微电网技术

能源是现代社会和经济发展的动力，是人类生命存在和繁衍的生命线。传统 化石能源的逐步耗竭，使能源危机已逐步逼近。中国 21 世纪的能源工业将是能 源资源利用与环境保护可持续发展的改造型新工业，因此，合理调整能源结构， 大力开发可再生能源和其它新能源，走多元化洁净能源发展道路，是我国社会可 持续发展的必由之路。

微电网是一种新型的网络结构，是一组微电源、负荷、储能系统和控制装置 构成的系统单元。微电网中的电源多为容量较小的分布式电源，即含有电力电子 接口的小型机组，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、小型风力发电机组 以及超级电容、飞轮及蓄电池等储能装置，它们接在用户侧，具有成本低、电压 低及污染低等特点。 开发和延伸微电网能够促进分布式电源与可再生能源的大规 模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是实现主动式配电网的一种有 效的方式，使传统电网向智能电网过渡。

1. 微电网的含义与研究动态

目前世界上许多国家己开展微电网研究，立足于本国电力系统的实际问题提出了各自的微电网概念和发展目标。作为一个新的技术领域，微电网在各国的发展呈现不同的特色。

1.1 美国微电网的研究

ERTS(Consortium for Electric Reliability Technology Solutions)合作组织由美国的电力集团、伯克利劳伦斯国家实验室等研究机构组成的，在美国能源部和 加州能源委员会等资助下，对微电网技术开展了专门的研究。CERTS 定义的微 电网基本概念：这是一种负荷和微电源的集合。该微电源在一个系统中同时提供 电力和热力的方式运行，这些微电源中的大多数必须是电力电子型的，并提供所 要求的灵活性，以确保能以一个集成系统运行，其控制的灵活性使微电网能作为 大电力系统的一个受控单元，以适应当地负荷对可靠性和安全性的要求。 CERTS 定义的微电网提出了一种与以前完全不同的分布式电源接入系统的 新方法。传统的方法在考虑分布式电源接入系统时，着重在分布式电源对网络性能的影响。按传统方法当电网出现问题时，要确保联网的分布式电源自动停运， 以免对电网产生不利的影响。而CERTS 定义的微电网要设计成当主电网发生故 障时微电网与主电网无缝解列或成孤岛运行， 一旦故障去除后便可与主电网重新 连接。这种微电网的优点是它在与之相连的配电系统中被视为一个自控型实体， 保证重要用户电力供应的不间断，提高供电的可靠性，减少馈线损耗，对当地电 压起支持和校正作用。因此，微电网不但避免了传统的分布式发电对配电网的一 些负面影响，还能对微电网接入点的配电网起一定的支持作用。

1.2 欧洲微电网的研究

欧洲提出要充分利用分布式能源、智能技术、先进电力电子技术等实现集中 供电与分布式发电的高效紧密结合，并积极鼓励社会各界广泛参与电力市场，共 同推进电网发展。微电网以其智能性、能量利用多元化等特点也成为欧洲未来电 网的重要组成。目前，欧洲已初步形成了微电网的运行、控制、保护、安全及通 信等理论，并在实验室微电网平台上对这些理论进行了验证。其后续任务将集中 于研究更加先进的控制策略、制定相应的标准、建立示范工程等。即，为分布式 电源与可再生能源的大规模接人以及传统电网向智能电网的初步过渡做积极准备。

1.3 日本微电网的研究

日本立足于国内能源日益紧缺、负荷日益增长的现实背景，展开了微电网研究，但其发展目标主要定位于能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性电力需求。日本学者还提出了灵活可靠性和智能能量供给系统(FRIENDS)其主要 思想是在配电网中加人一些灵活交流输电系统装置，利用控制器快速、灵活的控 制性能， 实现对配电网能源结构的优化，并满足用户的多种电能质量需求。 目前，日本已将该系统作为其微电网的重要实现形式之一。

1.4 微电网的理解

基于上述概念，在微电网中功率范围在 100kW 以下的微型燃气轮机将得到广泛的应用。它具有转速高(5 万~10 万/min)、采用空气轴承等特点，所发出的 高频(1000Hz 左右)交流电需经交流-直流-交流环节变为 50Hz 工频交流电供给 负荷，但燃烧过程产生的 NOx 仍将对城市的环保产生不利的影响。燃料电池由于具有高效和低排放的特点，自然也很适合作为微电网的电源，特别是高温 MCFC 和 SOFC 比较适用于发电，但目前价格较贵，较少实际应用。光伏发电、小型风电和生物质能发电业是很好的电源选择。蓄电池、飞轮和超级电容器等是微电网重要的储能元件。余热回收装置也是重要的部件之一，正是由于余热的利 用提高了能源利用的效率，因为热水或热蒸汽并不像电那样容易而经济地长距离输送，而微电网的结构恰恰能使热源更接近热负荷。

