微電網(wǎng)在我國(guó)電網(wǎng)的應(yīng)用前景

李 敏，吳明鋒

（1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

為應(yīng)對(duì)全球氣候惡化和保護(hù)環(huán)境的需求，全球能源技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注研究的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等新能源領(lǐng)域。我國(guó)在“十二五”期間制定了節(jié)能減排、發(fā)展新能源的戰(zhàn)略目標(biāo)，這是環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排和可持續(xù)性發(fā)展的要求。

微電網(wǎng)技術(shù)（Microgrid）是為滿足各種新能源發(fā)展需求，在近年以來(lái)興起的一種新型電網(wǎng)模式，它包含先進(jìn)的通信技術(shù)、傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)、測(cè)量技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。目前，美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)有了非常成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。微電網(wǎng)作為大電網(wǎng)的有效補(bǔ)充與支持，已經(jīng)引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，將其應(yīng)用于我國(guó)電網(wǎng)不僅可以提高整個(gè)系統(tǒng)的智能化與自動(dòng)化程度，而且可以帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 我國(guó)電網(wǎng)的建設(shè)及面臨的挑戰(zhàn)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，為了滿足電力需求的快速增長(zhǎng)，加強(qiáng)國(guó)家電網(wǎng)的建設(shè)，國(guó)家電網(wǎng)公司提出了特高壓建設(shè)的構(gòu)想，成為我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的一大亮點(diǎn)，并取得了一批國(guó)際領(lǐng)先的成果。

自從上個(gè)世紀(jì)開(kāi)始，美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本、意大利等國(guó)家先后開(kāi)展了特高壓輸電技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)[1]；前蘇聯(lián)建成了長(zhǎng)達(dá)2 362 km的1 150 kV特高壓交流輸電線路，意大利和日本也先后建成了特高壓試驗(yàn)工程；國(guó)際經(jīng)驗(yàn)表明，發(fā)展特高壓輸電，在技術(shù)上沒(méi)有難以克服的障礙，在工程上已具備實(shí)際應(yīng)用的條件。

我國(guó)對(duì)特高壓輸電技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過(guò)20多年的努力，取得了一批重要科研成果。研究表明，發(fā)展特高壓輸電是中國(guó)電力工業(yè)發(fā)展的必然選擇。

我國(guó)2009年已經(jīng)建成了目前世界上輸送能力最大、代表國(guó)際輸變電技術(shù)最高水平的1 000 kV晉東南—南陽(yáng)—荊門輸變電示范工程，2010年建成了上?！?00 kV高壓直流示范工程。特高壓設(shè)備研制取得重大突破，特高壓標(biāo)準(zhǔn)化工作居于領(lǐng)先水平，我國(guó)提出的特高壓交流1 100 kV電壓已被國(guó)際電工委員會(huì)和國(guó)際大電網(wǎng)組織推薦為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)電壓；國(guó)家電網(wǎng)公司向國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化管理局提出的高壓直流輸電新技術(shù)委員會(huì)已經(jīng)成立。

雖然國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)在大電網(wǎng)方面取得了驕人的成績(jī)，但面對(duì)全球氣候持續(xù)變暖和環(huán)境惡化的現(xiàn)狀，包括我國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)不得不重新考慮能源戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)移問(wèn)題，盡可能地減少煤炭、石油等不可再生能源的利用，減少氣體排放，發(fā)展以風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能為代表的新能源。由于這些可再生的新能源發(fā)電容量都相對(duì)較小，多數(shù)分布在電網(wǎng)末梢或用戶的供電網(wǎng)絡(luò)，形成了用戶和分布式發(fā)電的局部供電網(wǎng)絡(luò)，即微型電網(wǎng)。在發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展新能源戰(zhàn)略起步較早，微電網(wǎng)的發(fā)展及應(yīng)用也相對(duì)成熟，而在我國(guó)微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展則相對(duì)落后。

2 微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

微電網(wǎng)不僅解決了分布式電源DERs（Distributed Energy Resources） 的大規(guī)模接入的難題，而且充分發(fā)揮了分布式電源的優(yōu)勢(shì)，并為用戶和電網(wǎng)企業(yè)帶來(lái)了多方面的效益。

