微網(wǎng)技術(shù)綜述

葛志超，方念，楊凡凡，黃成思，陳丹霏

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

微網(wǎng)技術(shù)綜述

葛志超，方念，楊凡凡，黃成思，陳丹霏

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

介紹了研究微網(wǎng)的意義、微網(wǎng)的定義、微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，討論了研究微網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)問題，包括控制技術(shù)、保護(hù)策略等。最后指出目前微網(wǎng)研究上的一些缺陷和不足，指出將來微網(wǎng)研究的方向，應(yīng)該給微網(wǎng)作出統(tǒng)一定義，規(guī)劃統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，得出統(tǒng)一保護(hù)方案及配置，為前期微網(wǎng)的研究工作做好準(zhǔn)備。

微網(wǎng)技術(shù);控制;運(yùn)行;保護(hù)

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，尋找高效環(huán)保的新能源已成為當(dāng)今學(xué)者研究的主要課題之一。近年來用隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用電負(fù)荷的不斷增加，傳統(tǒng)電網(wǎng)的弊端也日益凸現(xiàn)，這使得電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性下降［1，2］，供電質(zhì)量得不到很好的保障。在世界范圍內(nèi)接連發(fā)生的幾次大面積停電事故更加凸顯了電力系統(tǒng)集中式發(fā)電的運(yùn)行難度大、難以滿足用戶對電能質(zhì)量的更高要求等弊端［3］，針對以上問題，發(fā)達(dá)國家如德國、日本、美國甚至包括一些發(fā)展中國家開始研究并應(yīng)用多種一次能源形式結(jié)合、高效、經(jīng)濟(jì)的新型電力技術(shù)——分布式發(fā)電技術(shù)DG［4－6］。分布式發(fā)電開始發(fā)展并受到重視，在這樣的背景下，美國威斯康辛大學(xué)的R．H．Lasseter于2001年在文獻(xiàn)［7］中首先提出微網(wǎng)的概念。

微網(wǎng)概念的提出主要是解決大規(guī)模、多樣化分布式電源并網(wǎng)在技術(shù)上、市場上和政策上帶來的問題，以發(fā)揮分布式發(fā)電技術(shù)在經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境中的優(yōu)勢［3］，以便最大化接納分布式電源，更好的滿足電力用戶對電能質(zhì)量和供電可靠性的要求。因此，微網(wǎng)的研究與發(fā)展是對分布式發(fā)電大量接入電網(wǎng)的必然選擇。與傳統(tǒng)的集中式能源系統(tǒng)相比，微網(wǎng)接近負(fù)荷，無需遠(yuǎn)距離高壓或超高壓輸電，不僅可以減少線路損耗，而且節(jié)省建設(shè)投資和運(yùn)行所需的費(fèi)用。微網(wǎng)以非集中程度更高的方式協(xié)調(diào)分布式電源，因而可以減輕電網(wǎng)控制的負(fù)擔(dān)并能完全發(fā)揮分布式電源的優(yōu)勢［8］。但是，微網(wǎng)的發(fā)展還有很多技術(shù)上的難題，例如微網(wǎng)的運(yùn)行與控制、功率平衡問題，電能質(zhì)量問題以及微網(wǎng)的保護(hù)等。很多學(xué)者對這些問題做了研究，但仍有許多工作需要完成，其中最有難度的工作是微網(wǎng)的保護(hù)問題［9，10］。由于 DG 的接入，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護(hù)方法顯然無法適用，必須研究新的保護(hù)方法來適應(yīng)微網(wǎng)。因此微網(wǎng)的研究具有很大的價值及意義。

2 微網(wǎng)研究的定義和微網(wǎng)的特點(diǎn)

目前對微網(wǎng)的研究正處于初步的前期階段。從微網(wǎng)的概念提出至今，國際上并沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。相對獲得學(xué)術(shù)界和工業(yè)界認(rèn)可的定義主要有三種:美國電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(CERTS)給出的定義、歐盟微網(wǎng)項目(European Commission Project Microgrids)的定義及美國威斯康辛麥迪遜分校的R．H．Lasseter給出的微網(wǎng)概念，其中美國電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(CERTS)提出的一種微網(wǎng)定義是眾多微網(wǎng)概念中最權(quán)威的［11］:微電網(wǎng)是由微型電源和負(fù)荷一起組成的小型系統(tǒng)，它對用戶提供電能和熱量;微網(wǎng)內(nèi)部電源的能量轉(zhuǎn)換大多由電力電子設(shè)備負(fù)責(zé)，同時要有控制設(shè)備對其進(jìn)行控制;微網(wǎng)相對于大系統(tǒng)可看成為單一可控的單元，在滿足供電可靠性、安全性的要求的前提下，為用戶提供優(yōu)質(zhì)電能。從系統(tǒng)的角度出發(fā)，微網(wǎng)是將DG、各類負(fù)荷、控制裝置及儲能設(shè)備相結(jié)合，構(gòu)成的單一可控又可獨(dú)立運(yùn)行的單元。微網(wǎng)中電源稱為微電源，主要利用可再生能源進(jìn)行發(fā)電，包括光伏發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電和生物質(zhì)能等，它們接在用戶側(cè)，具有經(jīng)濟(jì)效益好、電壓低、功率小和污染少等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，微網(wǎng)更具靈活性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性。而其包容性、定制性、自治性等特點(diǎn)是微網(wǎng)重點(diǎn)發(fā)展的方向。

