微电网基本知识

第一章微电网
1.1 微电网的前身分布式发电技术（DG）
DG的定义：通过在配电网中建立单独的发电单元来对重要用户负荷进行供电，并通过PCC和外界进行能量交换。

DG的特点：
（1）提高能量利用率；
（2）减少各种碳化物的排放，利于环保；
（3）提高电能质量和供电可靠性；
（4）可以降低线损；
（5）延续电网的不断膨胀。

DG存在的问题：
（1）分布式电源单机计入成本高、控制困难等；
（2）分布式电源相对大电网来说是一个不可控源，因此大系统往往采取限制、隔离的方式处置分布式电源，以期减小其
对大电网的冲击；
（3）I EEE P1547对分布式电源的入网标准做了规定：当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行。

这就大大
限制了分布式电源效能的充分发挥。

1.2 微电网的产生
针对DG存在的问题，为协调大电网与分布式电源的矛盾充分挖
掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益。

在本世纪初，学者们提出了微电网的概念。

第二章微电网的定义
2.1 微电网的定义
微网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与大电网并网运行，也可以孤立运行。

微网在实际运行中需要解决的关键问题之一就是控制问题，而微网的硬件平台建设，作为微网控制策略的实现载体，可为微网控制策略研究提供验证平台。

规模较小的分散独立系统，采用大量现代电力技术，将各种微电源，储能设备，直接接在用户侧。

对大电网：微电网被视为电网中的一个可控单元；
对用户：满足特定需求，增加本地供电可靠性，降低馈线损耗。

微电网的组成：微电源、储能装置、控制设备、负荷、保护设备。

微电网的结构图：
微电源：主要是分布式电源，其主要包括可再生能源发电设备，如太阳能光伏发电、风力发电、燃料电池、微型燃气机和内燃机等。

储能装置：由于微电源的分散性和规模不大特点，也受自然条件制约，另外，微电网系统运行在孤岛模式下需要有储能装置来保证能量平衡。

目前用于电力系统的储能技术主要由超导储能、蓄电池储能、超级电容器储能和飞轮储能等。

储能形式多样，如在每个微电源的直
流母线上装置储能电池组或者超级电容，直接连接交流储能装置（带
逆变器的交流电池组、飞轮）等，需要根据系统稳定的需求来选择储能方式。

CERTS研究的微电网通过在每个微电源的直流侧母线上安装直流储能装置来保证供电可靠性，同时，安装一个附加电源，从而保证任何一个元件故障是微电网仍然能正常运行。

微电网的接口：DG与微电网连接逆变装置。

逆变器的主回路控制上具有的环节：
A、内环电流/电压控制回路；
B、外环有功、无功功率控制回路；
C、DG与外部电网的同步控制；
D、保护及故障短路的电流抑制功能。

微电网与外部电网连接的隔离装置：静态开关在微电网和配电网的接口骑着关键作用。

CERTS微电网研究报告指出，静态开关的任务是一旦电能质量开始恶化，就将敏感负荷从电网中分离。

这里指出静态开关只分离敏感负荷，而不是将微电网从电网中分离。

微电网切换到外部电网并列运行时，同步需要2个约束条件：一是开关端电压必须非常小（理想情况是零）；二是开关闭合后电流必须从公用电网流向微电网。

控制：目前由2种基本控制方法，其一为频率-有功、电压-无功下垂曲线法；二是模块控制，即采用不同控制模块对有功、无功分别进行控制。

微电网的控制主要包括以下6点：
（1）正常联网运行时，如何响应并为系统提供附加服务功能；（2）有功及无功功率的匹配及能源利用的优化；（3）电能质量控制；（4）保护及限流；（5）通信及协调；（6）自检及主/从控制。