2. 中国发展微电网的重要意义

微电网对我国电力系统和国民经济的发展也有重要的意义。

(1)微电网可以提高电力系统的安全性和可靠性，有利于电力系统抗灾能力建设。目前，我国电力工业发展已进入大电网、高电压、长距离、大容量阶段，六大区域电网已实现互联，网架结构日益复杂。实现区域间的交流互联，理论上可以发挥区域间事故支持和备用作用，实现电力资源的优化配置。但是大范围交流同步电网存在大区间的低频振荡和不稳定性，其动态稳定事故难以控制，造成 大面积停电的可能性大。另一方面，厂网分开后，市场利益主体多元化，厂网矛盾增多，厂网协调难度加大，特别是对电网设备的安全管理不到位，对电力系统安全稳定运行构成了威胁。与常规的集中供电电站相比，微电网可以和现有电力系统结合形成一个高效灵活的新系统，具有以下优势：无需建设配电站，可避免 或延缓则增加输配电成本，没有或很低的输配电损耗，可降低终端用户的费用; 小型化，对建设所要求不高，不占用输电走廊，施工周期短，高效性灵活，能够 迅速应付短期激增的电力需求， 供电可靠性高， 同时还可以降低对环境的污染等。

(2)微电网可以促进可再生能源分布式发电的并网，有利于可再生能源在我国的发展。 处于电力系统管理边缘的大量分布式电源并网有可能造成电力系统 不可控、不安全和不稳定，从而影响电网运行和电力市场交易，所以分布式发电 面临许多技术障碍和质疑。微电网可以充分发挥分布式发电的优势、消除分布式发电对电网的冲击和负面影响，是一种全新的概念，使用系统的方法解决分布式 发电并网带来的问题。通过将地域相近的一种微电源、储能装置与负荷结合起来 进行协调控制，微电网对配电网表现为“电网友好型”的单个可控集合，可以与大 电网进行能量交换，在大电网发生故障时可以独立运行。

(3)微电网可以提高供电可靠性和电能质量，有利于提高电网企业的服务水平。微电网可以根据终端用户的需求提供差异化的电能，根据微电网用户对电力供给的不同需求将负荷分类，形成金字塔形的负荷结构。负荷分级的思想体现了微电网个性化供电的特点，微电网的应用有利于电网企业向不同终端用户提供不同的电能质量及供电可靠性。

(4)微电网可以延缓电网投资，降低网损，有利于建设节约型社会。传统 的供电方式是由集中式大型发电厂发出的电能，经过电力系统的远距离、多级变 送为用户供电的方式，即“就地消费”，因此能够有效减少对集中式大型发电厂电 力生产的依赖以及远距离电能传输、多级变送的损耗，从而延缓电网投资，降低 网损。

(5)微电网可以扶贫，有利于社会主义新农村建设。微电网能够比较有效 地解决我国西部地区目前常规供电所面临的输电距离远、功率小、线损大、建设变电站费用昂贵的问题，为我国边远及常规电网难以覆盖的地区的电力供应提供 有力支持。

3. 微电网结构

相对电力系统而言，微电网类似于一个独立的控制单元，其中每一个微电源都具有尖端的即拔即插功能。对每一个微电源，最关键的是它本身的接口、控制、保护以及对微电网的电压控制，潮流控制和维持其运行稳定性。 一个重要的功 能是微电网的联网运行和孤岛运行方式间的平稳转移。在微网中，为了防止微电网与配电网解列时对微电网内负荷的冲击，微电网的配电结构需重新设计，将不重要的负荷接在同一条馈线上，重要或敏感的负荷接在另外馈线上。接敏感负荷 的馈线上装有分布式电源、储能元件及相应的控制、调节和保护设备。如此，在微电网与主网解列时，通过隔离装置可甩去一些不重要负荷，但仍能保证一些重 要负荷的正常、连续运行。

