太阳能光伏技术：微电网和微能源网的应用

随着智能电网技术的发展，现代电网正逐步从集中发电、远距离输电为特征的系统转变为分布发电辅助集中发电的新型电网形式。分布式能源（distributed energy resource，DER）是指分布在用户端的能源综合利用系统，是靠近用户端直接向用户提供各种形式能量的中小型终端供能系统，分布式电源是以电能形式供能的分布式能源，光伏发电、小型风力发电是典型的分布式电源。分布式能源能够提高能源利用效率，减少能源消费和污染排放；可缓解电网调峰的压力；提供用户一种更经济的用能选择。是集中式能源的有益补充，发展潜力巨大［11～13］。

尽管优点突出，但分布式发电也存在诸多问题：分布式电源单机接入成本高，控制困难等；由于分布式可再生电源的不可控性及随机波动性，其渗透率的提高也增加了对电力系统稳定性的负面影响，大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以减小其对大电网的冲击。当电力系统发生故障时，分布式电源往往都须在第一时间退出运行，这就大大限制了分布式发电效能的充分发挥。为协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式电源为电网和用户带来的价值和效益，提出并不断发展了微电网（micro－grid）的概念［14～18］。

17．3．2．1 微网的定义

目前，国际上对微网的定义没有统一的标准。美国电气可靠性技术解决方案联合会（consortium for electric reliability technology solutions，CERTS）给出的定义为［16，19］：微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能；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；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的要求。欧盟微电网项目（European commission project micro－grids）给出的定义是［20，21］：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。

在我国，微网还没有完整的定义，但是从上述两个组织的定义可看出微网（micro－grid）是相对传统大电网的一个概念，指多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组成的网络，并通过开关并入常规电网。是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。

智能微网中的电源大多为含电力电子接口的小型机组，包括光伏发电、风力发电机、微型燃气轮机、燃料电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置。微网一般处于电力系统的用电侧，其中包含了大量智能通信设施与数据管理系统，从而可以实现电力流、信息流、业务流的双向互动，加强用户与电力企业的联系。同时，微网也是一系列新技术的集合体，是新型的面向用户的供电平台，包含分布式电源、储能设备、控制中心、智能电器等设备，在大电网中兼有电源和负荷的角色，可以在并网和孤岛运行两种模式间灵活转换。图17．2为微网示意图。

图17．2　微网示意图［22］

图17．3　微网结构图［19］

17．3．2．2 微网的基本结构和特征

CERTS也给出了微电网的基本结构［16，19，23］，如图17．3所示，图中微电网由A、B、C三条馈线和一系列负荷及分布式电源构成，整个网络在公共连接点处通过主分隔装置（通常为静态开关）与配电网相连，可实现孤岛与并网运行模式间的平滑切换。负荷端的馈线电压通常是480V或更低。微电网中分布式发电电源通常是带有电力电子接口的小功率电源。微电网中配置能量管理器和潮流控制器，实现对整个微电网的综合分析控制和就地控制，根据负荷变化实时的调节各微源的输出功率。馈线A为微电源同时提供电能和热能的示例，对于敏感负荷和可调节负荷采用双源供电模式，如馈线A和馈线C所示。当外部配电网故障时，静态开关会快速动作，使微电网与配电系统断开，对于重要负荷，不间断向其正常供电，对于可中断负荷，系统则会根据网络功率平衡的需求，在必要时将其切除。

微电网接在用户侧，具有低成本、低电压、低污染等特点。微电网既可与主网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。微网具有双重角色。对于电网，微电网作为一个大小可以改变的智能负载，为本地电力系统提供了可调度负荷，可以在数秒内做出响应以满足系统需要，适时向大电网提供有力支撑；可以在维修系统的同时不影响客户的负荷；可以延长配电网更新换代，采用IEEE1547．4标准，指导分布式电源孤岛运行，能够消除某些特殊操作要求产生的技术阻碍。对于用户，微电网作为一个可定制的电源，可以满足用户多样化的需求，例如，增强局部供电可靠性，降低馈电损耗，支持当地电压，通过利用废热提高效率，提供电压下陷的校正，或作为不可中断电源服务等。