保护：微电网保护需要研究孤岛和联网2种运行模式下各种故障
的保护问题，原则是对孤岛和联网模式采用同样保护策略。

2.3 微电网对大电网特性的影响
配电网中引入少量DG对整个电网并不会产生太大影响，然而当电网中存在较多DG单元或微电网时，将会对系统的诸多方面造成较大影响。

因此有必要对DG及微电网的电网进行系统稳定、电能质量、规划与运行方式、系统网损等一列问题的研究。

2.3.1 稳定性分析
对包含多个DG系统的配电网系统稳定性分析有2中方法：一种是基于复杂动态模型方法，采用Prony算法，定义信号留数作为评价系统稳定性的基准；另一种方法是通过改变参数观察系统稳定极限的变化，定义系统的稳定极限作为评价系统稳定性的基准。

影响微电网稳定的主要因素是微电源和储能系统的控制策略、负荷类型、故障位置以及发电机惯性常量等。

微电源和储能装置可行的控制策略有：（1）P-Q控制；（2）下垂控制；（3）频率/电压控制。

规划与运行：分布式电源的规划出了要考虑负荷需求、系统经济、安全可靠性以及网损等电路规划问题外，由于其自身特性还需考虑不同类型DG的安装地点、安装容量、渗透极限等问题，以确保系统达到最优化运行状态。

2.3.2 电能质量
DG或微电网接入配电系统后，如果控制不当，可能产生电网闪电变
和谐波，而DG或微电网并网也存在改善电能质量的巨大潜力，利用变流技术可提高，通过电力电子技术实现更佳的谐波和无功功率控制。

基于电力电子及时的柔性交流配电网技术（DFACTS）和储能技术改善电能质量。

电能质量指标，该指标综合考虑了系统负荷特性和用户消费电力的断续频率。

电网故障水平、R/X（电阻/电抗）的比值、发电机类型及原动机的不同队电网稳态电压偏移、闪变、波形畸变、不平衡等。

2.3.3 规划与运行
分布式电源及微电网的规划除了要考虑负荷需求，系统经济、安全可靠性以及网损等电力规划问题外，由于其自身特性还需要考虑不同类型DG的安装地点、安装容量、渗透极限等问题，以确保系统达到最优化运行状态。

如何确定配电网中DG或微电网最优安装地点，需要综合考虑馈线容量极限、馈线电压波形及三相短路电流水平等技术条件约束，从而确定网络重建及网损最小的目标函数，可采用遗传算法是电容器容量和安装地点最优，从而确定无功电源的最优配置方式。

微电网规划还需研究在不给电力系统带来不利影响的情况下，微电网能够反馈给玷污的最大电能限额问题，该问题由于其他问题相关，比如由谁来设定这个限额、怎么提高这个限额以及微电网与系统互联的经济问题等。

2.4 分布式发电及微电网标准
DG与配电网系统并列运行并能回馈电能，必需满足互联条件，IEEE1547-2003标准规定了分布式电源与电力系统互联的基本原则；IEEE1547系列标准中的IEEEP1547.1~3标准分别对连接设备的适应性测试程序、连接应用指南、监控及信息交互等方面作出规定。

分析工具：微电网可能包含三相、单相及双回二次回路系统，还包括一些列电力电子转换至互联的电源。

美国CERTS微电网项目开发放入μGrid微电网分析软件专注了三相或单相三线制、四线至及五线至电路最关键的物理现象，同时可基于物理模型模拟负荷。

第三章各国的微电网研究现状
目前，世界一些主要发达国家和地区，如美国、欧盟和日本等，都开展了对微电网的研究。

但国际上对微电网的定义各有不同。

3.1 美国
美国史最早提出了微电网的概念，近些年，其微电网研究一直在有条不紊地进行着。

1999年，可靠性技术解决方案协会，首次对微电网在可靠性经济性及其环境的影响等方面进行了研究。

2002年，较为完整的微电网被提出，CERTS给出的微电网定义是：微电网是一种由负荷和微型电源共同构成的系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部俄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，并同时满足用户对电能质量和供电安全等方面的要求。

