微電網相關技術及方向研究

微電網相關技術及方向研究摘要：微電網已成為一些發(fā)達國家解決電力系統(tǒng)眾多問題的一個重要輔助手段。微電網以其更具彈性的方式協(xié)調分布式電源，從而促進充分發(fā)揮分布式發(fā)電的作用。本文主要介紹了微電網的相關技術以及國外的發(fā)展情況，并對國內的發(fā)展前景作出分析。關鍵詞：分布式發(fā)電，微電網，CERTS1.微電網產生背景： 隨著國民經濟的發(fā)展,電力需求迅速增長,電網規(guī)模不斷擴大,超大規(guī)模電力系統(tǒng)的弊端也日益凸現,成本高,運行難度大,難以適應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。尤其在近年來世界范圍內接連發(fā)生幾次大面積停電事故,2008年年初中國南方冰災還是在汶川震災期間,中國電網都發(fā)生了大面積的停電,電網的脆弱性充分暴露了出來。分布式發(fā)電可以提供傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)無可比擬的可靠性和經濟性,具有污染少、可靠性高、能源利用效率高,同時分布式電源位置靈活、分散的特點極好地適應了分散電力需求和資源分布,延緩了輸、配電網升級換代所需的巨額投資,它與大電網互為備用也使供電可靠性得以改善。歐美等發(fā)達國家已開始廣泛研究能源多樣化的、高效和經濟的分布式發(fā)電系統(tǒng),并取得了突破性進展。盡管分布式電源優(yōu)點突出,但本身存在諸多問題,如分布式電源單機接入成本高、控制困難等。另外,為減小分布式電源對大電網的沖擊,大系統(tǒng)往往采取限制、隔離的方式來處置分布式電源,當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時,分布式能源必須馬上退出運行。這就大大限制了分布式能源的充分發(fā)揮,也間接限制了對新能源的利用為了降低DG帶來的不利影響,同時發(fā)揮DG積極的輔助作用,一個較好的解決方法就是把DG和負荷一起作為配電子系統(tǒng)———微網(Micro-grid)2.微電網技術概念: 在不改變現有配電網絡結構的前提下，為了削弱分布式電源對其的沖擊和負面影響，美國電力可靠性技術解決方案協(xié)會(TheConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolutions，CERTS)提出了一種能更好地發(fā)揮分布式發(fā)電潛能的一種組織形式——微電網(MicroGrid)。微電網是一種由負荷和微型電源共同組成的系統(tǒng),它可同時提供電能和熱量;微電網內部的電源主要由電力電子器件負責能量的轉換,并提供必要的控制;微電網相對于外部大電網表現為單一的受控單元,并可同時滿足用戶對電能質量和供電安全等方面的要求。相應地把微電網中的分布式電源叫做微型電源(MicroSource)，簡稱微源(MS)。微電網是規(guī)模較小的分散的獨立系統(tǒng)，它采用了大量的現代電力技術，將燃氣輪機、風電、光伏發(fā)電，燃料電池，儲能設備等并在一起，直接接在用戶側。對于大電網來說，微電網可被視為電網中的一個可控單元，它可以在數秒鐘內動作以滿足外部輸配電網絡的需求；對用戶來說，微電網可以滿足他們特定的需求，如增加本地可靠性、降低饋線損耗、保持本地電壓穩(wěn)定、通過利用余熱提高能量利用的效率及提供不間斷電源等。微電網和大電網通過PCC進行能量交換，雙方互為備用，從而提高了供電的可靠性。微電網概念提出后迅速受到各國相關部門和研究機構的重視，美國、歐洲、日本等發(fā)達國家相繼建立了微電網試驗平臺和試點工程，在微電網研究方面也已取得很多成果。我國微電網研究還處于起步階段，但已經引起了國家相關部門、科研院所等的高度重視，并已開展了對此問題的相關研究。3.微電網結構： 微電網的基本結構如圖1所示,微網中包含有多個DG（DistributedGeneration，分布式發(fā)電）和儲能系統(tǒng),聯(lián)合向負荷供電，整個微網對外是一個整體，通過斷路器與上級電網相聯(lián)。