微电网.docx

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微电网

微电网

目录

1.微电网的概述1

1.1微电网的定义1

1.2微电网的特点1

1.3中国发展微电网的意义2

1.4国内外研究动态2

2.微电网实验系统结构特征4

2.1直流微电网4

2.2交流微电网4

2.3交直流混合微电网5

2.4简单结构与复杂结构微电网实验系统5

2.4.1简单结构微电网5

2.4.2复杂结构微电网6

3微电网实验系统的控制模式6

3.1主从控制模式6

3.2对等控制模式7

3.3分层控制模式8

4微电网发展的关键技术10

4.1大电网应对微电网接入的关键问题10

4.1.1大电网与微电网相互作用的机理10

4.1.2含有微电网的大电网规划设计11

4.1.3含微电网的大电网运行策略11

4.1.4含微电网的大电网保护构建策略11

4.1.5微电网与大电网的电能交易模式12

4.1.6大电网应对微电网接入标准的制订12

4.2微电网中的关键问题12

5微电网能量管理系统13

微电网

1.微电网的概述

1.1微电网的定义

各个国家针对各国经济和能源发展的特点，对微电网的发展侧重点有所不同，对微电网给出了不同的定义。

美国电力可靠性技术解决方案协会（ConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolution，CERTS）给出的定义：

微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微电网相对于大电网表现为单一的受控单元，并同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。

美国威斯康辛大学给出的定义：

微电网是一个由负荷和微型电源组成的独立可控系统，就地提供电能和热能。

日本的微电网研究在世界范围内处于领先地位。

由于日本国内能源日益紧缺、负荷日益增加等原因，日本着重于新能源的开发利用。

日本微电网定义为：

微电网是指在一定区域内利用可控的分布式电源，根据用户需求提供电能的小型系统。

欧盟科技框架计划（FrameworkProgramme，FP）给出的定义：

利用一次能源；使用微型电源，并可冷、热、电三联供；配有储能装置；使用电力电子装置进行能量调节；可在并网和独立两种方式下运行。

1.2微电网的特点

①独特性：

微电网由微型电源及负荷构成，是一个小型电力系统，与大系统的主要区别在于其灵活的可调度性；

②多样性：

微电源的组成多种多样，既有传统电源，又有可再生能源。

同时，微电网中也包含储能设备，做为系统稳定运行的必要条，而负荷的类型也很多，如敏感型、非敏感型，可控型、非可控型等；

③可控性：

根据运行工况的不同，微电网可以选择不同的运行方式，完善的控制策略使得微电网的可靠性得到提高，安全性得到保障；

④交互性：

作为具备独立发电设备的微电网可以在必要时对主网提供有力支撑，同时主网也可以向微电网提供电能；

⑤独立性：

微电网在一定条件下可以独立运行，在一定基础上保障了本地的用电需求。

1.3中国发展微电网的意义

（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。

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。

微电网对建设要求不高，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。

（2）微电网将地域相近的一组微电源、储能装置与负荷结合起来进行协调控制，对配电网表现为友好型的单个可控集合。

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。

（3）根据用户对电力供给的不同需求，微电网将负荷分类，针对终端用户的需求提供差异化的电能。

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。

（4）微电网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，降低网损。

（5）微电网能够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，有利于社会主义新农村建设。

1.4国内外研究动态

近年来，对微电网技术开展研究的主要国际组织和项目包括：

美国CERTS和PSERC的微电网计划、欧盟的“TheMicrogridsProject”、美国LBNL组织的DER-CAM计划、日本的NEDO组织和加拿大CANMET能源技术中心等。

美国的CERTS是最早提出微电网概念的国际机构，它给出的微电网定义是微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。

此外，CEERTS在微电网的结构、控制、保护及经济分析等关键技术领域进行了开创性研究工作，CERTS微电网具有“即插即用”和“对等”功能。

美国的MadRiver微电网则是美国的第一个微电网示范工程，对验证微电网的建模与仿真方法、保护与控制策略以及经济效益具有奠基性作用。

“TheMicrogridsProjeet”是欧盟“IntegrationofRES+DG”项目计划的一部分，在微型电网的运行、控制、保护、底层通讯、安全性与经济性分析、微电网平台验证等方面进行了开拓性研究，涉及微电网控制策略、网络结构设计以及多微电网的运行技术标准等，己形成了初步的理论体系。

欧盟最近还提出了多微电网计划，指出未来的配电网将是大量微电网的组合[2，3]。

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，为分布式电源与可再生能源的大规模接入以及传统电网向智能电网的初步过渡做积极准备。

为了更好的研究微电网，日本专门成立了新能源与工业技术发展组织（NEDO），其目标主要定位于研究能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力需求等。

