智能電網(wǎng)與微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)綜述.doc

智能電網(wǎng)與微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)綜述陳曉康(北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院 電機(jī)與電器)摘要:本文綜述了智能電網(wǎng)與微電網(wǎng)的特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，從電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度共六個(gè)環(huán)節(jié)分析，闡述了集成通信、傳感與測(cè)量、高級(jí)電力電子設(shè)施、高級(jí)量測(cè)體系、高級(jí)配電體系、高級(jí)輸電運(yùn)行、智能調(diào)度、分布式電源接入等一系列領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。關(guān)鍵詞:智能電網(wǎng)；微電網(wǎng)；分布式電源；特點(diǎn)；關(guān)鍵技術(shù)智能電網(wǎng)概念：到目前為止，智能電網(wǎng)并沒有統(tǒng)一的定義,但是基本內(nèi)涵還是相同的。智能電網(wǎng)(smart grid)是利用傳感、嵌入式處理、數(shù)字化通信和IT技術(shù)，將電網(wǎng)信息集成到電力公司的流程和系統(tǒng)，使電網(wǎng)可觀測(cè)（能夠監(jiān)測(cè)電網(wǎng)所有元件的狀態(tài)），可控制（能夠控制電網(wǎng)所有元件的狀態(tài)）和自動(dòng)化（可自適應(yīng)并實(shí)現(xiàn)自愈）。由于國(guó)情、發(fā)展階段及資源分布的不同,各國(guó)發(fā)展智能電網(wǎng)的重點(diǎn)不同,如美國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)側(cè)重于配電側(cè)和用戶側(cè) ,重點(diǎn)研發(fā)可再生能源和分布式電源并網(wǎng)技術(shù);我國(guó)智能電網(wǎng)是在建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的基礎(chǔ)上 ,以建設(shè)距離長(zhǎng)、容量大等輸電特征的特高壓電網(wǎng)為核心, 具有信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的智能技術(shù)特征。智能電網(wǎng)特點(diǎn)：（1）自愈。對(duì)電網(wǎng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行不斷的在線評(píng)估，采取有效的預(yù)防控制手段，盡可能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、快速診斷和消除故障隱患；并且在盡量少的人工干預(yù)下，自動(dòng)快速隔離故障、實(shí)現(xiàn)自我恢復(fù)，避免大面積停電的發(fā)生。（2）互動(dòng)。實(shí)現(xiàn)與客戶的智能互動(dòng)，以最佳的電能質(zhì)量和供電可靠性滿足客戶需求。（3）堅(jiān)強(qiáng)。對(duì)電網(wǎng)的每一個(gè)元素進(jìn)行安全性需求考慮，在整個(gè)系統(tǒng)中確保一定的集成和平衡。在自然災(zāi)害、外力破壞和計(jì)算機(jī)攻擊等不同情況下保證人身、設(shè)備和電網(wǎng)的安全。（4）優(yōu)質(zhì)電能。能夠減小由于輸配電元件引起的電能質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量問題的快速診斷和周密解決方案。（5）兼容。既能適應(yīng)大電源的集中接入，也支持分布式發(fā)電方式友好接入以及可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用。智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)：就領(lǐng)域劃分（1）發(fā)電領(lǐng)域：風(fēng)電場(chǎng)、光伏發(fā)電及分布式供能的并網(wǎng)和儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研究；（2）輸電領(lǐng)域：安全監(jiān)控（大電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制、網(wǎng)域測(cè)量技術(shù)、相量測(cè)量裝置、傳感器和量測(cè)技術(shù)）；特高壓交直流相關(guān)設(shè)備研制和關(guān)鍵技術(shù)研究；（3）變電領(lǐng)域：智能化（數(shù)字化）變電站、靈活交流輸電技術(shù)、無功補(bǔ)償發(fā)生器、故障電流限制器的研究；（4）配電領(lǐng)域：儲(chǔ)能技術(shù)、配電自動(dòng)化、微電網(wǎng)接入技術(shù)與分布式儲(chǔ)能裝置研究；（5）用電領(lǐng)域：智能電表、用電信息采集系統(tǒng)、可再生能源即插即用技術(shù)。