電力新技術(shù)系列專題報(bào)

1、微電網(wǎng)研究綜述摘 要：微電網(wǎng)是近些年提出的一個為解決傳統(tǒng)電力系統(tǒng)眾多問題的新概念。本文旨在闡述微電網(wǎng)的概念，通過對微電網(wǎng)發(fā)展歷程的介紹，說明微電網(wǎng)與傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)、分布式電源的聯(lián)系和區(qū)別。文章的第二部分介紹了微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)。介紹了微電網(wǎng)中的電源與儲能系統(tǒng)，說明了微電網(wǎng)中的能源特點(diǎn)，指出其在數(shù)學(xué)模型上存在的弊端；分析電力電子技術(shù)在微電網(wǎng)中關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用，特別介紹了多功能并網(wǎng)逆變器在微電網(wǎng)并網(wǎng)中的作用；能量管理系統(tǒng)通過綜合分析多方面因素，對運(yùn)行方式作出相應(yīng)的調(diào)整，是微電網(wǎng)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的保障。文章總結(jié)部分分析了對電力系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，對微電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿M(jìn)行探討。關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；

2、分布式電源；電力電子技術(shù)前言隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求持續(xù)增長，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，超高壓遠(yuǎn)距離傳輸網(wǎng)絡(luò)在近些年越來越被重視，與此同時，傳統(tǒng)的大型火電站、水電站也一直在投資建設(shè)當(dāng)中。但隨著傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，諸多弊端日益凸顯出來：資源消耗大，能源利用率低，對環(huán)境造成的污染大，運(yùn)行困難、成本高等。特別是近些年，世界范圍內(nèi)接連發(fā)生幾次大面積停電事故之后，電網(wǎng)的脆弱性更加充分地暴露出來。為了解決這一問題，分布式發(fā)電和微電網(wǎng)的概念先后被提出。微電網(wǎng)是一種將分布式電源、負(fù)荷、儲能裝置、變流器以及監(jiān)控保護(hù)裝置有機(jī)整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)1-3。憑借微電網(wǎng)的運(yùn)行控制和能量管理等關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)其并

3、網(wǎng)或孤島運(yùn)行，降低間歇性分布式電源給配電網(wǎng)帶來的不利影響，最大限度地利用分布式電源出力，提高大電網(wǎng)的供電可靠性和電能質(zhì)量。將分布式電源以微電網(wǎng)的形式接入配電網(wǎng)，被普遍認(rèn)為是利用分布式電源有效的方式之一4-7。本文主要綜述了微電網(wǎng)的概念和結(jié)構(gòu)；第二部分分析了微電網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)研究；第三部分給出了本文的總結(jié)。1 微電網(wǎng)的提出與發(fā)展隨著傳統(tǒng)電網(wǎng)脆弱性的充分暴露和地球資源的日益短缺，人們開始尋求新的發(fā)展方向以應(yīng)對目前的局面。分布式發(fā)電具有運(yùn)行可靠性高、能源利用率高、安裝地點(diǎn)靈活等多方面優(yōu)點(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)電網(wǎng)存在的諸多問題。許多國家對分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究和實(shí)踐，針對不同能源的高效利用做

4、出了深入的研究，并取得了許多突破性進(jìn)展。分布式發(fā)電技術(shù)為電力系統(tǒng)的發(fā)展方向提出了新思路，將其作為原有大型電網(wǎng)的有力補(bǔ)充和有效支撐，是電力系統(tǒng)發(fā)展的新方向。然而隨著對分布式發(fā)電研究的深入，其固有的一些弊端逐漸顯現(xiàn)出來，比如單機(jī)并網(wǎng)成本高、發(fā)電不穩(wěn)定、電能質(zhì)量差等，特別是當(dāng)大量的分布式電源接入電網(wǎng)后，由于其運(yùn)行投入的隨機(jī)性和不確定性，將對電力網(wǎng)絡(luò)造成強(qiáng)大的沖擊，影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。也正因如此，分布式發(fā)電的發(fā)展被嚴(yán)重限制。圖1 CERTS提出的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為了協(xié)調(diào)分布式電源與傳統(tǒng)電網(wǎng)的矛盾，微電網(wǎng)的概念應(yīng)運(yùn)而生。微電網(wǎng)是一種將分布式電源、負(fù)荷、儲能裝置、變流器以及監(jiān)控保護(hù)裝置有機(jī)整合在一起的小型

