林志坤 張耀

摘要：隨著新能源的快速發(fā)展以及智能化技術(shù)的日益成熟，智能微電網(wǎng)的研究越來越受到人們的重視。本文對智能微電網(wǎng)最新發(fā)展展開了介紹，從智能微電網(wǎng)的概述及特點(diǎn)、智能微電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)、控制技術(shù)、規(guī)劃等方面進(jìn)行了總結(jié)研究，并從電力市場背景下及新能源背景下進(jìn)行了智能微電網(wǎng)未來發(fā)展的展望，為智能微電網(wǎng)的實(shí)用化和應(yīng)用推廣提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng);主從控制;保護(hù)機(jī)制;儲能技術(shù) ;規(guī)劃設(shè)計(jì)

0 引言

隨著氣候變暖帶來的環(huán)境危機(jī)與傳統(tǒng)能源的日益短缺，分布式新能源的發(fā)展與整體入網(wǎng)調(diào)配日益受到重視。在能源互聯(lián)網(wǎng)視角下，分布式新能源即為用戶終端，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)局域內(nèi)部的電能輸送調(diào)配，而且能夠與集中式大電網(wǎng)進(jìn)行能源互通，從而為中央能源供應(yīng)系統(tǒng)提供支持和補(bǔ)充，也是未來能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的關(guān)鍵組成部分。而微電網(wǎng)是目前分布式新能源與新型用戶的主要供電模式，符合“節(jié)能減排”、“環(huán)境治理”與“產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型”三大主題概念。積極促進(jìn)分布式能源的發(fā)展、持續(xù)推動微電網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新、支撐能源消費(fèi)革命，從基礎(chǔ)研究、重大共性關(guān)鍵技術(shù)研究到典型應(yīng)用示范全鏈條布局，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展[1]。

1 智能微電網(wǎng)概述

智能微電網(wǎng)是獨(dú)立分散的供電系統(tǒng)。在智能微電網(wǎng)系統(tǒng)中，可以通過交流母線上公共連接點(diǎn)的靜態(tài)開關(guān)實(shí)現(xiàn)與交流大電網(wǎng)的鏈接與斷開，即并網(wǎng)與孤島模式的平滑切換。智能微電網(wǎng)由于靠近用戶側(cè)，輸電線路短，減少了線路功率的損耗;同時(shí)，由于智能微電網(wǎng)能夠并離網(wǎng)切換運(yùn)行，增強(qiáng)了系統(tǒng)抵御大電網(wǎng)發(fā)生故障影響的能力，提高了智能微電網(wǎng)系統(tǒng)自身運(yùn)行的可靠性。綜上所述，智能微電網(wǎng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)[2]。

（1）并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式。在并網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)下，智能微電網(wǎng)在大電網(wǎng)中充當(dāng)削峰填谷的重要角色，降低因負(fù)荷峰谷差帶來的電力故障，保障了大電網(wǎng)運(yùn)行的暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)大電網(wǎng)接納能力有限或者發(fā)生故障時(shí)，智能微電網(wǎng)可以根據(jù)保護(hù)裝置迅速與大電網(wǎng)隔離，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)孤島穩(wěn)定運(yùn)行，提高了智能微電網(wǎng)系統(tǒng)自身供電的可靠性。

（2）穩(wěn)定。通過合理的控制策略，智能微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行狀態(tài)下能夠保障系統(tǒng)有功功率平衡和電壓/頻率的穩(wěn)定和減小系統(tǒng)諧波以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，從而滿足用戶負(fù)荷電能質(zhì)量的需求。

（3）兼容。由于可再生能源具有隨機(jī)性和間歇性等特點(diǎn)，導(dǎo)致分布式電源的分布具有分散性。智能微電網(wǎng)可以將局部分散的分布式電源進(jìn)行集中整合，從而實(shí)現(xiàn)多種分布式電源的兼容。

（4）靈活。智能微電網(wǎng)不僅可以作為一個(gè)微型受控單元實(shí)現(xiàn)“即插即用”，而且通過手段實(shí)現(xiàn)不同電壓等級下用戶多樣化的用電需求。

（5）經(jīng)濟(jì)。智能微電網(wǎng)作為可再生能源有效利用的重要形式能夠優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，減少污染排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)，提高可再生能源的利用效率。

2 微電網(wǎng)控制策略

微電網(wǎng)的控制主要是對微電網(wǎng)運(yùn)行的控制，從而保證其穩(wěn)定安全的運(yùn)行，微電網(wǎng)系統(tǒng)都是采用有效的協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行分布式電源和負(fù)荷之間的穩(wěn)定運(yùn)行控制。微電網(wǎng)的控制策略通常包括主從控制和對等控制。在微電網(wǎng)的控制方法中主要用到變流器控制技術(shù)，它對微電網(wǎng)系統(tǒng)能否孤島穩(wěn)定運(yùn)行以及能否實(shí)現(xiàn)快速并網(wǎng)起到關(guān)鍵性作用，常用的微電網(wǎng)變流器控制技術(shù)有PQ控制、恒壓恒頻（V/F）控制以及下垂控制[3]。