3 微網(wǎng)的基本構(gòu)成

圖1所示為一種典型的微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)。該微網(wǎng)包括各種分布式電源、3條饋線和1條負(fù)荷母線，整體為輻射狀結(jié)構(gòu)，整個微網(wǎng)通過一個斷路器和大系統(tǒng)相連，控制系統(tǒng)根據(jù)實際情況控制該斷路器實現(xiàn)微網(wǎng)的孤島運(yùn)行或并網(wǎng)運(yùn)行。圖中展示的分布式電源包括光伏發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)和儲能電池等，其中一些接在熱力用戶附近，為用戶提供熱能。其中饋線A、B是敏感負(fù)荷，饋線C為非敏感負(fù)荷，饋線C可在孤島運(yùn)行時內(nèi)部過負(fù)荷情況下切除。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時，微網(wǎng)中的潮流控制器會根據(jù)測量的頻率和電壓信息對潮流進(jìn)行調(diào)節(jié)，相應(yīng)增加或減少當(dāng)?shù)匚㈦娫垂β瘦敵鲆跃S持功率平衡。此外，微電網(wǎng)采用了大量先進(jìn)的現(xiàn)代電力電子技術(shù)，而傳統(tǒng)系統(tǒng)不具有這樣的技術(shù)水平。

圖1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

微電網(wǎng)可以對電力負(fù)荷集中區(qū)供電，這些負(fù)荷區(qū)可以是重要的工廠區(qū)、辦公區(qū)、校區(qū)，或者遠(yuǎn)郊居民區(qū)等。因此，相對傳統(tǒng)的配電網(wǎng)，微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)十分靈活。微電網(wǎng)雖然也是分散供電形式，但它絕不是對電力系統(tǒng)發(fā)展初期的孤立系統(tǒng)的簡單回歸［12］。此外，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)是有機(jī)整體，可以靈活連接、斷開，其智能性與靈活性遠(yuǎn)在傳統(tǒng)孤立系統(tǒng)之上。從大電網(wǎng)的角度看，微網(wǎng)如同電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)或負(fù)荷，是一個模塊化的整體單元。另一方面，從用戶側(cè)看，微網(wǎng)是一個自治運(yùn)行的電力系統(tǒng)，它可以滿足不同用戶對電能質(zhì)量和可靠性的要求［13，14］。

4 微網(wǎng)的運(yùn)行與控制

微網(wǎng)的運(yùn)行方式有兩種，即并網(wǎng)運(yùn)行方式和孤島運(yùn)行方式。這兩種運(yùn)行方式又包括4種運(yùn)行階段:并網(wǎng)的暫態(tài)過程、并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)階段、向孤島過渡的暫態(tài)過程和孤島運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)階段。這就要求微網(wǎng)在這4種運(yùn)行階段下都穩(wěn)定可靠，且不能給大電網(wǎng)和用戶負(fù)荷造成影響。特別是并網(wǎng)的暫態(tài)過程和向孤島過渡的暫態(tài)過程，這兩個過程涉及多個DG相互協(xié)調(diào)，需要預(yù)防給大電網(wǎng)和微網(wǎng)自身帶來的影響。文獻(xiàn)［15］的微網(wǎng)實驗系統(tǒng)仿真實現(xiàn)了微網(wǎng)并網(wǎng)及孤島兩種運(yùn)行模式的平穩(wěn)過渡。

微網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行離不開靈活可靠的控制系統(tǒng)，使其能在4種運(yùn)行階段不對大電網(wǎng)及微網(wǎng)自身造成影響。目前，微電網(wǎng)的控制方法有以下幾類:基于電力電子技術(shù)的“即插即用”與“對等”的控制方法。基于功率管理系統(tǒng)的控制?；诙啻砑夹g(shù)的控制方法［16］。3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但最終目的都是為了保證微網(wǎng)及大電網(wǎng)的安全:任一分布式電源的接入不對系統(tǒng)造成影響;自主選擇運(yùn)行點(diǎn);平滑地實現(xiàn)與電網(wǎng)的并網(wǎng)、分離;對有功、無功進(jìn)行獨(dú)立控制;具有校正電壓跌落和不平衡的能力。