此外，紧紧围绕全系统能量需求的设计理念和向用户提供多样化电能质量的供电理念，是微电网的两个重要特征。在接入问题上，微电网的并网标准只针对微电网与主网的公共连接点，而不针对各个具体的微源。微电网不仅能解决分布式电源的大规模接入问题，充分发挥分布式电源的各项优势，还能为用户带来其他多方面的效益。微网将从根本上改变传统的应对负荷增长的方式，在降低能耗、提高电力系统可靠性、灵活性和节能环保等方面具有巨大潜力，也顺应了未来电网的可持续发展战略［12，23～26］。

17．3．2．3 微网关键技术［27］

1）微网的运行

微网具有光、风、氢和气等多种能源输入（风和光等能源具有强的随机波动特性），电、冷和热等多种产品输出、含光／电、风／电、热／电和交流／直流等多种转换单元，有与外部电网并网运行和孤岛运行两种运行模式。并网模式是指在正常情况下，微网与常规电网并网运行时向电网提供多余的电能或由电网补充自身发电量的不足。采用合理的控制策略时，微网可以并网或孤网运行，并可实现两种运行状态的平滑过渡和转换。孤岛运行是指当检测到电网故障或电能质量不满足要求时，微网可以与主网断开形成孤岛模式，由DER向微网内的负荷供电。微网的孤网运行为系统提供了更高的供电可靠性和供电不可间断性［27，28］。DER和储能元件可以确保微网运行模式转化的平滑性，减少孤网运行时的暂态影响，保证功角稳定性和电压质量［29～32］。电能与热能动态时间常数差异巨大，这样一个多能源随机耦合能量系统的优化运行问题是需要认真解决的关键技术。(www.xing528.com)

2）微网的控制

相对主网，微网可作为一个模块化的可控单元，对内部电网提供满足负荷用户需求的电能。实现这些功能必须具有性能良好的微网控制和管理系统，主要控制设备有DER控制器、可控负荷管理器、中央能量管理系统、继电保护装置。在运行控制过程中，微网可以基于本地信息对电网中的事件做出快速独立的响应，当网内电压跌落、故障、停电时，微型分布式发电系统应该利用本地信息自动有效地转换到独立运行方式，不再接受传统方式的统一调度。

微网控制的主要目标如下：①调节微网内的馈线潮流，对有功和无功功率进行独立解耦控制；②调节每个微型电源接口处的电压，保证电压的稳定性；③孤网运行时，确保每个微型电源能快速响应，并分担用户负荷；④根据故障情况或系统需要，平滑自主地与主网分离、并列或实现两者的过渡转化运行。

目前，微网的控制方法主要有：

（1）基于电力电子技术的即插即用控制（plug and play）和对等（point to point）控制［33］。该方法根据微网的控制目标，灵活选择与传统发电机相似的下垂特性曲线作为微型电源的控制方式，利用频率有功下垂曲线将系统不平衡的功率动态分配给各机组，保证孤网下微网内的电力供需平衡和频率统一，具有简单、可靠的特点。但是，该方法还没有考虑到系统电压与频率的恢复问题，即传统发电机的二次调频问题。因此，当微网遭受到严重的破坏或干扰时，系统很难保证频率质量。

（2）基于功率管理系统的控制［34，35］。该方法采用不同的控制模块分别对有功和无功功率进行控制，较好地满足了微网有功和无功功率、电压和频率等多种控制方式的要求，尤其是在调节功率平衡时，可采用频率恢复算法，很好地满足对频率质量的要求。另外，针对微网对无功功率的不同需求，功率管理系统采用了多种控制方法并加入无功补偿器，进而提高了控制的灵活性和控制性能。