美国最近几年发生了次较大的停电事故，使美国电力工业关注电能质量和供电可靠性，因此美国对微电网的研究着重于利用微电网提高电能质量和供电可靠性。

美国微网示范工程：
（1）威斯康星大学麦迪逊分校微电网
该微网始建于2001年，总容量200kW，电压等级为
280V/480V。

其设计理念是不采用快速电气控制、单点并网不上网、提
供多样化的电能质量与供电可靠性。

随时可接入的DERs
等。

（2）通用电气（General Electric Company，GE）全球研究计划其投资约400万美元。

GE的目标是开发一套微电网能量管
理系统（mirxrogrid energy mangagement，MEM），使它能
向微电网中的器件提供统一的控制、保护和能量管理平台。

这项微电网计划分两个阶段实施，第一阶主要是一些基础
的控制技术和能量管理技术方面进行研究，并探索改计划
的市场前景。

第二阶段，主要是将第一阶段的技术在具体
的模型下进行仿真，并建造示范工程进行具体的实施。

3.2 欧洲
欧洲DERs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多种要求以及欧洲电网的稳定和环保要求等。

2005年，欧洲提出“SmartPowerNetworks”概念，欧盟微网项目
（EuropeanCommission Project Microgrids）给出的定义：利用一次能源；使用微型电源，分为不控、部分控制和全控制三种，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。

欧洲希望通过优化从电源到用户的价值链来推动和发展DERs，以使用户、电力系统及环境受益，欧洲互联电网中的电源大体上靠近负荷，比较容易形成多个微电网，所以欧洲微电网的研究更多关注多给微电网的互联问题。

欧洲微网示范工程：
欧洲的微电网研究引起了欧洲各国的广泛关注，主要分为两个阶段：
(2)欧盟第五框计划（5th Framework Program），该项目耗
资450万欧元。

计划由雅典国家技术大学组织。

已完
成去的了一些具有启动意义的成果：
DERs的模型：
可用于对逆变器控制的低压非对称微电网的静态和动态仿真
工具；
孤岛和互联的运行理念
基于代理的控制策略；
本地黑启动策略；
接地和保护方案；
可靠性的定量分析；
实验室微电网平台的理论验证
（2）Advanced architectures and control concepts for more microgrid(先进的架构和控制概念为更多的微型电网)
欧盟第六框架计划（6th Framework Program）资助850万欧元。

这项计划正在进行中，研究目标包括：
研发新型的分布式能源控制器，以保证微电网的高效运行。

寻找基于下一代通信技术的控制策略。

创造新的网络设计理念，包括新型环保方案的应用和考虑工作在可变的频率下等。

各种微电网在技术和商业方面的整合。

微电网在技术和商业方面的协议标准。

研发核实的硬件设备，使微电网具有即插即用的能力。

研究微电网对大电网运行的影响，包括地区性的和大范围的影响。

研究微电网能给欧洲电网在供电可靠性、网络损耗和环境等方面带来的改善。

探索微电网的发展对基础电网发展的影响，包括其增强和替代老化的欧洲电网的可行性分析。

3.3 日本
目前日本在微电网示范工程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。

日本微电网示范工程：
NEDO在2003的“Regional Power Grid with Renewable Energy Resources Project”项目中，开始微电网试点项目
（1）中部机场的爱知微电网
该微电网的最大特点是电源大都为燃料电池；2个高温熔化碳酸
盐燃料电池（270kW和300kW），4个磷酸盐型燃料电池（各200kW），一个困定氧化物燃料电池（50kW）。

系统中总的光伏发电容量为330kW，此外还有一个500kW的钠硫磺电池组用于功率的平衡。

（2）青森县的微电网
该微电网的做大特点是只使用可再生的能源（100kW）进行供电。

可控的DERs包括3个以沼气为燃料的发电机组（共510kW）、1个100kW的铅酸电池组和1个10t/h的锅炉。

该微电网能够节省约57.3%的能耗，同时减少约47.8%的碳化物排放量。

（3）京都微电网
2005年12月投运，它主由以下几方面构成：50kW光伏发电系统、50kW风力发电系统、5*80kW沼气电池组、250kW高温熔化碳酸盐燃料电池及100kW电池组。

该系统的控制中心能够在5分钟之内实现系统能力的平衡，也可以根据需要设置更短的时限。

11。