微網中DG可以是多種能源形式(光電、風電、微型燃氣輪機等)，還可以以熱電聯(lián)產(combinedheatandpower,CHP)或冷熱電聯(lián)產(combinedcoldheatandpower,CCHP)形式存在,就地向用戶提供熱能,提高DG利用效率。 在圖1中微網有A、B、C三條饋線，其中A、C饋線中含有重要負荷，安裝有多個DG,饋。B為非重要負荷，必要時可將其切斷。圖1：微電網結構示意圖。 饋線A中含有一個運行于CHP的DG，同時向用戶提供熱能和電能。當外界大電網出現故障時停電或有電力質量問題時，微網可以通過主斷路器切斷與外界聯(lián)系，從而進入孤立運行狀態(tài)。此時微網全部由DG供電，饋線B通過公共母線得到電能正常運行。如果系統(tǒng)需要，可以斷開饋線B停止對非重要負荷供電。當故障解除之后,主斷路器重新合上，微網重新恢復和主電網同步運行，保證系統(tǒng)平穩(wěn)的恢復到并網運行狀態(tài)。各分布式電源的功率輸出大小由能量管理器統(tǒng)一調節(jié)。在微電網這種結構下，多個DG就地向重要負荷提供電能和電壓支持，有效降低了負荷對大電網的依賴，分擔了大電網的供電壓力，減小了遠距離輸電損耗。 微電網解決了DERs的并網問題，并且由于所采用的先進的電力電子技術是靈活可控的，因此微電網可以利用DERs對微電網的潮流流動進行有效調節(jié)。概括起來微電網主要有以下幾個優(yōu)點：（1）微網提供了一個有效集成應用DG的方式,繼承擁有了所有單獨DG系統(tǒng)所具有的優(yōu)點。（2）微網作為一個獨立的整體模塊,不會對大電網產生不利影響,不需要對大電網的運行策略進行修改。（3）微網可以以靈活的方式將DG接入或斷開,即DG具有“即插即用”(plug-and-play)的能力。（4）DG并網的許多問題都是由DG響應速度慢、慣性小的特點引起的,多個DG聯(lián)網的微網增加了系統(tǒng)容量,并有相應的儲能系統(tǒng)(蓄電池儲能系統(tǒng)、飛輪儲能系統(tǒng)等)，使系統(tǒng)慣性增大，減弱電壓波動和電壓閃變現象，改善電能質量。（5）微網在上級網絡發(fā)生故障時可以孤立運行繼續(xù)保障供電,提高供電可靠性。微電網作為對單一大電網的有益補充，其廣泛應用的潛力巨大。目前，目前，世界上一些主要發(fā)達國家和地區(qū)，如美國、歐盟、日本和加拿大等，都開展了對微電網的研究。4.微電網國內外研究狀況： 美國最早提出了微電網概念，近年來，其微電網研究一直在有條不紊地進行著。美國的微電網研究項目主要受到了美國能源部的電力提供和能源可靠性辦公室、加州能源委員會的資助，其研究的重點主要集中在滿足多種電能質量的要求、提高供電的可靠性、降低成本和實現智能化等方面。 歐洲DERs的研究和發(fā)展主要考慮的是有利于滿足能源用戶對電能質量的種要求以及歐洲電網的穩(wěn)定和環(huán)保要求等。微電網被認為是未來電網的有效支撐，它能很好地協(xié)調電網和DERs之間的矛盾，充分發(fā)揮DERs的優(yōu)勢。歐洲各國對微電網的研究越來越重視，近幾年來各國之間開展了許多合作和研討。2005年，歐洲提出“SmartPowerNetworks”概念，歐盟微電網項目(EuropeanCommissionProjectMicro-grids)給出的定義是利用一次能源；使用微型電源，分為不可控、部分可控和全控三種，并可冷、熱、電三聯(lián)供；配有儲能裝置；使用電力電子裝置進行能量調節(jié)。 目前日本在微電網示范工程的建設方面處于世界領先地位。日本政府十分希望可再生能源(如風能和光伏發(fā)電)能夠在本國的能源結構中發(fā)揮越來越大的作用，但是這些可再生能源的功率波動性降低了電能質量和供電的可靠性。微電網能夠通過控制原動機平衡負載的波動和可再生能源的輸出來達到電網的能量平衡，例如配備有儲能設備的微電網能夠補償可再生能源斷續(xù)的能量供應。因此從大電網的角度看，該微電網相當于一個恒定的負荷。這些理念促進了微電網在日本的發(fā)展，使日本的微電網對于儲能和控制十分重視。有日本學者提出了靈活可靠性和智能電量供給系統(tǒng)（flexiblereliabilityandintelligentelectricalenergydeliverysystem，FRIENDS），利用FACTS元件快速靈活的控制性能實現對配電網能量結構的優(yōu)化。 