2.1 微電網(wǎng)的概念

微電網(wǎng)從系統(tǒng)觀點(diǎn)來(lái)看，將發(fā)電機(jī)、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置及控制裝置等結(jié)合，形成一個(gè)單一可控的單元，同時(shí)向用戶供給電能和熱能；微電網(wǎng)中的電源多為微電源，亦即含有電力電子裝置界面的小型機(jī)組（小于100 kW），其中包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏電池以及超級(jí)電容、飛輪、蓄電池等儲(chǔ)能裝置；這些設(shè)備接在用戶側(cè)，具有低成本、低電壓、低污染，可以提高電能質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)[2]。

微電網(wǎng)不但可以與大電網(wǎng)互聯(lián)運(yùn)行，而且還可以在大電網(wǎng)故障或需要時(shí)與主網(wǎng)斷開(kāi)單獨(dú)運(yùn)行（孤島運(yùn)行）。它還具有雙重角色，對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)，微電網(wǎng)可以視為電力系統(tǒng)可控的單個(gè)“細(xì)胞”，例如，這個(gè)“細(xì)胞”可以被控制為一個(gè)簡(jiǎn)單的可調(diào)度負(fù)荷，并可以在數(shù)秒內(nèi)做出響應(yīng)以滿足系統(tǒng)的需要。增強(qiáng)局部供電可靠性，降低饋電的損耗，通過(guò)利用廢熱提高效率[2]。

此外，微電網(wǎng)還有兩個(gè)重要理念，一是緊緊圍繞整個(gè)系統(tǒng)能量需求的設(shè)計(jì)理念；二是向用戶提供多樣化電能質(zhì)量的供電理念。對(duì)于接入問(wèn)題，微電網(wǎng)的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只針對(duì)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)PCC（Point ofCommon Coupling），而不針對(duì)各個(gè)具體的微電源[3]。

2.2 微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

圖1顯示的是美國(guó)電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)CERTS（Consortium for Electric Reliability TechnologySolutions） 提出的微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)圖[3]。

圖1[4]包括3條饋線A、B和C及1條負(fù)荷母線，網(wǎng)絡(luò)整體呈輻射狀結(jié)構(gòu)；饋線通過(guò)主分隔裝置（通常是一個(gè)靜態(tài)開(kāi)關(guān)） 與配電系統(tǒng)相連，可實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行模式間的平滑切換；該開(kāi)關(guān)點(diǎn)即PCC所在的位置，一般選擇為配電變壓器的原邊側(cè)或主網(wǎng)與微電網(wǎng)的分離點(diǎn)，IEEE Draft Standard 1547標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)定:在PCC處，微電網(wǎng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)必須滿足預(yù)定的規(guī)范，負(fù)荷端的饋線電壓通常是480 V或更低。

圖1 CERTS提出的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖1還展示了光伏發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)及燃料電池等微電源，其中一些電源接在熱力用戶附近，為當(dāng)?shù)靥峁嵩碵5]。微網(wǎng)中配有能量管理器和綜合潮流控制器，能量管理器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)的綜合分析控制，而綜合潮流控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微電源的就地潮流控制。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，潮流控制器根據(jù)本地頻率和電壓信息進(jìn)行潮流調(diào)節(jié)，電壓和頻率過(guò)低，當(dāng)?shù)匚㈦娫聪鄳?yīng)增加其輸出功率；電壓和頻率過(guò)高，當(dāng)?shù)匚㈦娫聪鄳?yīng)減少其輸出功率，盡量保持功率就地平衡，減少對(duì)整個(gè)電網(wǎng)潮流分布的影響。