5、發(fā)配電系統(tǒng)，它通過電力電子器件對分布式電源進(jìn)行運(yùn)行控制和能源管理，最大限度地利用分布式電源出力，提高供電可靠性和電能質(zhì)量。微電網(wǎng)的出現(xiàn)解決了分布式電源與電力系統(tǒng)之前的矛盾，使得配電網(wǎng)不必直接面對大量分散接入的分布式電源。2 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行2.1 微電網(wǎng)中的電源與儲能系統(tǒng)微電網(wǎng)中的電源類型多樣，總體上可以分為兩大類：可控制電源和不易控制電源?？煽刂频碾娫窗ㄈ?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、燃料電池等等，不易控制電源包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池等有間歇性的電源。建立各種分布式電源的數(shù)學(xué)模型，對研究微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行特性有著重要的意義，但不同類型的電源在微電網(wǎng)中同時運(yùn)行，這使得對微電網(wǎng)的電源模型分析變得十分

6、復(fù)雜。文獻(xiàn)8,9分析了微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池等的運(yùn)行特性，建立了這幾類電源的動態(tài)模型。由于國內(nèi)外對微電網(wǎng)電源的建模方式多樣，且不同模型均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此普遍使用的微電源模型還沒建立，微電源的建模技術(shù)還有待進(jìn)一步研究和完善。儲能系統(tǒng)是微電網(wǎng)中的一個重要的組成部分，它由儲能單元和雙向的變流器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了能量在電網(wǎng)與儲能單元之間的雙向流通。儲能系統(tǒng)既可以看作是微電網(wǎng)中的電源設(shè)備，也可以看作是分布式電源與電力系統(tǒng)之間的能量緩沖裝置，在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行時都起到重要作用。在并網(wǎng)運(yùn)行時，儲能系統(tǒng)在負(fù)荷高峰期釋放能量，在負(fù)荷低谷期吸收能量，從而達(dá)到對電力系統(tǒng)的運(yùn)行起到削峰填谷

7、的作用；在孤島運(yùn)行時，儲能系統(tǒng)起著加快切換時間，改善電能質(zhì)量和平衡多種電源間響應(yīng)時間不一致的弊端的重要作用。文獻(xiàn)10,11建立了儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了其各自的模型特性，對微電網(wǎng)中儲能的作用進(jìn)行了分析和論述。分布式電源與儲能系統(tǒng)結(jié)合在一起，構(gòu)成了微電網(wǎng)中的能源系統(tǒng)，兩者之間的結(jié)合使得微電網(wǎng)在不同的運(yùn)行狀態(tài)下更加靈活和穩(wěn)定。此外，微電網(wǎng)電源容量的優(yōu)化配置直接影響能源的梯級綜合利用效率、供電可靠性和電能質(zhì)量等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。文獻(xiàn)12在分析分布式電源功率特性的基礎(chǔ)上，考慮微電網(wǎng)系統(tǒng)中分布式電源、能源資源、儲能和負(fù)載之間的匹配關(guān)系，構(gòu)建了經(jīng)濟(jì)成本、供電可靠性和環(huán)境效益的量化目標(biāo)函數(shù)，提出了混沌多目標(biāo)遺

8、傳算法對獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)系統(tǒng)容量進(jìn)行優(yōu)化配置。微源、儲能的選址定容和規(guī)劃是微電網(wǎng)構(gòu)建需要解決的重要問題，微電網(wǎng)的選址應(yīng)主要考慮與本地負(fù)荷和分布式電源分布相適應(yīng)以及能否有效支撐電網(wǎng)運(yùn)行。2.2 微電網(wǎng)中的電力電子應(yīng)用近些年來高速發(fā)展的電力電子技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用十分廣泛，它已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)快速、連續(xù)、靈活控制的重要技術(shù)手段。電力電子技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：柔性交流輸電（FACTS）技術(shù)、配網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器（STACOM）、有源濾波器（APF）、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）等。諸多新型電力電子裝置的出現(xiàn)，使得電網(wǎng)中電壓、頻率的調(diào)節(jié)更加靈活迅速，并且使微電網(wǎng)可以靈活地選擇網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行頻率和運(yùn)行