微电网具有控制、协调、管理等功能，并由以下系统来实现。

(1)微电源控制器微电网主要靠微电源控制器来调节馈线潮流、母线电压级与主网的解、并网运行。由于微电源的即拔即插功能，控制主要依赖于就地信号，且响应是毫秒级的。

(2)保护协调器饱和协调器既适用于主网的故障，也适用于微电网的故障。当主网故障时，保护协调器要将微电网中重要的负荷尽快地与主网隔离。其某些情况下微电网中 重要负荷允许电压短时暂降，在采取一定的补偿措施后可使微电网不与主网分离。当故障发生在微电网内，该保护应该在尽可能小的范围内将故障段隔离。 (3)能量管理器能量管理器按电压和功率的预先整定值对系统进行调度，相应时间为分钟级。

4. 微电网的相关技术

微电网是一种新型的网络结构微电网技术已经成为电力系统发展的前沿技术。

(1)微电网的硬件研究

微电网的实现需要有先进的设备作支持。这包括微电网的发、输、变、配、用各个环节。为此，需要开发智能电表、向量测量单元、广域测量系统等，研发 合适的硬件设备，使微电网具有即插即用的能力。研发新型的分布式能源控制器，以保证微电网的高效运行。

(2)微电网建模研究

开发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;建立微电网内部各元件的模型，包括分布式电源和负荷的模型;建立微电网整体模型，包括总体模型结构、等效静态模型、等效电机模型等。

(3)微电网对大电网的影响研究

微电网的接入必然会对大电网造成影响，需要研究：微电网在并网和孤岛运 行下的稳定性分析; 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; 微电网能给电网在供电可靠性、网络损耗和环境等方面带来的改善;微电网的发 展对基础电网发展的影响等。

微电网中的微电源，如风电、光伏发电等，大都采用全控型换流器，这些电力电子设备的引入很可能会带来一些谐波方面的问题。对于微电网谐波问题需要 做进一步的探讨和研究。

(4)微电网的控制策略

微电网与大电网之间存在一种最优的状态， 在这种状态下微电网和大电网都能够高效稳定的运行。 对微电网的控制的目标就是让微电网实现最优控制。为此，必须研究微电网控制技术，其中包括：各微电源之间的协调控制、电力电子设备 的智能控制和最优控制、微电网和主网之间的协调控制等，研究孤岛和互联的运 行理念、基于代理的控制策略、本地黑启动策略、基于先进通信技术的控制策略等;研究创造新的网络设计理念，包括新型保护方案的应用等。

(5)其它

电网的实现还需要很多方面的支持： 需要制定微电网在技术和商业方面的协议标准;需要做好各种微电网在技术和商业方面的整合;需要做好现有的小发电机组并入微电网的可行性分析;需要建立微电网示范工程及实验测试系统等。

5. 微电网的关键技术

微电网的出现将从根本上改变传统电网应对负荷增长的方式，其在降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性等具有巨大潜力。目前，微电网技术已经成为 电力系统发展的前沿技术。

5.1 微电网的控制功能

微电网控制功能基本要求包括：新的微电源接入时不改变原有的设备，微电网解、并列时是快速无缝的，无功功率、有功功率要能独立进行控制，电压暂降和系统不平衡可以校正，要能适应微电网中负荷的动态需求。微电网的控制功能 主要有以下几种：

(1)基本的有功和无功功率控制(P-Q 控制) 。由于微电源大多为电力电子 型的，因此有功功率和无功功率的控制、调节可分别进行，可通过调节逆变器的 电压幅值来控制无功功率，调节逆变器电压和网络电压的相角来控制用功功率。

(2) 基于调差的电压调节。 在有大量微电源接入时用 P-Q 控制是不适宜的，若不进行就地电压控制，就可能产生电压或无功振荡。而电压控制要保证不会产生电源间的无功环流。在大电网中，由于电源间的阻抗相对较大，不会出现这种 情况。微电网中只要电压整定值有小的误差，就可能产生大的无功环流，使微电 源的电压值超标。 因此要根据微电源所发电流是容性还是感性来决定电压的整定值，发容性电流时电压整定值要降低，发感性电流时电压整定值要升高。

(3)快速负荷跟踪和储能。在大电网中，当一个新的负荷接入时最初的能 量平衡依赖于系统的惯性，主要为大型发电机是惯性，此时仅系统频率略微降低而已(几乎无法觉察)。由于微电网中发电机的惯量较小，有些电源(如燃料电 池) 的响应时间常数又很长(10~200s) 因此当微电网与主网解列成孤岛运行时，必须提供蓄电池、超级电容器、飞轮等储能设备，相当于增加一些系统的惯性，才能维持电网的正常运行。