日本大大扩展了美国对微电网的定义范围，目前己在其国内建立了多个微电网工程。

日本在微电网的网架拓扑结构、集成控制、热电冷综合利用等方面开展了一系列研究，为基于可再生电源的大规模独立系统的应用提供了广阔的发展空间。

此外，有日本学者提出了灵活可靠性和智能能量供给系统，其主要思想是在配电网中加入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，以实现对配电网能源结构的优化。

目前世界上针对微电网的研究，还限于微电网的内部运行机制，提出的主要控制措施集中在微电网内频率与电压的调节以及电力市场机制上，而在微电网的稳定性分析、安全与自动保护措施、独立运行机制、多微电网运行机制等方面还有很多问题需要解决。

我国对微电网的研究尚处于起步阶段，在国家科技部“863计划先进能源技术领域2007年度专题课题”中已近包括了微电网技术。

目前我国诸多高校和科研院所相继开始了对微电网的研究。

清华大学、中国科学与辽宁高科技能源集团合作，在我国率先将微电网应用到实际工程中，积累了丰富的实践经验和学术成果。

中国科学院电工所的研究课题“分布式能源系统微电网技术研究”获得863高技术基金的资助，天津大学的研究课题“分布式发电功能系统相关基础研究获得了国家973计划项目的资助。

目前国内对微电网的研究取得了一定的进展，但与欧洲、美国及日本等由研究机构、制造商和电力公司组成的庞大研究团队相比，我国在研究力量和取得的成果上仍与之存在较大差距。

我国有必要进一步开展微电网关键技术的研究，促进微电网在我过的应用

2.微电网实验系统结构特征

2.1直流微电网

直流微电网的结构如图

（1）所示，其特征是系统中的DG、储能装置、负荷等均通过电力电子变换装置连接至直流母线，直流网络再通过逆变装置连接至外部交流电网。

直流微电网通过电力电子变换装置可以向不同电压等级的交流、直流负荷提供电能，DG和负荷的波动可由储能装置在直流侧补偿。

图

（1）直流微电网结构图

相比于交流微电网，直流微电网由于各DG与直流母线之间仅存在一级电压变换装置，降低了系统建设成本，在控制上更易实现；同时，由于无需考虑各DG之间的同步问题，在环流抑制上更具优势。

2.2交流微电网

目前，交流微电网仍然是微电网的主要形式，其典型结构如图

（2）所示。

在交流微电网中，DG、储能装置等均通过电力电子装置连接至交流母线，通过对公共连接点（PCC）端口处开关的控制，可实现微电网并网运行与孤岛运行模式的转换。

图

（2）交流微电网结构图

2.3交直流混合微电网

交直流混合微电网结构图如图（3）所示。

微电网中既含有交流母线又含有直流母线，既可以直接向交流负荷供电又可以直接向直流负荷供电，因此可称为交直流混合微电网。

但从整体结构分析，实际上仍可看做是交流微电网，直流微电网可看做是一个独特的电源通过电力电子逆变器接入交流母线。

图（3）交直流混合微电网结构图

2.4简单结构与复杂结构微电网实验系统

2.4.1简单结构微电网

所谓简单结构微电网，是指系统中DG的类型和数量较少、控制和运行比较简单的微电网。

如图（4）所示。

图（4）简单结构微电网

2.4.2复杂结构微电网

所谓复杂结构微电网，是指系统中DG类型多、DG接入系统的形式多样、运行和控制相对复杂的微电网。

如图（5）给出了可称为复杂结构的德国DeMotec微电网实验系统。

图（5）DeMotec微电网结构

在复杂结构微电网中含有多种不同电气特性的DG，具有结构上的灵活多样性。

但对控制提出了相对较高的要求，需要保证微电网在不同运行模式下安全、稳定运行。

3微电网实验系统的控制模式

3.1主从控制模式

所谓主从控制模式，是指在微电网处于孤岛运行模式时，其中一个DG（或储能装置）采取定电压和定频率控制（简称V/f控制），用于向微电网中的其他DG提供电压和频率参考，而其他DG则可采用定功率控制（简称PQ控制），如图（6）所示。

采用V/f控制的DG（或储能装置）控制器称为主控制器，而其他DG的控制器则称为从控制器，各从控制器将根据主控制器来决定自己的运行方式。

图（6）主从控制微电网结构

适于采用主控制器控制的DG需要满足一定的条件。

在微电网处于孤岛运行模式时，作为从控制单元的DG一般为PQ控制，负荷变化主要由作为主控制单元的DG来跟随，因此要求其功率输出应能够在一定范围内可控，且能够足够快地跟随负荷的波动。

