孟祥昀

[摘要]微電網(wǎng)是發(fā)揮分布式電源效能的有效方式，有巨大的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)意義。微電網(wǎng)可以提高電力系統(tǒng)面臨突發(fā)災(zāi)難時(shí)的抗災(zāi)能力，減少電力輸送距離，降低輸電線路的資金投入和電力系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本，確保電力系統(tǒng)的運(yùn)行更安全、更經(jīng)濟(jì)。文章從微電網(wǎng)的能量管理、控制保護(hù)、建模仿真等方面闡述了微電網(wǎng)技術(shù)近年來的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，展望了微電網(wǎng)技術(shù)今后的發(fā)展方向。

[關(guān)鍵詞]微電網(wǎng)；分布式電源；控制保護(hù)；電力電子

[DOI]1013939/jcnkizgsc201623074

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了電力的需求，同時(shí)使得電網(wǎng)規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大。大電網(wǎng)的建設(shè)不僅運(yùn)行難度大、成本高，而且在用戶高要求、高安全性、高可靠性的供電需求等方面都還存在諸多問題。最近幾年，在一些國(guó)家發(fā)生的大面積停電事故已經(jīng)能夠看出大電網(wǎng)的缺點(diǎn)和脆弱。分布式電源可靠性高、清潔、能效高，這些都是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)所不具備的。分布式電源位置靈活分散，和大電網(wǎng)相互備用可以更好地提升供電的可靠性，減少輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)升級(jí)的資金投入。目前，分布式電源單機(jī)接入成本較高并且控制困難，因此，為了發(fā)揮分布式電源的最大潛能，避免其諸多不利影響，較好的解決方案就是采用微電網(wǎng)（Micro-grid）。

1微電網(wǎng)概述

1.1微電網(wǎng)的定義

微電網(wǎng)也稱微網(wǎng)，是一種新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一組微電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)和控制裝置構(gòu)成的較小規(guī)模的分散獨(dú)立系統(tǒng)。微電網(wǎng)是能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的一個(gè)自治系統(tǒng)，既能與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可孤立運(yùn)行。微電網(wǎng)是相對(duì)傳統(tǒng)大電網(wǎng)的概念，是指多個(gè)分布式電源及其相關(guān)負(fù)載按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的網(wǎng)絡(luò)，并通過靜態(tài)開關(guān)關(guān)聯(lián)至常規(guī)電網(wǎng)。

1.2微電網(wǎng)的組成

微電網(wǎng)的組成包括：①微電源或微源，可有風(fēng)電、光伏、燃料電池、生物質(zhì)發(fā)電等分布式電源；②儲(chǔ)能裝置；③監(jiān)控單元及調(diào)度體系；④負(fù)荷，有不可中斷負(fù)荷和可中斷負(fù)荷；⑤離并網(wǎng)開關(guān)，用于將微電網(wǎng)與主網(wǎng)分合。

2微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

目前大多數(shù)微電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)和電力系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括微電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化、保護(hù)與控制、仿真實(shí)驗(yàn)、電力電子技術(shù)等。[1]

2.1微電網(wǎng)的能量管理

微電網(wǎng)的能量管理指的是通過調(diào)節(jié)儲(chǔ)能出力、投切負(fù)荷、改變網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等手段來滿足不同時(shí)間尺度上系統(tǒng)的能量平衡和頻率穩(wěn)定。頻率波動(dòng)來自兩方面：①風(fēng)和光等間歇性能源的出力波動(dòng)；②主網(wǎng)與微電網(wǎng)交換功率的波動(dòng)。微電網(wǎng)離網(wǎng)時(shí)的頻率控制實(shí)質(zhì)是選取某個(gè)或多個(gè)出力源參與頻率調(diào)節(jié)的過程。例如，可通過控制燃料電池的電解槽的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來平衡系統(tǒng)的有功波動(dòng)。由于直流微電網(wǎng)不存在頻率問題，因此，對(duì)于交直流混合微電網(wǎng)，能量管理策略上更加靈活，其核心是保持交直流母線電壓的穩(wěn)定。[2]