5 微網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)

當(dāng)分布式電源接入配電系統(tǒng)后，針對復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外學(xué)者對這種網(wǎng)絡(luò)的配電系統(tǒng)的保護(hù)研究已經(jīng)高度重視，但是大部分還是停留在理論試驗階段。目前提出的主要有以下三種保護(hù)方案:一是配電網(wǎng)絡(luò)采用改進(jìn)的傳統(tǒng)電流保護(hù)方案，這樣可以達(dá)到減少故障切除時間，提高保護(hù)的速動性和靈敏性，在一定程度上也能滿足分布式電源引入的要求;二是配電網(wǎng)采用輸電線路中成熟的保護(hù)方案，如縱聯(lián)保護(hù)、距離保護(hù)等等;三是配電網(wǎng)采用通信技術(shù)的集成式保護(hù)方案［1］。

應(yīng)用于微網(wǎng)的保護(hù)策略要保證其在并網(wǎng)和孤島模式下都能安全運(yùn)行。所以，必須充分研究微網(wǎng)自身的結(jié)構(gòu)和故障特性，研究新的保護(hù)策略。前人得出的微網(wǎng)保護(hù)策略有的稱不需要通信，有的強(qiáng)調(diào)通信的重要性;有的參考文獻(xiàn)將微網(wǎng)并網(wǎng)和孤島保護(hù)策略分開討論，有的參考文獻(xiàn)采用微網(wǎng)兩種運(yùn)行模式一致的保護(hù)策略。以下簡單介紹幾種微網(wǎng)保護(hù)策略:

文獻(xiàn)［17］提出了一種保護(hù)策略，即在微網(wǎng)中加入具有較高短路容量的電源。此策略的優(yōu)點(diǎn)就是在微網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行狀態(tài)下使用了相同的保護(hù)原理，對于包含有較大的中心儲能單元的微網(wǎng)，這種方法比較適用。文獻(xiàn)［18］提出一種保護(hù)策略:當(dāng)微網(wǎng)發(fā)生故障時，并不斷開微網(wǎng)與配電網(wǎng)的連接，而依靠配電網(wǎng)提供的較大的故障電流和過流繼電器來有選擇性地清除故障;當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時，微網(wǎng)則斷開與配網(wǎng)的連接，作孤島運(yùn)行;而當(dāng)作孤島運(yùn)行的微網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時，被視為二次故障，為了避免出現(xiàn)危險的形勢，微網(wǎng)內(nèi)的分布式電源在經(jīng)過某個時間延時之后將斷開。文獻(xiàn)［19］的保護(hù)策略用電壓的改變作為尺度，來進(jìn)行故障定位。文獻(xiàn)［20］針對微網(wǎng)的雙向潮流特性，提出在微網(wǎng)中設(shè)置開關(guān)站，將微源接入開關(guān)站并使用不依賴通信的差動保護(hù)。文獻(xiàn)［21］提出了一種可用于兩種運(yùn)行模式下的低壓微網(wǎng)保護(hù)策略，所提出的方案主要用于以一種選擇性方式檢測和隔離對主網(wǎng)造成沖擊的故障。文獻(xiàn)［22］提出了一種基于自適應(yīng)電流速斷保護(hù)的微網(wǎng)保護(hù)，該整定方法仍然能夠根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行方式和微源的出力情況自適應(yīng)地調(diào)整定值，而且不用借助通信手段。文獻(xiàn)［23］提出對配電網(wǎng)的饋線進(jìn)行改造保護(hù)，以利用饋線間通信的實現(xiàn)故障區(qū)段定位，隨著通信和微處理技術(shù)的發(fā)展，廣域繼電保護(hù)方案［24－27］也越來越多的投入微網(wǎng)的保護(hù)研究中。文獻(xiàn)［28］則提出了一種基于故障電流的新型定位算法，對故障通道進(jìn)行判斷搜索，然后利用搜索得到的與故障呈強(qiáng)相關(guān)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)建故障信息矩陣，利用基爾霍夫定律及相位比較原理執(zhí)行相應(yīng)的矩陣算法，進(jìn)行故障區(qū)段的準(zhǔn)確定位。