在采用主从控制的微电网中，当微电网处于并网运行状态时，所有DG一般都采用PQ控制，而一旦转入孤岛模式，则需要作为主控制单元的DG快速由PQ控制模式转换为V/f控制模式，这就要求主控制器能够满足在2种控制模式间快速切换的要求。

3.2对等控制模式

所谓对等控制模式，是指微电网中所有DG在控制上都具有同等的地位，各控制器间不存在主、从的关系，每个DG都根据接入系统点电压和频率的就地信息进行控制，如图（7）所示。

图（7）对等控制的微电网结构

对于这种控制模式，DG控制器的策略选择十分关键，一种目前备受关注的方法就是Droop控制方法。

对于常规电力系统，发电机输出的有功功率与系统频率、无功功率和端电压之间存在一定的关联性：

系统频率降低，发电机的有功功率输出将加大；端电压降低，发电机输出的无功功率将加大。

DG的Droop控制方法主要也是参照这样的关系对DG进行控制，典型的Droop特性如图（8）所示。

图（8）P-f和Q-V下垂特性曲线

在对等控制模式下，当微电网运行在孤岛模式时，微电网中每个采用Droop控制策略的DG都参与微电网电压和频率的调节。

在负荷变化的情况下，自动依据Droop下垂系数分担负荷的变化量，亦即各DG通过调整各自输出电压的频率和幅值，使微电网达到一个新的稳态工作点，最终实现输出功率的合理分配。

显然，采用Droop控制可以实现负载功率变化在DG之间的自动分配，但负载变化前后系统的稳态电压和频率也会有所变化，对系统电压和频率指标而言，这种控制实际上是一种有差控制。

与主从控制模式相比，在对等控制中的各DG可以自动参与输出功率的分配，易于实现DG的即插即用，便于各种DG的接入，由于省去了昂贵的通信系统，理论上可以降低系统成本。

同时，由于无论在并网运行模式还是在孤岛运行模式，微电网中DG的Droop控制策略可以不加变化，系统运行模式易于实现无缝切换。

在一个采用对等控制的实际微电网中，一些DG同样可以采用PQ控制，在此情况下，采用Droop控制的多个DG共同担负起了主从控制器中主控制单元的控制任务：

通过Droop系数的合理设置，可以实现外界功率变化在各DG之间的合理分配，从而满足负荷变化的需要，维持孤岛运行模式下对电压和频率的支撑作用等。

3.3分层控制模式

分层控制，是指将管理组织分为不同的层级，各个层级在服从整体目标的基础上，相对独立地开展控制活动。

电力系统分层控制，根据电力系统管理体制、组织、电网结构和电压等级，各级调度按职责和任务及其管辖范围，对电网的有功-频率、无功-电压、线路潮流进行的控制和管理。

分层控制模式一般都设有中央控制器，用于向微电网中的DG发出控制信息。

如图（9）提供了一种微电网的2层控制结构。

中心控制器首先对DG发电功率和负荷需求量进行预测，然后制定相应运行计划，并根据采集的电压、电流、功率等状态信息，对运行计划进行实时调整，控制各DG、负荷和储能装置的启停，保证微电网电压和频率的稳定，并为系统提供相关保护功能。

图（9）2层控制微电网结构

在上述分层控制方案中，各DG和上层控制器间需有通信线路，一旦通信失败，微电网将无法正常工作。

如图（10）为弱通信联系的分层控制方案。

在这一控制方案中，微电网的暂态供需平衡依靠底层DG控制器来实现，上层中心控制器根据DG输出功率和微电网内的负荷需求变化调节底层DG的稳态设置点并进行负荷管理，即使短时通信失败，微电网仍能正常运行。

图（10）弱通信联系的2层控制结构

在欧盟多微电网项目“多微电网结构与控制”中，提供了3层控制结构，方案如图（11）所示。

最上层的配电网络操作管理系统主要负责根据市场和调度需求来管理和调度系统中的多个微电网；中间层的微电网中心控制器（MGCC）负责最大化微电网价值的实现和优化微电网操作；下层控制器主要包括DG控制器和负荷控制器，负责微电网的暂态功率平衡和切负荷管理。

整个分层控制采用多代理（Agent）技术实现。

图（11）欧盟微电网3层控制方案

4微电网发展的关键技术

4.1大电网应对微电网接入的关键问题

微电网接入大电网后，将对大电网的规划、运行、保护等方面带来深刻影响。

开展微电网与大电网相互作用的研究，对揭示二者相互影响的作用规律及机理，进而提出微电网与大电网在规划、运行、保护等方面的改进措施具有重要意义，能够为新型电网系统进行的技术升级和改造提供有力的理论依据。