能量管理的另一個(gè)著眼點(diǎn)是微源、儲(chǔ)能及負(fù)荷的優(yōu)化運(yùn)行。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)不同，這個(gè)問題需考慮到微電網(wǎng)自身的特點(diǎn)：①潮流控制模式，即是否允許雙向潮流，雙向潮流的上下限等都會(huì)影響微電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)投入。②微電網(wǎng)經(jīng)調(diào)問題本質(zhì)上是多目標(biāo)的，其目標(biāo)函數(shù)除發(fā)電成本外，還要考慮各種環(huán)境因素，如離并網(wǎng)切換時(shí)用戶的停電成本等。③微電網(wǎng)經(jīng)調(diào)問題本質(zhì)上是多約束的，需要考慮運(yùn)行模式（并網(wǎng)或離網(wǎng)）、電價(jià)機(jī)制（如分時(shí)電價(jià)）、是否提供輔助服務(wù)（如供熱）等約束。[3]

2.2微電網(wǎng)的控制

微電網(wǎng)控制是實(shí)現(xiàn)其眾多優(yōu)越性能的重要保證，微電網(wǎng)除了并網(wǎng)、離網(wǎng)兩種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式外，還存在二者間的過渡過程。過渡過程的電能質(zhì)量?jī)?yōu)劣程度是評(píng)價(jià)微電網(wǎng)控制策略的重要依據(jù)之一。

微電網(wǎng)的控制主要是對(duì)微觀上電力電子變換器的控制，變換器作為微源與微電網(wǎng)的主要接口是能量轉(zhuǎn)化和擾動(dòng)緩沖的重要角色。微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行的最大區(qū)別為：并網(wǎng)時(shí)，其從公共連接點(diǎn)（PCC）處獲取主網(wǎng)電壓的頻率和幅值參考信號(hào)來與主網(wǎng)同步運(yùn)行；離網(wǎng)時(shí)，其需設(shè)定新的參考信號(hào)來實(shí)現(xiàn)自治運(yùn)行。

微電網(wǎng)控制架構(gòu)主要有兩類，一類是歐盟MICROGRIDS項(xiàng)目所提出的微電網(wǎng)中央控制器（MGCC）為代表的主從控制，可為單主或多主模式；另一類是美國(guó)CERTS微電網(wǎng)為代表的對(duì)等控制，各微源處的控制器都能響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷需求并自動(dòng)分?jǐn)偛⑶也挥媒柚c其他微源間的通信。當(dāng)前，主從控制的研究主要圍繞MGCC為核心的控制體系展開。例如在微源本地控制器的設(shè)計(jì)上應(yīng)用模糊理論；將最小化函數(shù)法應(yīng)用于MGCC的設(shè)計(jì)等。當(dāng)然，主從控制需借助MGCC與各微源本地控制器間的頻繁通信，會(huì)增加系統(tǒng)投入成本。

對(duì)等控制的研究主要是對(duì)傳統(tǒng)下垂控制器的改進(jìn)。基于低壓線路呈阻性的特征，有學(xué)者提出解耦控制策略。針對(duì)傳統(tǒng)下垂控制抗干擾性差這一點(diǎn)有兩種改進(jìn)的措施，第一種是從外環(huán)入手，自適應(yīng)變下垂系數(shù)或采用帶高階微分修正項(xiàng)的下垂控制來克服離網(wǎng)下不確定擾動(dòng)。第二種是修改內(nèi)環(huán)，如引入高級(jí)滑?？刂扑惴?，避免微電網(wǎng)電壓在電源）出力劇烈變化時(shí)的震蕩。

2.3微電網(wǎng)保護(hù)