（3）基于多代理技术的微网控制［36，37］。该方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微网控制系统。代理的自治性、响应能力、自发行为等正好满足微网分散控制的需要。采用基于多代理技术的微网控制方法可形成一个能够嵌入各种控制且无需管理者经常参与的系统。典型的自治电力网（Autonomous Electricity Metworks，AEN）三级控制结构及功能如下：一级控制结构保证微网可靠性运行，从而满足供需平衡；二级控制结构优化电能质量，并减少电压和频率波动；三级控制结构的目标是实现经济优化，即边际成本等值优化［38］。但目前多代理技术在微网中的应用多集中于对微网中频率、电压等进行控制的层面，要使多代理技术在微网的控制中发挥更大的作用，还需进行大量的研究。

未来微网控制系统的研究方向主要集中在以下方面：①不同微型分布式发电系统的运行和控制，包括间歇式、可控式、常规模式和变流器模式；②在独立运行模式与并网运行模式下，微网智能型频率、电压控制策略的可行性研究；③微网的分散控制方法以及多分散控制器的协调优化算法，要求每个DER根据自己局部的相关信息进行独立的电压调节和频率控制，按照特定的目标函数优化多个分散控制器的性能，使系统的总体性能最优，并满足各种运行环境下对电压和频率控制的要求。

3）微网的继电保护

微网的保护方式与传统保护方式存在着根本不同：①潮流的双向流通；②在并网和孤网运行情况下的微网，由于其馈线分布着多个DER，短路电流的大小有很大不同。如何在两种运行状态下，对微网内部故障做出响应，并在并网情况下快速感知主网故障，同时保证保护的选择性、快速性、可靠性与灵敏性，是微网保护技术的关键和难点。在孤网情况下，微网内分布式电源所能提供的故障电流大小仅为正常电流的二倍或更小，传统的电流保护装置已不能做出正常响应或需要几十秒才能做出反应，这无法满足微网保护的要求，因此需要采用更先进的故障诊断方式。目前，针对单相接地故障与线间故障，文献［38］提出了对称电流分量检测的保护策略。该保护策略以超过一定阀值的零序电流分量和负序电流分量做主保护的启动值，并与传统过电流保护相结合，获得了很好的效果。对于微网主动孤网的情况，文献［39］提出了利用三相电压源变流器进行主动式孤岛检测的技术。利用电压源电流控制器的d轴分量或q轴分量向系统注入一个扰动信号来进行检测，通过对d轴注入信号调节电压的幅值，但是这种方法会使系统产生频率偏移［38］。

4）微网的经济性

微网的经济性是推广和发展微网技术的重要依据。在经济性运行方面，微网可以在调度原则、电能交易、资源优化配置等方面参考大电网运行的知识与经验，进行优化设计［40，41］。更重要的是，微网本身具有很多独特的优势，如针对网内不同用户要求，提供不同水平的电能质量和可靠性服务，向外馈送电能等辅助服务等。从目前的研究来看，微网技术的经济性主要体现在以下方面：

（1）微网本身的投资与运行优化。微网优化可以通过微网能量管理系统的优化运行来实现。能量管理系统使用局地信息来满足用户侧热、电、冷需求、电能质量标准、主网特殊要求以及需求侧管理要求等，从而确定微网内分布式发电系统的运行模式和配电网所提供的受电量。

（2）微网经济效益评估和量化。微网的经济效益评估和量化是微网投资及运行优化的直接表现方式和衡量手段。目前，还没有有效的方法将微网对用户、电力部门及社会的效益全面量化。随着微网研究的不断深入和发展，微网经济量化的不确定性将成为重要的研究课题。

（3）微网中新的经济特性。微网的经济最优化问题和传统电网存在着很大的不同，微网中的分布式发电单元、电力电子控制设备和储能元件改变了配电网的网架结构和潮流特性，使微网规划不仅要满足电网规划的要求，还要考虑微网自身的特性。