4.1.1大电网与微电网相互作用的机理

在微电网和大电网并联运行中，微电网对大电网所表现的电气特性较复杂。

目前中国在这二者作用机理方面的研究基本处于起步阶段，拟研究的主要课题包括：

微电网稳、暂态运行特性的理论分析及建模方法的研究；微电网对大电网的电压、功角和频率稳定运行的作用机理和对应措施的研究；微电网与大电网控制系统及故障过程相互作用机理的研究和微电网所引起的大电网电能质量的研究。

高渗透率下微电网与大电网相互作用机理研究的目的就是要揭示出二者相互作用的本质，发展相关的理论和方法，为含微电网大电网系统的稳定性分析与控制奠定理论基础。

4.1.2含有微电网的大电网规划设计

微电网的接入大电网会对传统的配电系统规划产生巨大的影响，原有的将配电系统作为无源系统进行规划的方法已不再适应新环境下系统规划的要求。

在对新型电力网络进行规划设计时，主要的问题和有待研究的内容为：

1）对于配电系统来说，微电网可以看成一个“负荷”，但是又不同于传统的负荷，其负荷量的随机性变化很大，因而微电网的接入使得配电系统的负荷预测更加困难。

2）在含微电网的配电网中可能存在大量随机性“电源”，因而在新型配电网规划中，“电源”规划成为一个重要内容，包括微电网的类型、接入位置和容量等。

3）传统的配电网网架结构主要包括放射式接线、树干式接线和环网式接线方式，其形式主要取决于对供电可靠性的要求。

微电网接入后，用户的选择性增多，用户可以根据对可靠性的不同要求自行选择供电方式，这样增大了网架规划的难度；另外，由于微电网中存在大量的随机性电源，在含微电网的配电网中会产生大量的随机性潮流，为满足这种随机功率的传输，需要研究现有的配电网能够承载多大的随机功率，若不能满足要求，应如何改造。

4）大部分微电源的有功出力具有随机变化的特点，它们给微电网的无功优化带来了更多的不确定因素，在无功优化模型中必须分情况对待各种微电源。

5）微电网的经济效益评估和量化是微电网吸引力的最直接表达。

随着微电网研究的深入与成熟，微电网经济效益的不确定性必将成为阻碍其发展的重要因素。

因此，建立含微电网的配电网评估体系十分必要。

4.1.3含微电网的大电网运行策略

对包含微电网的大电网运行策略进行研究，需要从以下6个方面展开：

含微电网的大电网短期负荷预测方法；含微电网的大电网调度技术与规范；含微电网的大电网经济运行策略；含微电网的大电网电能质量问题；微电网并网技术与规范；含微电网的大电网安全紧急控制策略。

4.1.4含微电网的大电网保护构建策略

根据含有微电网的大电网保护在实际应用中面临的理论和技术问题，进而开展的课题研究主要集中在不同类型微电网短路电流的特性研究与仿真计算模型的建立、新型大电网保护系统的构建及整定计算原则的研究，以及大电网保护与微电网保护的协调配合机制的研究等关键基础性问题方面。

4.1.5微电网与大电网的电能交易模式

接入微电网后，电力市场中的交易模式、竞价机制等都将发生变化，形成一种新的格局：

一方面，DG作为微电网的重要组成部分，将使电力公司与用户之间形成一种新型关系，用户可以从电力公司买电，也可以在自发自用的基础上，将自己拥有的DG的剩余电能卖给电力公司或为电力公司有偿提供削峰、紧急功率支持等服务；另一方面，微电网并网运行时参与大电网竞争，必将对原有的电力市场交易模式产生影响。

4.1.6大电网应对微电网接入标准的制订

基于对微电网接入后对大电网的安全稳定和运行控制所带来的问题，以保证大电网的运行安全为目标，有必要制订一系列的微电网并网标准，规范微电网在并网过程及并网运行中的电气操作，使对大电网造成的冲击达到最小。

在微电网的标准体系结构中，主要内容涉及很多，例如组成微电网的装置设备规范、微电网的规划设计标准、微电网自治运行原则和微电网的并网运行规范等。

从中国对微电网的理解及今后建设使用的方向看，微电网的主要功能将体现在对清洁能源的利用、缓解国家的能源危机、对大电网的支撑等方面，即微电网与大电网并网运行应该是微电网的主要运行方式，孤岛自治运行只是作为一种保护关键负荷的紧急运行状态。

所以，大电网对微电网的并网标准应该是微电网标准体系建立中最重要和优先考虑的。

微电网在规划设计和设备的选型购置过程中，就应该考虑大电网对微电网的一系列要求。

4.2微电网中的关键问题

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

微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（EnergyManagementSystem，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（HeatingVentilationandAirConditioning,HVAC）等过程控制系统，未来的EMS有可能成为这些系统以及当地发电、储能等的总调度系统。