就技術(shù)劃分（1）集成通信智能電網(wǎng)依賴于采集的數(shù)據(jù)、保護(hù)和控制，要使電網(wǎng)中的通信系統(tǒng)高效應(yīng)用，整個(gè)通信必須是全集成的，為電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行管理提供全方位的信息服務(wù)。因此，寬帶通信網(wǎng)，包括電纜、光纖、電力線載波和無線通信，將在智能電網(wǎng)中扮演重要角色。重點(diǎn)有兩個(gè)方面的技術(shù)：其一就是開放的通信架構(gòu)，它形成一個(gè)“即插即用”的環(huán)境，使電網(wǎng)元件之間能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的通信；其二是統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它能使所有的傳感器、智能電子設(shè)備以及應(yīng)用系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)無縫的通信，這就需要電力公司、設(shè)備制造企業(yè)以及標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)進(jìn)行通力的合作。（2）傳感與測(cè)量傳感與測(cè)量技術(shù)為實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)提供及時(shí)的信息，不但包括變電站設(shè)備及一些輸電線狀況信息，而且還包括用于入口、具名網(wǎng)絡(luò)、高級(jí)計(jì)量等部分，同時(shí)也對(duì)傳感器本身以及測(cè)量精度提出了更高的要求。未來的智能電網(wǎng)將取消所有的電磁表計(jì)及其讀取系統(tǒng)，取而代之的是可以使電力公司與用戶進(jìn)行雙向通信的智能固態(tài)表計(jì)?；谖⑻幚砥鞯闹悄鼙碛?jì)將有更多的功能，除了可以計(jì)量每天不同時(shí)段電力的使用和電費(fèi)外，還有儲(chǔ)存電力公司下達(dá)的高峰電力價(jià)格信號(hào)及電費(fèi)費(fèi)率，并通知用戶實(shí)施什么樣的費(fèi)率政策。更高級(jí)的功能有用戶自行根據(jù)費(fèi)率政策，編制時(shí)間表，自動(dòng)控制用戶內(nèi)部電力使用的策略。對(duì)于電力公司來說，參數(shù)量測(cè)技術(shù)給電力系統(tǒng)運(yùn)行人員和規(guī)劃人員提供更多的數(shù)據(jù)支持，包括功率因數(shù)、電能質(zhì)量、相位關(guān)系、設(shè)備健康狀況和能力、表計(jì)的損壞、故障定位、變壓器和線路負(fù)荷、關(guān)鍵元件的溫度、停電確認(rèn)、電能消費(fèi)和預(yù)測(cè)等數(shù)據(jù)。新的軟件系統(tǒng)將收集、儲(chǔ)存、分析和處理這些數(shù)據(jù)，為電力公司的其他業(yè)務(wù)所用。（3）高級(jí)電力電子設(shè)施高級(jí)電力電子設(shè)施在電網(wǎng)中起著非常重要的作用，它們既可以單獨(dú)運(yùn)用，也可以連接在一起組成復(fù)雜系統(tǒng)。包括電力電子裝置、超導(dǎo)裝置、分布式發(fā)電、復(fù)合導(dǎo)線、微電網(wǎng)技術(shù)等。智能電網(wǎng)將廣泛應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)，以提高輸配電系統(tǒng)的性能。智能電網(wǎng)中的設(shè)備將充分應(yīng)用材料、超導(dǎo)、儲(chǔ)能、電力電子和微電子技術(shù)等方面的最新研究成果，以提高功率密度、供電可靠性、電能質(zhì)量和電力生產(chǎn)的效率。通過采用新技術(shù)以及在電網(wǎng)和負(fù)荷特性之間尋求最佳的平衡點(diǎn)，來提高電能質(zhì)量；通過應(yīng)用和改造各種各樣的先進(jìn)設(shè)備，如基于電力電子技術(shù)和新型導(dǎo)體技術(shù)的設(shè)備，來提高電網(wǎng)輸送容量和可靠性。配電系統(tǒng)中需要引進(jìn)新的儲(chǔ)能設(shè)備和電源，同時(shí)應(yīng)利用新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如微電網(wǎng)。