微網(wǎng)發(fā)展研究綜述

1、微電網(wǎng)發(fā)展研究綜述摘要：微電網(wǎng)已成為一些發(fā)達(dá)國家解決電力系統(tǒng)眾多問題的一個重要輔助手段。本文首先闡述了微網(wǎng)研究的背景，分布式發(fā)電的含義以及微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和概念。其次，介紹了微電網(wǎng)能量管理的含義和微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方法。關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；能量管理；協(xié)調(diào)控制1.微電網(wǎng)研究的背景能源是人類創(chuàng)造財富的基礎(chǔ)，同時也是人類文明發(fā)展的動力。近年來,隨著世界經(jīng)濟和工業(yè)的飛速發(fā)展，全球?qū)δ茉吹男枨笠惭杆偌哟螅?，傳統(tǒng)的能源如煤炭、天然氣、石油等不可再生的能源正在日漸枯竭，能源危機以及由于過度使用不可再生能源所造成的環(huán)境問題己經(jīng)擺在了全人類的眼前1。為了解決這一問題，越來越多的人寄希望于風(fēng)能，太陽能，生物只能等新型能源

2、。這也使得開發(fā)和利用可再生清潔能源、構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)逐漸成為世界各國的共識與必然發(fā)展趨勢。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，超大規(guī)模電力系統(tǒng)的弊端也日益凸顯，主要存在以下幾個問題：（1）成本高（2）運行難度大（3）抗事故能力低，在發(fā)生電網(wǎng)事故時會影響范圍擴大，若是處理不當(dāng)，可能會造成大面積停電（4）難以適應(yīng)用戶越來越高的安全和可靠性要求以及多樣化的供電需求。尤其在近年來世界分為內(nèi)接連發(fā)生幾次大面積停電事故之后，電網(wǎng)的脆弱性充分暴露了出來3。文獻(xiàn)4中闡述了2003年8月14日美加大停電波及5000萬人口的供電范圍，大范圍停電達(dá)到29小時，造成重大的經(jīng)濟損失，是美國歷史上最嚴(yán)重的停電事故。文獻(xiàn)5分析

3、了2008年初，我國南方地區(qū)發(fā)生罕見冰雪災(zāi)害,500KV主網(wǎng)架受到重創(chuàng)，電網(wǎng)多處解列或孤網(wǎng)運行，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受到破壞，導(dǎo)致局部區(qū)域完全停電，隨后引發(fā)了更大規(guī)模的停電事故。因此急需新的發(fā)電，供電方式對大電網(wǎng)給予補充和支撐，以提高電網(wǎng)供電的可靠性，減少損失，分布式發(fā)電正式解決這一問題的重要方法之一。分布式發(fā)電是值利用各種可用和分散存在的能源，包括可再生能源（太陽能，生物只能，小型風(fēng)能，小型水能，波浪能等）和本地可方便獲取的化石類燃料（主要是天然氣）進(jìn)行發(fā)電供能的技術(shù)。分布式電源具有靈活，經(jīng)濟環(huán)保等特點，但是在運行過程中，分布式發(fā)電技術(shù)也有一些弊端，比如分布式電源的并網(wǎng)運行改變了系統(tǒng)中的潮流分布，給配電

4、網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)，保護(hù)協(xié)調(diào)與能量優(yōu)化帶來了新問題。同時，分布式電源在系統(tǒng)側(cè)發(fā)生故障事自動退出運行，加劇了系統(tǒng)暫態(tài)功率不平衡，不利于系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，以及分布式電源的多樣化，不利于管理調(diào)度等6。為了協(xié)調(diào)和解決大電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，盡量削弱分布式電源對主電網(wǎng)的沖擊和負(fù)面影響，充分挖掘分布式發(fā)電為電網(wǎng)和用戶帶來的價值和效益，微電網(wǎng)的概念應(yīng)運而生了。美國電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(TheConsortiumforElectrieReliabilityTechnologySolutions,CERTS)提出了微電網(wǎng)(MicroGrid)的概念。微網(wǎng)是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷

5、和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以孤立運行。從微觀看，微網(wǎng)可以看做是小型的電力系統(tǒng)，它具備完整的發(fā)輸配電功能，可以實現(xiàn)局部的功率平衡與能量優(yōu)化，它與帶有負(fù)荷的分布式發(fā)電系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于同時具有并網(wǎng)和獨立運行能力。從宏觀看，微網(wǎng)又可以認(rèn)為是配電網(wǎng)中的一個“虛擬”的電源或負(fù)荷仏微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)由很多種，下圖1是由美國電力可靠行技術(shù)解決方案協(xié)會提出的微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)：圖1CERTS提出的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)微型燃?xì)廨啓C燃料電池電力傳輸線；信息流線；保護(hù)信息傳輸線圖1中包括3條饋線A,B,C及1條負(fù)荷母線，網(wǎng)絡(luò)整體呈輻射狀結(jié)構(gòu)。饋