9、電壓以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。控制策略和控制模式主要依靠恒功率控制（PQ 控制）策略、恒壓/恒頻控制（U/f 控制）策略、下垂控制（Droop 控制）策略和及其組合或改進(jìn)策略來實(shí)13,14。電力電子接口單元感知所在連接點(diǎn)的電壓、電流信息，接受中央控制器的設(shè)定指令，按照設(shè)定向電網(wǎng)輸送功率并保持公共連接點(diǎn)電壓穩(wěn)定是微電網(wǎng)逆變系統(tǒng)控制的基本要求，電力電子接口的有效控制是提高微電網(wǎng)運(yùn)行靈活性的重要手段13-14。中國電力科學(xué)研究院已經(jīng)自主完成了微網(wǎng)微源的智能接口技術(shù)如“同步逆變器15”的研發(fā)，在虛擬電機(jī)技術(shù)、三相四線制供電、基于分頻下垂調(diào)節(jié)的具備主動諧波治理能力的諧波下垂控制器、可改善電壓調(diào)整的容性等效輸

10、出逆變器等，以及微網(wǎng)與柔性電力裝置的聯(lián)合應(yīng)用方向逐步形成體系，為柔性電力技術(shù)在配網(wǎng)及微網(wǎng)中的應(yīng)用逐步提供較為齊全的解決方案。2.3 微電網(wǎng)的能量管理不同于以往最初期電力系統(tǒng)的分散供電形式，微電網(wǎng)供電雖然也是分散式，但采用了大量先進(jìn)的現(xiàn)代電力技術(shù)，無論是在能源的利用率上，還是在控制和運(yùn)行方面，都與以往的電力系統(tǒng)有了極大的改進(jìn)。電力電子技術(shù)使微電網(wǎng)與配電網(wǎng)形成一個有機(jī)的整體，可以靈活連接、斷開，使微電網(wǎng)在不同的模式之間平滑的切換。能量管理策略可以高效的管理微電網(wǎng)與配網(wǎng)間的能量交換，實(shí)現(xiàn)分布式能源的最大化利用。因此，微電網(wǎng)的集群控制技術(shù)和能量管理技術(shù)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)方向。電力電子技術(shù)的發(fā)展使得微電

11、網(wǎng)中多個供電單元、裝備或接口的協(xié)調(diào)控制得以實(shí)現(xiàn)。針對網(wǎng)內(nèi)多源協(xié)調(diào)控制問題，如儲能與微電源間協(xié)調(diào)控制、儲能與儲能、微電源與微電源、逆變器接口與接口等，其動作時序配合問題、響應(yīng)速度匹配問題都值得關(guān)注與梳理。文獻(xiàn)16描述了一種面向微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)，并對其作為規(guī)劃工具在微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中的應(yīng)用作了具體介紹。3 總結(jié)與展望微電網(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)展的新方向和新趨勢，具有節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)靈活、運(yùn)行穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。不難看出，微電網(wǎng)發(fā)展前景非常廣闊，特別是結(jié)合到中國的國情，發(fā)展微電網(wǎng)是非常必要的。經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背后，需要強(qiáng)大的資源和能源的支撐，微電網(wǎng)的大力發(fā)展，不僅大大的提高了能源的利用率，而且使得我們對新能源的

12、開發(fā)和利用更加充分。中國地域廣闊，一味地發(fā)展特高壓線路會造成資源利用率低、電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定等多方面的問題，而微電網(wǎng)的出現(xiàn)，不僅使這個問題迎刃而解，并且通過對電網(wǎng)的削峰填谷，使電網(wǎng)的發(fā)電設(shè)備得到充分的利用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。通過以上的分析，可以看出，微電網(wǎng)作為傳統(tǒng)大電網(wǎng)的一個補(bǔ)充和改進(jìn)，毫無疑問，具有十分巨大的發(fā)展?jié)摿?。參考文獻(xiàn)1 Hatziargyriou N，Asand H，Iravani，et a1MicrogridsJIEEE Power and Energy Magazine，2007，5(4)：78-942 Morozumi S Microgrid demonstration projec

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