2008年初的冰雪天氣導致我國發(fā)生大面積停電，暴露了我國現有的網架結構在保障用戶供電方面所存在的薄弱環(huán)節(jié)。微電網既可以聯(lián)網運行，又可以孤島運行，能保證在惡劣天氣下對用戶供電。微電網在滿足多種電能質量要求和提高供電可靠性等方面有諸多優(yōu)點，使它完全可以作為現有骨干電網的一個有益而又必要的補償。另一方面，我國“十一五”規(guī)劃綱要提出了建成5GW風電的發(fā)展目標，在不久的將來將有風電和光伏等DERs不斷接入電網。微電網在協(xié)調大電網與DERs間的矛盾，充分挖掘分布式能源為電網和用戶所帶來的價值和效益等方面具有優(yōu)勢，使其能夠在中國未來電網的發(fā)展中發(fā)揮很重要的作用。但是，中國微電網的發(fā)展尚處在起步階段。5.微電網中的關鍵技術： 5.1微電網控制： 微電網控制主要主要有三種經典的控制方法： （1）基于電力電子技術的“即插即用”與“對等”的控制思想該方法根據微電網控制要求,靈活選擇與傳統(tǒng)發(fā)電機相類似的下垂特性曲線進行控制，將系統(tǒng)的不平衡功率動態(tài)分配給各機組承擔,具有簡單、可靠、易于實現的特點。但該方法沒有考慮系統(tǒng)電壓與頻率的恢復問題，也就是類似傳統(tǒng)發(fā)電機中的二次調整問題。因此，在微電網遭受嚴重擾動時，系統(tǒng)的頻率質量可能無法保證。此外，該方法沒有討論在微電網運行模式切換時的過渡過程。 （2）基于功率管理系統(tǒng)的控制該方法根據微電網控制要求，靈活選擇與傳統(tǒng)發(fā)電機相類似的下垂特性曲線進行制，將系統(tǒng)的不平衡功率動態(tài)分配給各機組承擔，具有簡單、可靠、易于實現的特。但該方法沒有考慮系統(tǒng)電壓與頻率的恢復問題，也就是類似傳統(tǒng)發(fā)電機中的二次整問題，因此，在微電網遭受嚴重擾動時，系統(tǒng)的頻率質量可能無法保證。此外，該法沒有討論在微電網運行模式切換時的過渡過程。 （3）基于多代理技術的微電網控制方法： 該方法將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的多代理技術應用于微電網控制系統(tǒng)。代理的自治性、反應能力、自發(fā)行為等特點,正好滿足微電網分散控制的需要，提供了一個能夠嵌入各種控制性能但又無需管理者經常出現的系統(tǒng)。但目前多代理技術在微電網中的應用多集中于協(xié)調市場交易、對能量進行管理方面,還未深入到對微電網中的頻率、電壓等進行控制的層面。要使多代理技術在微電網控制系統(tǒng)中發(fā)揮更大作用,仍有大量研究工作需要進行。 5.2微電網的保護： 微電網的保護與傳統(tǒng)保護有著極大的不同，典型表現有：潮流的雙向流通；微電網在并網運行與獨立運行種工況下,短路電流大小不同且差異很大。因此，如何在獨立和并網兩種運行工況下均能對微電網內部故障做出響應以及在并網情況下快速感應大電網故障，同時保證保護的選擇性、快速性、靈敏性與可靠性，是微電網保護的關鍵，也是微電網保護的難點。傳統(tǒng)的電流保護顯然無法滿足微電網保護的特殊要求。目前，針對單相接地故障與線間故障，有學者提出了基于對稱電流分量檢測的保護策略。該方法以超過一定閾值的零序電流分量和負序電流分量作為主保護的啟動值，將傳統(tǒng)的過電流保護與之結合可取得良好的效果。雖然國際上已有學者研制出微電網保護的硬件裝置，但人們仍在對更加完善的保護策略進行積極探索。發(fā)電機和負荷容量對保護的影響，不同類型發(fā)電機（如基于變流器與不基于變流器）對保護的影響及微電網不同運行方式和不同設計結構對保護的影響等問題都是微電網保護策略研究中所關注的重點。 5.3微電網接入標準：微電網的接入標準也是人們較為普遍關注的問題。目前，IEEE已重新修改了分布式電源的入網標準。新標準中的IEEEP1547.4對分布式獨立電力系統(tǒng)的設計、運行及接人系統(tǒng)導則進行了詳細的規(guī)定。 5.4微電源：微電源是微電網中重要主成部分。它反應時間在毫秒級，采集本地信息來控制微電源。微電源自身中基本的動作不需要為電源之間的聯(lián)系，即每個變換器在負荷變化的情況下不用與其他電源等裝置進行數據交換?？