（4）高級(jí)量測(cè)體系參數(shù)量測(cè)技術(shù)是智能電網(wǎng)基本的組成部件，先進(jìn)的參數(shù)量測(cè)技術(shù)獲得數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息，以供智能電網(wǎng)的各個(gè)方面使用。它們?cè)u(píng)估電網(wǎng)設(shè)備的健康狀況和電網(wǎng)的完整性，進(jìn)行表計(jì)的讀取、消除電費(fèi)估計(jì)以及防止竊電、緩減電網(wǎng)阻塞以及與用戶的溝通。 （5）高級(jí)配電體系包含系統(tǒng)的監(jiān)視與控制、配電系統(tǒng)管理功能和與用戶的交互（如負(fù)荷管理、量測(cè)和實(shí)時(shí)定價(jià)）。通過與智能電網(wǎng)的其他組成部分的協(xié)同運(yùn)行， 既可改善系統(tǒng)監(jiān)視、無功與電壓管理、降低電網(wǎng)損耗和提高資產(chǎn)使用率，也可輔助優(yōu)化人員調(diào)度和維修作業(yè)安排等。智能通用變壓器是不同于傳統(tǒng)的線圈式變壓器，它是基于電力電子技術(shù)（由多級(jí)逆變器組成）的變壓器。與常規(guī)的鐵芯式變壓器相比，具有以下特點(diǎn)：1）體積小，重量輕，無污染；2）運(yùn)行時(shí)可保持副邊電壓幅值恒定，不隨負(fù)載變化；3）可以保證原、副邊電壓為正弦波，且功率因素可調(diào)整；4）具有高度可控性；5）兼有斷路器功能，可以以毫秒級(jí)的速度關(guān)斷故障大電流，無需常規(guī)變壓器復(fù)雜保護(hù)裝置；6）含有智能控制單元，可以完成潮流和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能。（6）高級(jí)輸電運(yùn)行柔性交流輸電技術(shù)是新能源、清潔能源大規(guī)模接入電網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，將電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)相結(jié)合，通過對(duì)電力系統(tǒng)參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)控制，從而大幅降低輸電損耗、提高輸電線路輸送能力和保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平。 高壓直流輸電技術(shù)對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電、高壓直流輸電擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其中，輕型直流輸電系統(tǒng)采用 GTO、IGBT 等可關(guān)斷的器件組成換流器，使中型的直流輸電工程在較短輸送距離也具有競(jìng)爭(zhēng)力。 （7）分布式電源接入分布式電源（DER）的種類很多，包括小水電、風(fēng)力發(fā)電、光伏電源、微型透平、燃料電池和儲(chǔ)能裝置（如飛輪、超級(jí)電容器、超導(dǎo)磁能存儲(chǔ)）。一般來說，其容量為 1kW10MW。配電網(wǎng)中的 DER 由于靠近負(fù)荷中心，降低了對(duì)電網(wǎng)擴(kuò)展的需要，并提高了供電可靠性，因此得到廣泛采用。大量的分布式電源并于中壓或低壓配電網(wǎng)上運(yùn)行，徹底改變了傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)單向潮流的特點(diǎn)，要求系統(tǒng)使用新的保護(hù)方案、電壓控制和儀表來滿足雙向潮流的需要。通過高級(jí)的自動(dòng)化系統(tǒng)把這些分布式電源無縫集成到電網(wǎng)中并協(xié)調(diào)運(yùn)行，將可帶來巨大的效益。除了節(jié)省對(duì)輸電網(wǎng)的投資外，還可提高全系統(tǒng)的可靠性和效率，提供對(duì)電網(wǎng)的緊急功率和峰值負(fù)荷電力支持，及其他一些輔助服務(wù)功能，如無功支持、電能質(zhì)量改善等；同時(shí)，它也為系統(tǒng)運(yùn)行提供了巨大的靈活性。智能電網(wǎng)總結(jié)：智能電網(wǎng)的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域（1）電網(wǎng)與用戶之間采用雙向通信，兩者之間進(jìn)行實(shí)施的交互信息。（2）采用可以雙向通信的智能固態(tài)表計(jì) ；供電網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀。（3）設(shè)備運(yùn)行管理采用遠(yuǎn)方監(jiān)視 ；設(shè)備出現(xiàn)故障后 ，自適應(yīng)保護(hù)和孤島化 ；供電恢復(fù)自愈化。（4）功率控制方式采用集中和分布式發(fā)電并存的方式 ；潮流控制方式有許多種。