6 微網(wǎng)的發(fā)展方向

從R．H．Lasseter于2001年提出微網(wǎng)的概念至今，微網(wǎng)技術(shù)成了近幾年研究的熱點(diǎn)問題之一，微網(wǎng)以其安全可靠、清潔無污染、靈活多樣化等特點(diǎn)在歐美發(fā)得到了大力發(fā)展。我國也開始大力支持各高校科研院所在微網(wǎng)技術(shù)方面的研究工作。通過總結(jié)前人的理論及成果，今后微網(wǎng)的研究應(yīng)建立統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范，其方向大致如下:

(1)各國科研人員及和學(xué)者應(yīng)該給微網(wǎng)一個統(tǒng)一的定義。目前各國學(xué)者對微網(wǎng)概念定義不統(tǒng)一，這在一定程度上限制微網(wǎng)研究的發(fā)展，因此各國學(xué)者應(yīng)統(tǒng)一微網(wǎng)的定義，方便交流。

(2)各國科研人員和學(xué)者應(yīng)統(tǒng)一微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。目前國際上對微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也尚未統(tǒng)一，歐洲、北美及日本各有說法，因此各國需要建立適合微網(wǎng)特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)劃，得出一個統(tǒng)一的微網(wǎng)基本模型，在統(tǒng)一的模型基礎(chǔ)上可進(jìn)行各自的研究工作。需要建立適合該特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)劃、設(shè)計及運(yùn)行等相關(guān)方面的理論

(3)針對微網(wǎng)孤島和并網(wǎng)的不同運(yùn)行方式，研究和制定兩種運(yùn)行方式下的技術(shù)，制定統(tǒng)一的控制及保護(hù)策略，使其既不干擾大電網(wǎng)的運(yùn)行，又能滿足微網(wǎng)自身的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時又具有自愈、自治和自組織等復(fù)雜功能，更具智能性及安全可靠性，滿足用戶用電需求。

(4)為更準(zhǔn)確地預(yù)測微網(wǎng)內(nèi)部的隨機(jī)負(fù)荷，根據(jù)大系統(tǒng)的調(diào)度計劃和微網(wǎng)內(nèi)電力負(fù)荷和電能質(zhì)量的要求，可運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理、小波分析理論、灰色系統(tǒng)理論以及專家系統(tǒng)預(yù)測技術(shù)隨機(jī)負(fù)荷模型，建立隨機(jī)潮流優(yōu)化控制模型［29］。

(5)由于微網(wǎng)電能質(zhì)量受到大系統(tǒng)和微網(wǎng)本身的影響，研究微網(wǎng)的電能控制技術(shù)，可將有緣濾波器與微電源相結(jié)合，研究電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，控制電能質(zhì)量，為用戶提供安全可靠的電能。

7 總結(jié)

微網(wǎng)本身具有的獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)決定了微網(wǎng)技術(shù)將在國際上受到更廣泛的重視。但目前微網(wǎng)的研究還是處于初期階段。微網(wǎng)作為大電網(wǎng)的重要補(bǔ)充和可再生能源利用的有效形式，在我國也將得到快速發(fā)展。而微網(wǎng)大范圍接入會對電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行、管理等方面產(chǎn)生諸多影響，應(yīng)抓緊時機(jī)開展更多研究，建立統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范，使其能充分利用自身的優(yōu)勢特點(diǎn)更好的發(fā)揮其價值。

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Overview on M icro-grid Technology

GE Zhi-chao，F(xiàn)ANG Nian，YANG Fan-fan，HUANGCheng-si，CHEN Dan-fei
(China Three Gorges University，Hubei443002，China)

This article introduces the significance of studying themicro-grid，the definition，the basic structure and characteristics of themicro-grid．Discusses the key technical issues of studying micro-network，including control technology and protect strategies．At last，it points out the disadvantages of themicro-grid，points out the directions of themicro-grid research，we should come to a unified definition ofmicro-grid，plan a unified structure，come to a unified protection program and configuration，in order to get ready for the earlymicro-grid research．

micro-grid technology;control;operating;protection

TM71

B

1004－289X(2013)03－0001－04

2013－04－22

葛志超(1987－)，男，三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院2011級碩士研究生，主要研究微網(wǎng)繼電保護(hù);

方念(1990－)，男，三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院2012級碩士研究生，主要研究微網(wǎng)繼電保護(hù);

楊凡凡(1987－)，男，三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院2011級碩士研究生，主要研究電力系統(tǒng)保護(hù)、運(yùn)行與控制;

黃成思(1990－)，女，三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院2012級碩士研究生，主要研究繼電保護(hù);

陳丹霏(1990－)，女，三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院2012級碩士研究生，主要研究繼電保護(hù)。