作在较低的温度下。

太阳能电池的输出功率与日照、温度、负载的变化有关，即其输出特性具有非线性关系。在一定光照强度和环境温度下，光伏电池可工作在不同的输出电压下，但只有在某一输出电压值下，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点就达到了输出功率—电压曲线的最高点，即最大功率点。

3.3 柴油发电机的特性

柴油发电机组是以柴油等为燃料，以柴油机为原动机带动同步发电机发电的电源设备。柴油发电是微电网中可以稳定运行的支撑电源。

柴油发电机具有以下特性：

（1）可以快速自起动和稳定运行；

（2）柴油发电机在接起动指令后一般可在几秒内自起动成功，10秒钟左右加至满载；