以分布式电源为主的微电网综述

以分布式电源为主的微电网综述摘要：以分布式电源为主要单元的微电网作为建设坚强智能电网的重要组成部分，受到各国的关注。在这一方面的研究，各国都已做出了不少的工作。本文首先介绍微电网的概念和结构，然后介绍美国、欧洲、日本等国的研究、发展现状。其次，本文给出现阶段微电网的运行、保护方面的研究概况。最后，结合中国的电力发展，对微电网在中国的应用进行探究。关键词：分布式发电；微电网；战略；关键问题；示范1微电网基本概念1.1从分布式到微电网随着国民经济的快速发展，电力需求也增长迅速，电网结构日益复杂，集中式发电，大电网远距离传输的传统电网结构也面临着越来越多的挑战，成本高，运行难度大，难以适应用户对高质量、高可靠性电能的要求和多样化供电的需求。21世纪头十年的多次大范围、大规模停电也让人们意识到需要一些其他的电力系统发展模式来应对问题，从而使电网运行的更安全，更经济高效。坚强可靠经济的智能电网成为未来电网的理想模型，而以分布式电源为主要单元的智能电网作为智能电网的重要组成部分，也受到人们越来越多的关注。分布式发电（distributedgeneration,DG）也称分散式发电或分布式供能,一般指将相对小型的发电装置(一般50MW以下)分散布置在用户(负荷)现场或用户附近的发电(供能)方式。分布式电源位置灵活、分散的特点极好地适应了分散电力需求和资源分布,延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资,同时,它与大电网互为备用也使供电可靠性得以改善。但分布式电源单机接入成本高，控制困难，对大电网来说是一个不可控源，大系统对分布式电源往往采取限制、隔离的控制方式处理，以减小分布式电源对大电网的冲击。IEEEP1547对分布式电源的入网有规定，当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行。这限制了分布式电源的的作用，为使用分布式电源的效益，学者提出了微电网的概念。微电网从系统的角度看，是将电源、负荷、储能设施和控制装置结合起来，形成一个单一可控的单元，同时向用户提供电能和热能。微电网中的电源多为分布式微电源,即含有电力电子界面的小型机组(小于100kw),包括微型燃气轮机、分散风电机组、燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置。它们接在用户侧,具有低成本、低电压、低污染等特点。微电网既可与大电网联网运行,也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。在接入大电网时，微电网只需满足微电网和大电网的公共连接点（pointofcommoncoupling,PCC）的入网标准，而对各个具体电源无要求。微电网既可以解决分布式电源的大规模接入问题，充分发挥分布式电源的各项优势，也可以满足用户对电能的多样化需求。1.2微电网的基本结构微电网的基本结构如下图所示，图中包含了多个DG和储能元件，负荷由这些微电源和元件联合供电，整个微电网相对大电网来说是一个完整的单元，通过一个断路器和上级电网的变电站相连接。微电网内的DG可以含有多种能源形式，包括可再生能源发电(如风力发电等)、常规不可再生能源发电(如微型燃气轮机等)、有时出于经济因素、地区因素或为了提高能源多级利用率还可通过热电联产或是冷热电联产的形式向负荷用户供热或制冷。图1是美国电力可靠性技术解决方案协会（CETRS）提出的微电网基本机构。图中微电网包括3条馈线A、B和C，整个网络呈放射状。馈线通过微电网主隔离装置(一般是静态开关)与配电系统相连，可实现孤网与并网运行模式间的平滑无缝转换。其中A和B为敏感负荷(重要负荷)，安装多个DG，馈线A中含有一个运行于热电联产的DG，该DG向用户提供热能和电能。”馈线C为非敏感性负荷，孤网运行时，当系统过负荷时，可以切断C线，停止对非重要负荷供电，进行调节。当外界大电网出现故障或产生电力不达标时，微电网可通过切断主断路器（开关），解除与大电网的联系，孤网运行。