圖1還展示了針對(duì)三類具有不同供電質(zhì)量要求的負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的個(gè)性化微電源供電方案[6]。

a）對(duì)于連接在饋線A上的敏感負(fù)荷即要求較高的電能質(zhì)量，需要不間斷供電，采用光伏電池供電。

b）對(duì)于連接在饋線C上的可調(diào)節(jié)負(fù)荷，采用燃料電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)混合供電。

c）對(duì)于連接在饋線B上的可中斷負(fù)荷，沒(méi)有設(shè)置專門的微電源，而直接由配電網(wǎng)供電；這樣，對(duì)于敏感負(fù)荷和可調(diào)節(jié)負(fù)荷都是采用雙源供電模式，外部配電網(wǎng)故障時(shí)，饋線A、C上的靜態(tài)開(kāi)關(guān)會(huì)快速動(dòng)作，從而使重要負(fù)荷與故障隔離且不間斷向其正常供電，保證了其供電可靠性；而對(duì)于饋線B上的可中斷負(fù)荷，系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)功率平衡的需求，在必要時(shí)將其切除；這種分級(jí)的結(jié)構(gòu)從系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及實(shí)際的應(yīng)用來(lái)看是合理的，該結(jié)構(gòu)初步體現(xiàn)了微電網(wǎng)的基本特征，也揭示出微電網(wǎng)中的關(guān)鍵單元[7]：每個(gè)微電源的接口、控制；整個(gè)微電網(wǎng)的能量管理器，解決電壓控制、潮流控制和解列時(shí)的負(fù)荷分配、穩(wěn)定及所有運(yùn)行問(wèn)題；繼電保護(hù)，包括每個(gè)微電源及整個(gè)微電網(wǎng)的保護(hù)控制。

2.3 各國(guó)微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀

2.3.1 美國(guó)

美國(guó)最早提出了微電網(wǎng)概念，最近幾年，美國(guó)微電網(wǎng)研究一直在有條不紊地進(jìn)行著；其微電網(wǎng)研究項(xiàng)目主要受到了美國(guó)能源部（The Department of Energy）、加州能源委員會(huì)（California Energy Commision）的資助，研究的重點(diǎn)主要在如何滿足多種電能質(zhì)量的要求，如何提高供電的可靠性，以及如何降低成本和實(shí)現(xiàn)智能化等方面[7]。

1999年[8]，可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)CERTS（the Consortium for Electric Reliability Technology Solutions）第一次對(duì)微電網(wǎng)在可靠性、經(jīng)濟(jì)性及其對(duì)環(huán)境的影響等方面進(jìn)行了研究；在2002年，較為完整全面的微電網(wǎng)概念被提出來(lái)，CERTS給出的微電網(wǎng)定義是微電網(wǎng)是一種由負(fù)荷和微型電源共同組成的系統(tǒng)，它可同時(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，并提供必要的控制；微電網(wǎng)相對(duì)于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時(shí)滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電安全等方面的要求[8]。美國(guó)北部電力系統(tǒng)承建了首個(gè)微電網(wǎng)示范工程，和世界上其他微電網(wǎng)項(xiàng)目一樣，CERTS的微電網(wǎng)考慮的也是當(dāng)微電網(wǎng)和主網(wǎng)因?yàn)楣收贤蝗唤饬袝r(shí)，微電網(wǎng)還能夠維持對(duì)自身內(nèi)部的負(fù)荷的電能供應(yīng)，直到故障排除；CETRS微電網(wǎng)所接入的分布式電源DERs都是峰值≤2 MW的小機(jī)組，這就避免了采用快速卻昂貴的控制措施，并且使得系統(tǒng)具有很好的魯棒性。

2.3.2 歐洲

歐洲D(zhuǎn)ERs的研究和發(fā)展主要考慮的是歐洲的環(huán)保要求和電網(wǎng)的穩(wěn)定以及有利于滿足能源用戶對(duì)電能質(zhì)量的多種要求等；智能微電網(wǎng)之所以被認(rèn)為是未來(lái)電網(wǎng)的有效支撐，它能很好地協(xié)調(diào)電網(wǎng)和DERs之間的矛盾，充分發(fā)揮DERs的優(yōu)勢(shì)；歐洲各國(guó)對(duì)微電網(wǎng)的研究越來(lái)越重視，近幾年來(lái)各國(guó)之間開(kāi)展了許多合作和研討。2005年，歐洲提出了智能電網(wǎng)（Smart Power Networks） 設(shè)想，歐盟微電網(wǎng)項(xiàng)目給出的定義是：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(chǔ)能裝置；使用電力電子裝置進(jìn)行能量調(diào)節(jié)[9]。歐洲提出通過(guò)電力電子設(shè)備將集中供電和分布式發(fā)電相結(jié)合，鼓勵(lì)社會(huì)參與微電網(wǎng)的建設(shè)。