刂破鞯幕据斎肓渴禽敵龉β实姆€(wěn)定點時的母線電壓和功率。在時域中，電源總供給功率和負荷總需求功率都是動態(tài)變化的，并且兩者之間并不是每時每刻都能達到供需平衡。在電源總發(fā)電功率大于負荷總需求功率時，將多余的能量儲存在儲能單元中；同樣，在電源總發(fā)電功率小于負荷總需求功率時，將儲能單元中儲能的能量發(fā)恰當的方式釋放出來。如今，儲能方式有許多種，各種方式的性能也各異。需要研究根據系統(tǒng)穩(wěn)定的需求來選擇儲能方式。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的電源都是同步發(fā)電機。然而，微電源因燃料來源不同，我們可以將供電電源分成三種基本的大類：1）直流電源，如燃料電池、太陽能電池、蓄電池以及儲能電容器等。2）交直交電源，如微輪機，其發(fā)出的電流電需要整流后再進行逆變。3）工頻交流電流，如以鼠籠式感應電機為主的風力發(fā)電機和傳統(tǒng)的小功率同步發(fā)電機。6.微電網經濟性： 微電網的經濟效益是多方面的，其效益主要集中于能源的高效利用和環(huán)保以及個性化電能供給的安全、可靠、優(yōu)質等方面微電網的經濟性是微電網吸引用戶并能在電力系統(tǒng)中得以推廣的關鍵所在。在經濟運行方面，微電網雖然可以從大電網的調度原則、電能交易、資源配置原則等方面借鑒眾多經驗，但微電網本身的許多獨特之處也使得其經濟運行問題帶有自身特點。從目前研究來看，微電網的經濟性研究主要體現在兩方面：微電網系統(tǒng)設計的研究微電網的經濟效益是多方面的但從用戶來看其效益主要集中于能源的高效利用和環(huán)保以及個性化電能供給的安全、可靠、優(yōu)質兩方面。優(yōu)化資源配置、實現高效能源供給是體現微電網經濟性的重要方面，也是微電網研究中的一項重點。目前，由美國CERTS提出的分布式電源用戶側模型(DER一CAM—distributedenergyresource一customeradoptionmodel)是對微電網資源結構進行經濟設計的重要工具。該模型將分布式發(fā)電的安裝和運行成本等與電力部門的供電費用結構進行比較，可以為用戶提供供電效果佳且成本低的分布式發(fā)電技術組合以及熱電聯(lián)產的技術配置決策。更進一步的研究還將該模型與地理信息系統(tǒng)相結合，應用地理信息系統(tǒng)的數據信息對用戶周圍的地理因素進行識別和分析，采用就近組合原則形成用戶群，為實現微電網良好的經濟效益提供了重要的現實基礎。許多學者已將該模型應用到基于微電網的熱電聯(lián)供設計中，并取得了一定成果。但該模型還只是針對簡單的微電網結構進行設計，仍需在微電網的發(fā)展中不斷完善。多樣化的電能供給也是微電網為用戶帶來的另一效益。按用戶對電力供給的不同需求，負荷將被分類和細化，最終形成金字塔式的負荷結構。其中，對電能質量要求不高的多數負荷位于金字塔的底端，而對電能質量要求極高的少數負荷位于金字塔頂層。負荷電能質量的分級的確體現了微電網個性化供電的特點，但如何設計合適的微電網以實現這個復雜的分級結構仍是實際應用中的難點。經濟效益的評估和量化微電網的經濟效益評估和量化是微電網吸引力的最直接表達。雖然目前已有相關文獻對微電網的熱電聯(lián)產效益及可靠性量化指標等進行評估，但至今尚無有效方法將微電網對用戶、電力部門及社會的效益全面量化。隨著微電網研究的深入與成熟，微電網經濟效益的不確定性必將成為阻礙其發(fā)展的重要因素。這方面的研究有待深入與加強。7.管理和市場方面除了技術和經濟上的問題外，微電網發(fā)展還有許多管理和政策上的障礙。靈活協(xié)調微電網內部的能量交換與管理，建立高效、公正、安全的市場機制，重新定位供電方、電網及用戶三者的角色與責任，加緊制定相應的管理政策和法規(guī)等是當前及今后一段時期的努力方向。8.微電網在中國的發(fā)展前景目前，中國尚未提出明確的微電網概念，但微電網的特點適應中國電力發(fā)展的需求與方向，在中國有著廣闊的發(fā)展前景，具體體現在:1)微電網是中國發(fā)展可再生能源的有效形式?！笆晃濉币?guī)劃已將積極推動和鼓勵可再生能源的發(fā)展作為中國的重點發(fā)展戰(zhàn)略之一。