此时，微电网的负荷全部来自DG，而馈线C可继续通过母线得到来自主网的电能并维持正常运行。当情况正常且需要时，重新合上主断路器，微电网重新恢复和主电网功角同步运行，保证系统平稳过渡到并网运行状态。图1CETRS提出的微电网基本结构（选自参考文献[1]）微电网虽然是以DG为主的供电形式，但不是电力系统发展初期的鼓励系统的简单回归。微电网中采用了大量先进的现代电力电子技术、和多样化的储能装置，是对可再生能源的一种非常好的使用方式。微电网和大电网是有机整体，可以灵活连接、断开，智能性和灵活性是原始孤立系统无法比拟的。2主要国家对微电网的研究、发展概况负荷的持续增加，如何高效的使用清洁能源，满足用户对高质量、多样化电能供应的需求是各国电力工业共同面临的挑战。微电网对分布式电源（主要是可再生能源）的有效利用和灵活、智能的特点吸引了研究者的目光。目前，很多多国家都已立足于本国电力系统和国家可持续发展能源目标，开展了自己的技术研究并相继建立了示范工程。2.1美国微电网的研究美国CERTS最早提出了微电网的概念，并且是众多微电网概念中最权威的一个。美国CERTS提出的微电网主要由基于电力电子技术，且容量小于等于500kw的小型微电源与负荷构成，并引入了基于电力电子技术的控制方法。电力电子技术是美国CERTS微电网实现智能灵活控制的重要支撑，美国CERTS微电网正是基于此形成了即插即用(plugandplay)和对等(peertopeer)控制思想与理论。目前美国CETRS微电网的初步理论成果已在实验室微电网平台上得到了成功检验，由美国北部电力系统承建的MadRiver微电网是美国第一个微电网示范工程，可用于检验微电网的建模、仿真方法并有助于研究微电网的保护、控制策略等研究工作。2.2日本微电网的研究受制于紧缺的国内能源而负荷又在日益增大的现状，日本将美国CERTS的理念进一步扩转，强调能源供给多样化、减少污染、满足客户个性化电力需求。日本对于微电网的研究非常重视，日本学者还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人一些灵活交流输电系统(FACTS)装置，利用FACTS控制器快速灵活的控制性能，实现对配电网能源结构的优化，并满足用户的多种电能质量需求。日本专门成立了新能源与工业技术发展组织（NEDO）统一协调国内高校、企业和国家重点实验室对新能源及应用的研究。NEDO在2003年的“RegionalPowerGridwithRenewableEnergyResourcesProject”项目中开始了三个微电网的试点项目，这三个测试平台都倾向于可再生能源和本地配电网间的互联。2.3欧洲微电网的研究欧洲于2005年提出“SmartGrid”计划，并在2006年楚天该计划的技术实现方略。该计划指出未来欧洲电网需具备1，灵活性；2，可接入性；3，可靠性；4，经济性。为此，欧洲电网提出要充分利用分布式能源、智能技术、先进电力电子技术等实现集中供电与分布式发电的高效紧密结。微电网以其智能性、灵活性、能量利用多样化等特点成为欧洲未来电网的重要组成部分。目前，欧洲已初步形成了微电网的运行、控制、保护、安全及通信等理论,并在实验室微电网平台上对这些理论进行了验证。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。3微电网的运行和控制3.1微电网的运行方式微电网的运行方式按与外部电网的关系分为并网运行和孤网运行。（1）并网运行模式当微电网和外部电网并网运行时,二者简单说呈“互补”的关系。“并网运行时，微电网通过PCC点与大电网相连，与大电网有功率交换。”当负荷大于分布式电源所能提供的电量时，微电网就从大电网吸收部分功率；反之，当负荷小于分布式电源提供的电量时，微电网就借助大电网输送多余的电能。（2）孤网运行模式当微电网不能提供满足质量要求的电能时或电网出现故障,微电网断开与大电网的连接,，独立运行或检修，称为计划外的孤网运行。当出于经济性因素和其他方面的考虑，微电网主动断开与大电网的连接，独立运行，称为计划内的孤网运行。