微電網(wǎng)的故障情況分為外部故障和內(nèi)部故障。在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤立運(yùn)行兩種模式下微電網(wǎng)內(nèi)部故障所呈現(xiàn)的特性以及保護(hù)方法是不同的，并且與微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源的控制方法有密切聯(lián)系。

2.3.1微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)

當(dāng)微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行情況下，若微電網(wǎng)發(fā)生內(nèi)部或外部故障，首先應(yīng)該檢查外部故障是不是永久故障，或者內(nèi)部故障是否使微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)不符合IEEE1547等標(biāo)準(zhǔn)，以此來判斷微電網(wǎng)是否要從主網(wǎng)解列。如果發(fā)生內(nèi)部故障不需要解列時(shí)，應(yīng)迅速切除故障的一部分，減小其對(duì)微電網(wǎng)其他部分的影響。如果是永久性外部故障發(fā)生就必須與外部電網(wǎng)解列。

2.3.2微電網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí)

如果在微電網(wǎng)處于孤立運(yùn)行的情況時(shí)發(fā)生了內(nèi)部故障，由于短路電流常被限制在兩倍額定電流之內(nèi)，這給保護(hù)裝置的參數(shù)設(shè)定帶來一定困難。解決的辦法就是按微電網(wǎng)運(yùn)行模式的不同改變保護(hù)整定值。這種方法雖然使保護(hù)的整定值計(jì)算簡(jiǎn)單，但是對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的適應(yīng)性要求更高。另一種解決的辦法是基于通信的差動(dòng)保護(hù)，對(duì)兩端保護(hù)的電流信息進(jìn)行比較，可達(dá)到故障識(shí)別和切除的效果。

2.4微電網(wǎng)的建模仿真

微電網(wǎng)的建模仿真主要集中在微源本體建模和逆變器等電力電子接口建模，以MATLAB/SIMULINK和PSCAD/EMTDC等工具為主。也有學(xué)者針對(duì)微電網(wǎng)某一專題采用多學(xué)科手段建模，如將風(fēng)電、光伏出力用概率分布進(jìn)行表征，并采用蒙特卡羅法進(jìn)行微電網(wǎng)供電可靠性的分析；或借助負(fù)荷建模理論，利用元件的相似性對(duì)微電網(wǎng)整體建模，也是研究的新視角。

3結(jié)論

微電網(wǎng)以其獨(dú)特的運(yùn)行方式滿足了電力用戶的多種需求，保證了在極端情況下電能的持續(xù)供應(yīng)，微電網(wǎng)的諸多優(yōu)點(diǎn)將使其成為大電網(wǎng)的一個(gè)有力補(bǔ)充。當(dāng)前我國(guó)正在大力發(fā)展風(fēng)電和光伏等分布式能源，分布式能源技術(shù)是我國(guó)的必然選擇，但分布式能源入網(wǎng)仍存在很多問題。在我國(guó)許多偏遠(yuǎn)地區(qū)以及中小城市，有一些資源損耗大、運(yùn)行效率低、投入成本高并且污染大的火力發(fā)電和小水電等傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組，因此，應(yīng)充分考慮挖掘這些機(jī)組的合理利用，組成微電網(wǎng)。[4]

在政策方面，我國(guó)已經(jīng)制定了一些利于微電網(wǎng)推廣建設(shè)的政策，如采取了新能源和可再生能源優(yōu)先上網(wǎng)和價(jià)格優(yōu)惠等政策。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊新法，蘇劍，呂志鵬，等.微電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014（1）：57-69.

[2]曾正，趙榮祥，楊歡，等.多功能并網(wǎng)逆變器及其在微電網(wǎng)電能質(zhì)量定制中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012（5）：58-67.

[3]徐林，阮新波，張步涵，等.風(fēng)光蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)容量的改進(jìn)優(yōu)化配置方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012（25）：88-98.

[4]李莉華，李賓皚.微電網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用前景[J].電力與能源，2011（2）：124-126.