2.1 主從控制

主從控制就是各微電源運(yùn)用多種控制方法把PQ控制與V/F控制結(jié)合起來，使得分布式電源具有各種不同的職能，它由主控制器和從控制器組成，主控制器一般使用V/F控制，從控制器的運(yùn)行方式由主控制器來控制。各微源間需要信號線來連接，實(shí)現(xiàn)信息的通信，如果通信系統(tǒng)出現(xiàn)問題，微網(wǎng)將難以繼續(xù)運(yùn)行。不管是在孤島運(yùn)行模式還是在并網(wǎng)運(yùn)行模式下主從控制都表現(xiàn)出較好的優(yōu)勢，不過其主要運(yùn)行在孤島模式下。

2.2對等控制

對等控制中的“對等”也有相同的意思，就是指微網(wǎng)中的所有微電源在控制上有著相同的地位，沒有主從之分。在對等控制模式下，每個(gè)分布式電源之間不需要互相通信聯(lián)系，就可以進(jìn)行輸出功率的自動分配，從而實(shí)現(xiàn)“即插即用”，不但提高了微電網(wǎng)的可靠性，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的成本。雖然對等控制有著許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于其在控制方面比較復(fù)雜，要求較高，則不易得到應(yīng)用，不過隨著微電網(wǎng)的不斷研究和規(guī)模的擴(kuò)大，這項(xiàng)問題將會有更多人去探索，是一個(gè)研究的趨勢。

3微電網(wǎng)保護(hù)機(jī)制

微電網(wǎng)的保護(hù)是在微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，能夠快速準(zhǔn)確的切除故障并恢復(fù)微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的一種關(guān)鍵技術(shù)，其設(shè)備特性非常復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也樣式各異、運(yùn)行方式變換不定，這使得微電網(wǎng)的保護(hù)機(jī)制顯地尤為重要[4] 。傳統(tǒng)的三段式過流保護(hù)已經(jīng)無法滿足微電網(wǎng)的運(yùn)行需求，現(xiàn)在新的保護(hù)策略主要有過流保護(hù)、差動保護(hù)、距離保護(hù)、自適應(yīng)保護(hù)等，如圖1所示[5]。

4微電網(wǎng)儲能技術(shù)

在微電網(wǎng)分布式電源中會用到風(fēng)能、潮汐能、光伏能等清潔能源發(fā)電，然而這些能源發(fā)電會出現(xiàn)發(fā)電的不連續(xù)性或間歇性，這對電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定是不允許的。微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式的切換中，會出現(xiàn)功率的缺額，只通過電源發(fā)出的功率很難快速進(jìn)行補(bǔ)償，因此在電網(wǎng)中安裝儲能裝置就可以較好的解決此問題。儲能系統(tǒng)具有功率雙向流動、控制靈活的特點(diǎn)，因而對儲能系統(tǒng)的優(yōu)化為微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到十分重要的作用。

4.1一般儲能方式

現(xiàn)有的儲能技術(shù)主要有四類，分別是蓄電池儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、超級電容儲能。

4.2 復(fù)合儲能方式

一般儲能方式都存在一些缺點(diǎn)，因此在這種情況下各種存儲方式可以聯(lián)合起來，相互結(jié)合優(yōu)勢，彌補(bǔ)缺陷，從而形成復(fù)合存儲模式。

對于復(fù)合性儲能的研究，更多的運(yùn)用到超級電容器和蓄電池的結(jié)合，主要是因?yàn)樗鼈冇兄嗨频膬δ芊绞?，同時(shí)超級電容有著高功率密度，再加上蓄電池具有高能量密度，則有著較好的配合使用條件，而且兩者在年使用價(jià)格上也表現(xiàn)出一個(gè)價(jià)格最低，一個(gè)較高，從而優(yōu)勢互補(bǔ)，由此表現(xiàn)了很好的經(jīng)濟(jì)效益，更適合相互結(jié)合使用。同時(shí)超級電容器儲能與飛輪儲能和超導(dǎo)儲能進(jìn)行比較，它在運(yùn)行時(shí)沒有復(fù)雜的運(yùn)動部件，從而很少需要維修，因此穩(wěn)定性就很高，適合和其他儲能方式相互配合使用。