6、線通過主分隔裝置(通常是一個靜態(tài)開關(guān))與配電系統(tǒng)相連，可實現(xiàn)孤網(wǎng)與并網(wǎng)運行模式間的平滑切換，該開關(guān)即PCC所在的位置，一般選擇為配電變壓器的原邊側(cè)或主網(wǎng)與微電網(wǎng)的分離點32微電網(wǎng)在國內(nèi)外的研究狀況目前，一些國家已紛紛開展微電網(wǎng)研究，立足于本國電力系統(tǒng)的實際問題與國家的可持續(xù)發(fā)展能源目標(biāo)，提出了個子的微電網(wǎng)概念和發(fā)展目標(biāo)。作為一個新的技術(shù)領(lǐng)域，微電網(wǎng)在各國的發(fā)展呈現(xiàn)不同的特色。2.1國外研究現(xiàn)狀美國CERTS最早提出微電網(wǎng)的概念。美國首先提出了微電網(wǎng)的概念，在其發(fā)展與研究上開創(chuàng)了先河。目前其研究主要集中于微電網(wǎng)的智能化，低成本化和針對用戶的可靈活定制方面。在企業(yè)界，美國通用公司就微電網(wǎng)的能量管理

7、方案提出了自己的構(gòu)架，將微電網(wǎng)的運行管理，控制和保護(hù)系統(tǒng)化集成，形成了整套的企業(yè)級微網(wǎng)方法，為微電網(wǎng)的快速商業(yè)化應(yīng)用鋪平了道路。歐盟在微電網(wǎng)的研究及商業(yè)化利用上在全球居于領(lǐng)先地位，并且在持續(xù)投入力量進(jìn)行研究和開發(fā)。歐洲第六框架計劃資助850萬歐元，由瑞典國立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，同西門子，ABB，SMA,Anco等著名公司以及曼徹斯特大學(xué)，巴黎礦業(yè)學(xué)院，INESCPorto等知名大學(xué)和學(xué)術(shù)團(tuán)體合作，重點研究了微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)管理方案。系統(tǒng)保護(hù)、多個微電網(wǎng)連接到配網(wǎng)的控制策略和經(jīng)濟調(diào)度等措施，并且取得了一系列有價值的研究成果。日本在微電網(wǎng)方面的發(fā)展著眼于清潔能源的利用，能源多樣化，以及降低污染和提高電網(wǎng)能效方面

8、。2.2國內(nèi)研究現(xiàn)況隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電等分布式電源在電力行業(yè)革新中占據(jù)著重要地位，中國微電網(wǎng)的發(fā)展正是植根于我國正在大量發(fā)展可再生能源的形勢下。處于電力行業(yè)管理邊緣的大量分布式并網(wǎng)有可能影響到電力系統(tǒng)的可控性，安全性和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響到電網(wǎng)正常運行，因此分布式技術(shù)面臨著很多質(zhì)疑。而微電網(wǎng)技術(shù)無疑可以充分發(fā)揮分布式電源的優(yōu)勢，同時消除了分布式發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊和其他負(fù)面影響。目前很多直流、交流微電網(wǎng)的實驗室及示范項目都已建成，包括合肥工業(yè)大學(xué)實驗室，浙江電力公司微電網(wǎng)實驗室，上海交通大學(xué)微電網(wǎng)實驗室等。其中合工大于2006年建成的微網(wǎng)實驗室的研究內(nèi)容包括：微電網(wǎng)的仿真模型建

9、立與模型分析，微電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題和微網(wǎng)的能量管理以及運行管理等方面。3微網(wǎng)研究中的關(guān)鍵問題3.1微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)的主要功能包括：采集電網(wǎng)信息、分布式電源信息、負(fù)荷信息;實現(xiàn)主網(wǎng)、多種DG、儲能單元和負(fù)載間的最優(yōu)功率匹配；實現(xiàn)多種DG的靈活投切；孤島與并網(wǎng)兩種模式的轉(zhuǎn)換等。如下圖所示。圖2微網(wǎng)能量管理功能微網(wǎng)能量管理按時間長短可以分為短期功率平衡和長期能量管理；按照控制方式可以分為分散控制和集中化控制。按照系統(tǒng)運行方式分為并網(wǎng)能量管理和孤島能量管理。微網(wǎng)能量管理通過制定一些目標(biāo)函數(shù)和約束條件，來實現(xiàn)微網(wǎng)能量管理的優(yōu)化設(shè)計。典型的目標(biāo)函數(shù)和約束有：以停電損失最小為可靠性優(yōu)化目標(biāo)，其中