一方面，充分利用可再生能源發(fā)電對于中國調整能源結構、保護環(huán)境、開發(fā)西部、解決農村用能及邊遠地區(qū)用電、進行生態(tài)建設等均具有重要意義；另一方面，中國可再生能源的發(fā)展?jié)摿κ志薮?。據專家估計，中國新能源和可再生能源的可獲得量是每年7.3x109t標準煤，而現在的每年開發(fā)量不足4x107t標準煤。中國制定的2020年可再生能源發(fā)展目標也已將可再生能源發(fā)電的裝機容量定位為100GW。然而，可再生能源容量小、功率不穩(wěn)定、獨立向負荷提供可靠供電的能力不強以及對電網造成波動、影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定的缺點將是其發(fā)展中的極大障礙。如前所述，若能將負荷點附近的分布式能源發(fā)電技術、儲能及電力電子控制技術等很好地結合起來構成微電網，則可再生能源將充分發(fā)揮其重要潛力。例如，對于中國未通電的偏遠地區(qū)，充分利用當地風能、太陽能等新能源，設計合理的微電網結構，實現微電網供電，將是發(fā)揮中國資源優(yōu)勢、加快電力建設的重要舉措。日本已對中國多個偏遠地區(qū)和較發(fā)達市區(qū)利用新能源發(fā)展的潛力與效益進行了分析，并已在中國新疆維吾爾自治區(qū)建設了微電網工程，中國也應盡快加緊在這方面的研究與開發(fā)。2）微電網在提高中國電網的供電可靠性、改善電能質量方面具有重要作用。中國的經濟已進人數字化時代，優(yōu)質、可靠的電力供應是經濟高速發(fā)展的重要保障。在大電網的脆弱性日益凸顯的情況下，將地理位置接近的重要負荷組成微電網，設計合適的電路結構和控制，為這些負荷提供優(yōu)質、可靠的電力，不僅可省去提高整體的可靠與電能質量所帶來的必要的成本，還可減少這些由于停電引起的經濟缺失，吸收更多的高新技術在中國發(fā)展。3）微電網對于在中國發(fā)展熱電聯(lián)借供有極大的指導意義。目前，中國已經建立了許多熱電聯(lián)供項目，而微電網研究中的資源配置與經濟優(yōu)化思想非常值得借鑒。如何就近選擇合適容量的熱力用戶與電力用戶組成微電網，并進行最佳的發(fā)電掛技術組合，對于中國提高能源利用率、優(yōu)化能源結構、減少環(huán)境污染等具有重要意義。4）微電網與大電網間靈活的并列運行方式可使微電網起到削峰填谷的作用，從而便整個電網的發(fā)電設備得以充分使用，實現經濟運行。此外，對于中國已有眾多獨立系統(tǒng)，在系統(tǒng)中加入基于電力電子技術的新能源并配以智能、靈活的控制方式，一方面可提高系統(tǒng)的智能化與自動化水平，另一方面也可為企業(yè)帶來可觀的經濟效益。9結束語微電網的出現將從根本上改變傳統(tǒng)的應對負荷增長的方式，其在降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性等具有巨大潛力。但是諸如微電網的運行與控制，微電網相關電能質量研究和微電網保護及微電網的接入標準等，都是微電網研究中的重點問題。此外，燃料電池、光伏發(fā)電等新能源成本仍然較高，加快對電源技術的研究，降低其成本，增強微電網的競爭力也是推動微電網發(fā)展的關鍵。微電網既可以聯(lián)網運行，又可以孤島運行，能保證在惡劣天氣下對用戶供電。微電網在滿足多種電能質量要求和提高供電可靠性等方面有諸多優(yōu)點，使它完全可以作為現有骨干電網的一個有益、必要的補償。微電網的發(fā)展在我國尚處在起始階段，不間斷電力變電站的概念體現了微電網的思想，但微電網在我國的發(fā)展和實用化還有待進一步研究。毫無疑問，微電網在我國有著巨大的應用潛力和發(fā)展前景。參考文獻：[1]樓書氫，李青鋒，許化強，劉魯丹國外微電網的研究概況及其在我國的應用前景[J]，華中電力，2009,22（3）：1-4；[2]魯宗相，王彩霞等，微電網研究綜述[J]，電力系統(tǒng)自動化，2007，31（19）：1-8；[3]國海，蘇建微，張國榮，微電網技術研究現狀，四川電力技術[J]，2009,32（2）,1-6；[4]左文霞,李澍森,吳夕科,等.微電網技術及發(fā)展概況[J].中國電力,2009,42(7):26-30.[5]盛昆，孔力，齊智平，等．新型