（5）通過動(dòng)畫、動(dòng)態(tài)著色、虛擬現(xiàn)實(shí)等數(shù)據(jù)展示技術(shù) ，幫助運(yùn)行人員分析和處理緊急問題。微電網(wǎng)的概念及特點(diǎn)微電網(wǎng)（micro-grid），是一種由負(fù)荷和微型電源共同組成的系統(tǒng)，它可以同時(shí)提供電能和熱量；微電網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換，并提供必需的控制；微電網(wǎng)相對(duì)于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控元件，并可同時(shí)滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電安全的要求。由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個(gè)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(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行。微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)（1） 微電源分布式電源與分布式儲(chǔ)能技術(shù)，前文智能電網(wǎng)已做過說明，不再贅述。微電源通過電力電子裝置與微電網(wǎng)連接或隔離，各DG單元均由電力電子裝置提供所需要的控制接口。大多數(shù) DG裝置接入交流系統(tǒng)時(shí)，需要相關(guān)的逆變、整流及濾波裝置。 當(dāng)系統(tǒng)頻率低于逆變裝置電流控制器的頻帶寬度時(shí)，DG 系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)電壓源；而當(dāng)系統(tǒng)頻率高于電流控制器的帶寬時(shí)，DG 系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)電流源。微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)連接的隔離裝置：靜態(tài)開關(guān)在微電網(wǎng)和配電網(wǎng)的接口方面起著關(guān)鍵作用。靜態(tài)開關(guān)的任務(wù)是一旦電能質(zhì)量開始惡化 ， 就將敏感負(fù)荷從電網(wǎng)中分離。 靜態(tài)開關(guān)只分離敏感負(fù)荷，而不將微電網(wǎng)從電網(wǎng)中分離。 在多個(gè)電源同步運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)情況下，有功功率總是從同步之前頻率高的電源流向頻率低的電源。 （2）控制及保護(hù)問題微電網(wǎng)既可以作為獨(dú)立用電單元，也可以作為負(fù)荷，參與外部大電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制。微電網(wǎng)其中包含大量的電力電子裝置，可以為電網(wǎng)提供頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率平衡等服務(wù)。在微電網(wǎng)中能量是可以雙向流動(dòng)的，同時(shí)微電網(wǎng)中總線既可以是交流總線、直流總線或兩種混合型。微電網(wǎng)可以運(yùn)行在并網(wǎng)或孤島兩種模式下。這都決定微電網(wǎng)系統(tǒng)的保護(hù)控制與常規(guī)電力系統(tǒng)中的保護(hù)和控制在方法、策略上有很大不同，需要研究微電網(wǎng)故障診斷算法與控制保護(hù)系統(tǒng)。微電網(wǎng)的保護(hù)、控制技術(shù)研究包含微電網(wǎng)中電源與負(fù)荷的控制技術(shù)、微電網(wǎng)能量管理技術(shù)、微電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合監(jiān)控技術(shù)、微電網(wǎng)測(cè)控與通信規(guī)約、微電網(wǎng)安全與保護(hù)技術(shù)等。目前相關(guān)技術(shù)都是針對(duì)傳統(tǒng)的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如何在此基礎(chǔ)上改造、優(yōu)化、升級(jí)，需要成熟的微電網(wǎng)保護(hù)控制技術(shù)的支撐。