2.3.3 日本

日本在微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)方面處于世界領(lǐng)先地位，日本政府十分希望可再生能源，如風(fēng)能和光伏發(fā)電能夠在本國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用，但是這些可再生能源的功率波動(dòng)性與電能質(zhì)量和供電的可靠性相矛盾；微電網(wǎng)能夠通過(guò)控制可再生能源的輸出和原動(dòng)機(jī)平衡負(fù)載的波動(dòng)來(lái)達(dá)到電網(wǎng)的能量平衡，例如，配有儲(chǔ)能設(shè)備的智能微電網(wǎng)能夠補(bǔ)償可再生能源斷續(xù)的能量供應(yīng)。因此，從大電網(wǎng)的角度看，該微電網(wǎng)相當(dāng)于一個(gè)恒定的負(fù)荷，即不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的潮流分布產(chǎn)生影響[10]。以上這些理念促進(jìn)了微電網(wǎng)在日本的發(fā)展，使日本的微電網(wǎng)研究對(duì)于儲(chǔ)能和控制特別重視；有日本學(xué)者提出了靈活可靠性和智能能量供給系統(tǒng)[11]FRIENDS（Flexible Reliability and Intelligent Electrical Energy Delivery System），利用柔性交流輸電系統(tǒng)元件快速靈活的控制性以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)能量結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

3 微電網(wǎng)在我國(guó)電力系統(tǒng)的應(yīng)用前景

通過(guò)以上的分析，我們可以看出，微電網(wǎng)在我國(guó)電力系統(tǒng)的應(yīng)用，特別是與現(xiàn)有網(wǎng)架的互補(bǔ)應(yīng)用，可以起到良好的效果，互相彌補(bǔ)各自不足，充分地發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。

微電網(wǎng)可以增強(qiáng)局部電網(wǎng)的供電可靠性。微電網(wǎng)既可以聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，又可以孤島運(yùn)行（Islanding Operation Mode），即脫離電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，能保證在極端惡劣天氣情況下或不可預(yù)知的情況下，即使主網(wǎng)出現(xiàn)故障，仍能持續(xù)對(duì)接在微電網(wǎng)用戶供電，提高其供電可靠性。

微電網(wǎng)是我國(guó)可再生能源接入電網(wǎng)的有效形式。最新的“十二五”規(guī)劃綱要提出建成5 GW風(fēng)電的發(fā)展目標(biāo)，在不久的將來(lái)會(huì)有光伏和風(fēng)電等諸多DERs不斷接入到電網(wǎng)中。微電網(wǎng)可以在中國(guó)未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

微電網(wǎng)自身是一個(gè)以分布式電源為基礎(chǔ)的獨(dú)立、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，伴隨微電網(wǎng)的大規(guī)模接入，會(huì)對(duì)大電網(wǎng)的暫態(tài)故障特性、潮流分布產(chǎn)生較大影響，需要從控制方案、電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、調(diào)度及保護(hù)配置等方面進(jìn)行相關(guān)研究，開(kāi)展大電網(wǎng)應(yīng)對(duì)微電網(wǎng)接入的策略體系研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的微網(wǎng)技術(shù)研究還處于起步階段，一些有關(guān)微電網(wǎng)的概念及其所包含的技術(shù)體系還有待進(jìn)一步完善，相關(guān)示范工程及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還有待實(shí)踐和制定。結(jié)合我國(guó)電力工業(yè)現(xiàn)狀，微電網(wǎng)可以在改善局部電網(wǎng)電能質(zhì)量、提高供電可靠性、新能源接入、建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)、滿足用戶多元化需求等方面與現(xiàn)有電網(wǎng)相互配合，互相補(bǔ)充，微電網(wǎng)技術(shù)必將在保證國(guó)家新能源發(fā)展戰(zhàn)略的順利實(shí)施中發(fā)揮重要作用。

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