(4)频率调差控制。在微电网成孤岛运行时，要采取频率调差控制，改变各台机组承担负荷比例，以使各自出力在调节中按一定的比例且都不超标。

5.2 微电网的保护

微电网结构对继电保护提出了一些特殊的要求，必须考虑的因素主要有以下几点：①配电网一般是放射形的，由于有了微电源，保护装置上流经的电流就可 能有单向变为双向;②一旦微电网孤岛运行，短路容量会有大的变化，影响了原有的某些继电保护装置的正常运行; ③改变了原有的单个分布式发电接入电网的方式， 构成微电网的初衷之一是尽可能地维持一些重要负荷在电网故障时能正常 运行而不使其供电中断，这些必须采用一些快速动作的开关，以代替原有的相对 动作较慢的开关。这些均可能使原有的保护装置和策略发生变化。

5.3 微电网并网运行

要根据微电网中负荷的需求来确定保护的方案，也即要根据负荷(如半导体制造工业负荷或一般商业性负荷)对电压变化的敏感程度和控制标准来配置保护。如故障发生在配电网中，则要采用高速开关类隔离装置(Separation Device，SD)，将微电网中的重要敏感性负荷尽快地与故障隔离。此时，微电网中的DR (或 DER)是不应该跳闸的，以确保故障隔离后仍能对重要负荷正常供电(供热)。当故障发生在微电网中时，除了上述隔离装置协调，以免影响上一级馈线 负荷。一旦配电网恢复正常，就应通过测量和比较SD 两侧电压的幅值和角度，采用自动或手动的方式将微电网重新并网运行。如果微电网内仅有一个微电源，当然允许采用手动的方式再同步并网;但若在微电网内多个地点有多个地点有多个微电源，则必须考虑采用自动的方式再同步并网。

5.4 微电网孤岛运行

当电网孤岛运行时，为了使所隔离的故障区尽可能小，微电网中保护装置的协调尤为重要。特别需要指出的是，由于微电网的电源大多为电力电子型设备，所发出的电力通过逆变器与网络连接，故障时仅提供很小的短路电流(例如2 被于正常负荷电流)，难以启动常规的过电流保护装置。因此，保护装置和策略就应相应地修改，如采用阻抗型、零序电流型、差分型或电压型继电保护装置。此外，微电网的接地系统必须仔细设计，以免微电网解列时继电保护误动作。

5.5 微电网的能量管理系统

微电网被定义为发电和负荷的集合，而通常负荷不仅包括了电负荷，还包括热和冷负荷，即热电联供和热电冷三联供。因此，微电网不仅要发电，而且要利 用发电的余热以提高总体效率。能量管理系统 (Energy Management System， EMS)的目的即为作出决策以最优地利用发电产生的电和热(冷) 。该决策的依据为当地设备对热量的需求、气候的情况、电价、燃料成本等。

能量管理系统的调度控制功能：能量管理系统是为整个微电网服务的，即为 系统级的，由此首要任务是将设备控制和系统控制加以明确区分，使各自的作用 和功能简单明了。微型汽轮机的转速、频率、机端电压、发电机(微电源)的功率因数等应由微电源来控制，他们依据就地信号。CERTS 的模型中，EMS 只调 度系统的潮流和电压。潮流调度时需考虑燃料成本、发电成本、电价、气候条件 等。EMS 仅控制微电网内某些关键母线的电压幅值，并由多个微电源的控制器 配合完成，与配电网相联的母线电压应由所联上级配电网的调度系统来控制。

除了上述基本功能外，EMS 还具有其他一些功能，如当微电网与配电网解 列后微电网应配备快速切负荷的功能，以使微电网内的发电与负荷平衡;由于微 电源同时供给电、热等负荷，调度时应同时兼顾，一般情况下往往采取“以热定 电”的原则，即满足用户对热负荷需求的条件下再进行电量的调度;微电网中应配备一些储能设备，如蓄电池、超级电容、飞轮等。

EMS 的功能自然首先应针对微电网内需求，如潮流和电压调度、电能质量 和可靠性、提高运行的效率和经济性、降低污染排放等，但从长远看它还可对配 电网提供一些辅助服务和可靠性服务，特别是微电网作为智能电网的一个组成部 分，可起到一定的负荷响应的作用。此外，由于微电网本身位于用户侧，这些用 户可能为中心商业区(CBD)、学校、工厂等，它们本来就有供热、通风、空调 等过程控制系统，未来的 EMS (Heating Ventilation and Air Conditioning, HVAC) 有可能成为这些系统以及当地发电、储能等的总调度系统。

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