5 微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)后續(xù)實(shí)施、運(yùn)行、維護(hù)等工作的前提，其目的是在考慮經(jīng)濟(jì)的合理性、環(huán)境的有好性及技術(shù)的可行性基礎(chǔ)上，結(jié)合特定的目標(biāo)和系統(tǒng)約束條件，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備配置，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及能源利用效率等指標(biāo)的優(yōu)化[6]。微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)是對多目標(biāo)的設(shè)計(jì)規(guī)劃，具有較大的隨機(jī)性和不確定性，其研究主要包括建模方案、可再生能源與負(fù)荷需求分析和優(yōu)化算法三個(gè)方面[7]。在現(xiàn)今的研究，對于微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)更多的側(cè)重對算法和模型的優(yōu)化，對于可再生能源與負(fù)荷需求分析的文獻(xiàn)較少。其實(shí)總體來看，相對于前面幾種技術(shù)，在微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方面，較少有人涉及和研究。

6存在的問題及解決方法

對于微電網(wǎng)技術(shù)的研究已經(jīng)有不少的經(jīng)驗(yàn)積累，但是還存在著許多的問題需要進(jìn)一步的研究解決。在控制策略方面，主從控制下用信號線通信的各微電源，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定性問題，在此情況下需要更好的把下垂控制、PQ 控制和V/F控制進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，不管在孤島運(yùn)行還是在并網(wǎng)運(yùn)行下，都具有自適應(yīng)能力，以實(shí)現(xiàn)不需要通信的運(yùn)行;在對等控制下的分布式電源逆變器控制電壓穩(wěn)定時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分布式電源逆變器輸出為容性阻抗時(shí)則利于電壓的控制，但是輸出阻抗一般都是阻性，設(shè)計(jì)為容性使電路復(fù)雜，成本也更高，并不宜大規(guī)模的應(yīng)用，因此可以考慮把容性和阻性相結(jié)合的方法運(yùn)用到不同位置的逆變器中 ;下垂控制公式是從穩(wěn)態(tài)下推導(dǎo)的，然而在暫態(tài)下就不能得到保障，可以考慮把下垂特性設(shè)計(jì)為余切等函數(shù)曲線來改善系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。

在儲能技術(shù)方面。該方面較多用到超級電容器儲能和蓄電池組合的方式，雖然具有很大的優(yōu)勢，但是大規(guī)模的運(yùn)用還是會存在較多的污染問題。此時(shí)可以考慮把飛輪儲能和超級電容器儲能相結(jié)合，兩者在能量密度、功率密度和使用壽命上都有著很高的水準(zhǔn)，并且沒有污染問題，年平均使用價(jià)格上也很低，因此兩者的結(jié)合具有很高的各方面效益，這可能是下一步的研究重點(diǎn)。

在保護(hù)機(jī)制方面。對一些有效的故障處理算法已經(jīng)有了較多的研究，但在設(shè)計(jì)出一套保護(hù)方案后，對故障的模型構(gòu)建還相對缺乏，由于各個(gè)分布式電源的控制方法不同，導(dǎo)致他們電源故障時(shí)出現(xiàn)的電壓和電流也有所不同，只有建立了對應(yīng)的模型，才能準(zhǔn)確的分析判斷，制作的保護(hù)方案才有效可行。

在規(guī)劃設(shè)計(jì)方面。對于這方面的研究很少，不是因?yàn)檫@方面不重要，而是微電網(wǎng)技術(shù)還算是一種新型的技術(shù)，發(fā)展不夠成熟，也沒有大規(guī)模應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中，在這方面的分工和任務(wù)并不太明確。因此對于這種情況需要鼓勵(lì)和支持更多的研究人員投入研究，比如提出規(guī)劃的具體內(nèi)容和流程，從而不斷完善微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的理論體系。

7總結(jié)與展望

自從微電網(wǎng)的概念被提出以來，國內(nèi)外就展開對微電網(wǎng)技的不斷研究。通過對研究界較為關(guān)注的控制策略、儲能技術(shù)、保護(hù)機(jī)制及規(guī)劃設(shè)計(jì)四方面的微電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行綜述，指出微電網(wǎng)的一些未解決的問題，同時(shí)也提出了相應(yīng)問題的可能解決方法，并且還指出今后需要投入更多研究的方面。全球能源危機(jī)、環(huán)境惡劣的背景下，微電網(wǎng)作為一種新能源發(fā)電模式，具有長久的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境和社會效益。

越來越受到各國的重視，并會投入更多的研究，隨著微電網(wǎng)技術(shù)的不斷提高和體系的完善，微電網(wǎng)將會快速的發(fā)展下去，有著開闊的前景。以后微電網(wǎng)把各分布式電源相互連接起來，并得到大規(guī)模的應(yīng)用，越來越多的用戶也會由此而受益。

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作者簡介：林志坤（1979-），男，籍貫：福建漳州，工程師，國網(wǎng)浙江衢州供電公司生產(chǎn)指中心。

張 耀（1991-），男，籍貫：浙江開化，工程師，國網(wǎng)浙江開化縣供電有限公司。