10、可靠性，安全性指標(biāo)作為相應(yīng)的約束條件；以配電網(wǎng)損耗最小為降損優(yōu)化目標(biāo)；以配電公司的投資和運行費用最小為費用優(yōu)化目標(biāo)；以達(dá)到儲能的壽命達(dá)到最大為目標(biāo)的優(yōu)化目標(biāo)等。同時對應(yīng)的優(yōu)化求解算法也有很多種，例如圖解法，迭代法,隨機優(yōu)化方法，粒子群算法，遺傳算法等。3.2微電網(wǎng)的控制目前的微網(wǎng)控制方案，從整體控制策略上可分為主從控制和對等控制。從微網(wǎng)控制層次上，可以分為底層分布式電源的控制和上層的管理系統(tǒng)，本質(zhì)上，該分層控制屬于主從控制策略。從分布式電源的控制方法上，分布式電源控制可分為恒功率控制，下垂控制和恒壓恒頻控制。3.2.1主從控制主從控制就是微網(wǎng)的而控制系統(tǒng)中存在某一個控制器為主控制器，其余為從控

11、制器，主從控制器之間一般需要通信聯(lián)系，且從控制器服從主控制器，主從控制按照是否以某一分布式電源作為主單元可分為以分布式電源作為主控制單元的主從控制和以上層中心控制器作為主控制單元的主從控制兩大類。3.2.2對等控制對等控制就是每個分布式電源有相等的地位，沒有一個單元像主控制單元火中心儲能單元那樣對微網(wǎng)有著特別重要的作用。同時這種控制方法能讓微網(wǎng)具有“即插即用”的功能。所謂“即插即用”，及時指在能量平衡的條件下，微網(wǎng)中的任何一個分布式電源在接入或斷開時，不需要改變微網(wǎng)中其他單元的設(shè)置。所以，微網(wǎng)采用對等控制策略，即要求分布式電源采用本地變量驚醒控制，不同分布式電源之間沒有通信聯(lián)系。由于該方法不依

12、賴于通信，從理論上來說它是可以提高微網(wǎng)的可靠性并降低系統(tǒng)成本，所以此控制策略備受關(guān)注。3.2.3分層控制分層控制就是指采用一個中央控制器來統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理底層分布式電源控制器和負(fù)荷控制器，實現(xiàn)微網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和利益最大化。該控制方式主要優(yōu)點是參與微網(wǎng)的暫態(tài)過程，快速抑制功率波動，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定和電能質(zhì)量，主要缺點是對通信依賴較強，通信失敗可能會對系統(tǒng)安全運行產(chǎn)生較大影響，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。4.分布式電源逆變器借口的控制策略910分布式電源控制方法主要有：（1）PQ控制:采用PQ控制（恒功率控制）的主要目的是使分布式發(fā)電按照參考輸出指定的有功功率和無功功率，即當(dāng)并網(wǎng)逆變器所連接交流母線的頻率和電壓在

13、一定范圍內(nèi)變化時，分布式發(fā)電輸出的有功功率和無功功率保持不變.（2）VF控制:采用恒壓恒頻（V/F）控制策略的目的是不論逆變電源輸出的功率如何變化，其輸出電壓的幅值和頻率維持不變，采用此種控制策略的接口逆變器可以為孤島模式運行的微網(wǎng)提供強有力的電壓和頻率支撐，并具有一定的負(fù)荷功率跟隨特性。（3）Droop控制:下垂控制（Droopcontrol）是通過模擬傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機下垂外特性對逆變器實施控制的一種方法.5總結(jié)作為大電網(wǎng)的有效補充與分布式能源的有效利用形式，微電網(wǎng)已引起各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注。以后對于微電網(wǎng)的研究會多集中于高級的管理策略、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的互相影響以及微電網(wǎng)之間的相互影

14、響上，同時，微電網(wǎng)作為未來智能電能的重要組成部分，將會有極大的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)劉海龍新能源技術(shù)與微電網(wǎng)能量管理算法研究D.太原理工大學(xué)，2011.石慶均.微網(wǎng)容量優(yōu)化配置與能量優(yōu)化管理研究D.浙江:浙江大學(xué)，2012.魯宗相，王彩霞,閔勇，周雙喜。呂金祥，王云波微電網(wǎng)研究綜述J.電力系統(tǒng)自動化，2007,31(19):100-107薛禹勝綜合防御由偶然故障演化為電力災(zāi)難一一北美“8.14”大停電的警示J.電力系統(tǒng)自動化，2003,27(18)：1-5侯慧，尹項根，陳慶前，等南方部分500KV主網(wǎng)架2008年冰雪災(zāi)害中受損分析與思考J.電力系統(tǒng)自動化，2008,32(11)：13-16.王成山，李鵬.分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)J.電力系統(tǒng)自動化，2010,34(2)：10-14王成山，武震，李鵬微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究J.電工技術(shù)學(xué)報，2014,29(2)：1-9肖朝霞微網(wǎng)控制及運行控制特