（3）并網(wǎng)技術(shù)配電網(wǎng)中引入少量分布式電源對(duì)整個(gè)電網(wǎng)并不會(huì)產(chǎn)生太大的影響， 然而當(dāng)電網(wǎng)中存在較多DG單元或者大容量的DG單元或微電網(wǎng)時(shí)， 將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、電壓波形、電壓閃變、諧波、短路電流、有功及無功潮流、電網(wǎng)損耗等諸多方面造成較大影響， 如果控制不當(dāng)可能會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定， 導(dǎo)致電能質(zhì)量惡化， 破壞系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。 因此有必要針對(duì)含有 DG 及微電網(wǎng)的電網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定、電能質(zhì)量、規(guī)劃與運(yùn)行方式、系統(tǒng)網(wǎng)損等一系列問題的研究。微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行會(huì)對(duì)外部電網(wǎng)穩(wěn)定造成影響。而當(dāng)微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)切斷時(shí)，微電網(wǎng)需要平滑地從并網(wǎng)運(yùn)行模式過渡到獨(dú)立運(yùn)行模式。DG或微電網(wǎng)接入配電系統(tǒng)后，如果控制不當(dāng)，可能產(chǎn)生電壓閃變和諧波， 而 DG 或微電網(wǎng)并網(wǎng)也存在改善電能質(zhì)量的巨大潛力。 利用變流技術(shù)可以有效地提高電能質(zhì)量， 另外通過電力電子技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)更佳的諧波和無功功率控制。 微電網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí)， 可以通過基于電力電子技術(shù)的柔性交流配電技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)改善電能質(zhì)量。當(dāng)然實(shí)現(xiàn)以上功能需要合理的控制策略，DG 自身的電力電子裝置不可能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的裝置，如果能夠?qū)?DG 設(shè)備應(yīng)用到 DFACTS 技術(shù)中去，不僅能提高電能質(zhì)量水平，也能減少設(shè)備投資。結(jié)語(yǔ)：發(fā)展智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的系統(tǒng)性工程，需要有相應(yīng)的政策法規(guī)密切配合，還必須兼顧與現(xiàn)有系統(tǒng)的集成。智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)的利益相關(guān)者主要是國(guó)家、電網(wǎng)公司、用戶、發(fā)電商、設(shè)備制造商。國(guó)家對(duì)能源、電網(wǎng)的期望是節(jié)能減排，提高能源利用效率。電網(wǎng)公司主要關(guān)注電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。用戶關(guān)注電費(fèi)支出和用電可靠性。因此建設(shè)智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)目標(biāo)是提高電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，降低用戶電費(fèi)支出，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。對(duì)于關(guān)鍵技術(shù)的分析可知，現(xiàn)階段有些技術(shù)還不夠成熟，還需大力發(fā)展。智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)是一個(gè)集技術(shù)大成、學(xué)科間融合豐富的大型工程，其復(fù)雜度從上文綜述的分析可見一斑。參考文獻(xiàn)：1許曉慧，智能電網(wǎng)導(dǎo)論M，中國(guó)電力出版社，20092周渝慧，智能電網(wǎng)M，清華大學(xué)出版社 ，20093 于釗、劉建坤，堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)應(yīng)關(guān)注的問題和關(guān)鍵技術(shù)J,電力系統(tǒng)通信，2010（10）4孟凡超 、高志強(qiáng) 、王春璞，智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及其與傳統(tǒng)電網(wǎng)的比較J，河北電力技術(shù) 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