3.2微电网的控制3.2.1微电网的控制目标微电网的控制目标主要是：（1）“调节微电网的馈线潮流，对无功和有功进行独立解耦控制；（2）可以调节每个微型电源接口处的电压，保证电压稳定；（3）孤网运行时，保证每个微型电源能快速响应，分担用户负荷；（4）根据故障情况或系统需要，平滑自主地与主网分离、并列或是处于过渡过程。”3.2.2微电网的控制方式目前，主要的微电网控制方法主要有：（1）基于电力电子技术的“即插即用”和“对等”控制思想的控制。该方法根据微电网控制目标，灵活选择与传统发电机相似的下垂特性曲线作为微型电源的控制方式，利用频率有功下垂曲线将系统不平衡的功率动态分配给各机组来承担，保证孤网下微电网内电力供需平衡和频率的统一，具有简单可靠的特点。但是目前，该方法还没有考虑到系统电压与频率的恢复问题，即传统发电机的二次调频问题。因此，当微电网遭受到严重的破坏或是干扰时，系统很难保证频率质量。（2）基于功率管理系统的控制。该方法采用不同的控制模块对有功、无功分别进行控制，较好地满足了微电网P/Q，U/F等多种控制方式的要求，尤其是在调节功率平衡时。加入了频率恢复算法，可以很好地满足频率质量的要求。另外，针对微电网中对无功的不同需求，功率管理系统采用了多种控制方法并加入无功补偿器，进而提高了控制的灵活性并提高了控制性能。但该方法尚未考虑含有励磁系统和调速系统的常规发电机与含电力电子接口的分布式发电系统间的协调控制。（3）基于多代理技术的微电网控制方法。该方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微电网控制系统。代理的自治性、响应能力、自发行为等特点正好满足微电网分散控制的需要，提供一个能够嵌入各种控制且无需管理者经常参与的系统。以典型的AEN的三级控制结构为例，一级保证微电网可靠运行，从而满足供需平衡；二级结构优化电能质量并减少电压、频率波动；三级结构经济优化即边际成本等值优化。但是，目前多代现技术在微电网中的应用多集中于对微电网中频率、电压等进行控制的基础。要使多代理技术在微电网的控制中发挥更大的作用，还需大量的研究工作。3.3微电网的继电保护问题微电网的保护与传统电网的保护有着根本不同：（1）潮流的双向流通；（2）微电网在并网和孤网两种运行情况下，由于馈线上分布着多个分布式发电系统，短路电流大小有很大不同。当考虑到经济因素时，微电网的操作可能会很多，因而对微电网的继电保护变得非常重要，而难度也相应增大，继电器要满足最基础的：有明确的方向性，在正方向故障时，可靠动作，反方向故障时，可靠不动作；动作要有足够灵敏度，避免小故障引发大危险。3.4微电网的接入问题微电网的接入、断开对大电网也会造成不小的影响，必须有相应的规定。目前，IEEF应经重新修改了分布式电源的入网标准。在新标准中的IEEE1547.4对分布式独立电力系统的设计、运行及接入系统的导则进行了详细规定。4微电网在中国的发展前景微电网的特点适应我国电力行业发展的需求，我国发展微电网具有很大的应用价值：（1）以光伏、风能、生物能为主的可再生能源发电形式将是微电网的重要电源组成部分。“中国可再生能源的发展潜力十分巨大。据专家估计中国新能源和可再生能源的可获得量是每年97.310t标准煤,而现在每年的开发量不足7410t标准煤。中国制定的2020年可再生能源发展目标也已将可再生能源发电的装机容量定位为100GW。”但是可再生能源对应的机组容量小，受外界影响大导致功率不稳定，无法确保单独向负荷提供持续、可靠的电力，同时电压的波动性也影响系统安全。“若能将负荷点附近的分布式能源发电技术、储能及电力电子控制技术等很好地结合起来构成微电网，则可再生能源将充分发挥其重要潜力。”(2)微电网在提高中国电网的供电可靠性、改善电能质量方面都起着重要作用。我国经济在快速发展，电力是必不可少的助推剂，微电网可根据用户对电力供给的不同需求将负荷分类，从而在最合适的情况下向客户提供个性化的供电。例如以照明为主的大多数负荷对电能质量要求不高，而医疗、军事等对电能质量