淺談微電網(wǎng)的研究與應用

齊佳鑫，駱潔藝，韓光玲

(1.廣西電網(wǎng)公司柳州供電局，廣西 柳州 545006;2.中國南方電網(wǎng)有限責任公司，廣東 廣州510623;3.柳州市財政投資評審中心，廣西 柳州 545006)

1 引言

微電網(wǎng)是一種將分布式電源、負荷、儲能裝置、變流器以及監(jiān)控保護裝置有機整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)［1－3］，可以實現(xiàn)其并網(wǎng)或孤島運行、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。將分布式電源以微電網(wǎng)的形式接入配電網(wǎng)，被普遍認為是利用分布式電源有效的方式之一［4－6］。

近年來，歐盟、美國、日本等均開展了微電網(wǎng)試驗示范工程研究。美國的配電網(wǎng)比較薄弱，微電網(wǎng)的發(fā)展目標主要集中在提高重要負荷的供電可靠性，滿足用戶定制的多種電能質量需求，降低成本、實現(xiàn)智能化等方面;日本的國內能源緊缺，微電網(wǎng)的發(fā)展目標主要定位在能源供給多樣化，減少污染，滿足用戶的個性化電力需求;歐盟從電力市場需求、電能安全供給和環(huán)境保護等角度出發(fā)，夠充分利用微電網(wǎng)的分布式能源、智能技術、先進電力電子技術，實現(xiàn)集中供電與分布式發(fā)電的高效緊密結合。從各國對微電網(wǎng)的研究可以看出，微電網(wǎng)的形成與發(fā)展不是對傳統(tǒng)集中式、大規(guī)模電網(wǎng)的革命與挑戰(zhàn)，而是未來電網(wǎng)實現(xiàn)高效、環(huán)保、優(yōu)質供電的一個重要手段，是對大電網(wǎng)的一種有益補充。本文闡述了微電網(wǎng)的規(guī)劃設計、運行優(yōu)化、保護控制等關鍵技術的研究現(xiàn)狀，并對微電網(wǎng)技術發(fā)展進行展望。

2 微電網(wǎng)結構

按照接入配電系統(tǒng)的方式不同，微電網(wǎng)可分為用戶級、饋線級和變電站級微電網(wǎng)。用戶級微電網(wǎng)與外部配電系統(tǒng)通過一個公共連接點連接，一般由用戶負責其運行及管理;饋線級微電網(wǎng)是指將接入中壓配電系統(tǒng)某一饋線的分布式電源和負荷等加以有效管理所形成的微電網(wǎng);變電站級微電網(wǎng)是指將接入某一變電站及其出線上的分布式電源及負荷實施有效管理后形成的規(guī)模較大的微電網(wǎng)。

按照微電網(wǎng)內主網(wǎng)絡供電方式不同，還可分為直流型微電網(wǎng)、交流型微電網(wǎng)和混合型微電網(wǎng)。在直流型微電網(wǎng)中，大量分布式電源和儲能系統(tǒng)通過直流主網(wǎng)架，直接為直流負荷供電;對于交流負荷，則利用電力電子換流裝置，將直流電轉換為交流電供電。在交流型微電網(wǎng)中，將所有分布式電源和儲能系統(tǒng)的輸出首先轉換為交流電，形成交流主干網(wǎng)絡為交流負荷直接供電;對于直流負荷，需通過電力電子換流裝置將交流電轉換為直流電后為負荷供電。在混合型微電網(wǎng)中，無論是直流負荷還是交流負荷，都可以不通過交直流間的功率變換直接由微電網(wǎng)供電［7］。

3 微電網(wǎng)規(guī)劃設計

微電網(wǎng)規(guī)劃設計要盡可能實現(xiàn)系統(tǒng)經濟性、環(huán)保性及能源利用效率等量化指標的優(yōu)化，其研究內容主要包含可再生能源與負荷需求分析、建模方法和優(yōu)化算法三個方面。

3.1 可再生能源與負荷需求分析

微電網(wǎng)規(guī)劃設計對可再生能源和負荷需求分布特性的主要分析手段包括歷史數(shù)據(jù)分析法［8］和概率統(tǒng)計分析法［9－10］。歷史數(shù)據(jù)分析法是利用風速、光照強度與負荷等信息的歷史數(shù)據(jù)，對微電網(wǎng)的運行情況進行序貫分析，缺點是在獲取小時級的現(xiàn)場歷史氣象信息時的難度較大。概率統(tǒng)計分析法主要是基于風、光等的月或典型年歷史統(tǒng)計信息和分布特性，結合蒙特卡洛方法對可再生能源的全年變化信息進行隨機生產模擬［9］，缺點是當規(guī)劃需要考慮復雜的運行優(yōu)化策略時增加計算負擔。為此，可采用隨機過程方法建立風、光及負荷等的Markov轉移模型，降低計算量［10］。

3.2 規(guī)劃設計建模

微電網(wǎng)規(guī)劃設計要在滿足用戶需求的基礎上，綜合技術、經濟和環(huán)境等方面因素選定優(yōu)化變量、目標函數(shù)和約束條件。在優(yōu)化變量選擇方面，一種方式是將所有變量統(tǒng)一到同一目標函數(shù)下［11］;另一種方式是將各層次的變量區(qū)別對待，采用兩階段的建模方式［12］，即第一階段主要確定設備的類型、位置和容量，第二階段主要確定系統(tǒng)的運行策略及其相關的參數(shù)。在目標函數(shù)選擇方面，在采用單一目標函數(shù)時，主要考慮系統(tǒng)經濟性指標的最優(yōu)化。在采用多目標函數(shù)時，可以考慮經濟性、環(huán)保性與可靠性等目標的不同組合。在約束條件選擇方面，主要包括功率平衡約束、設備運行約束(出力上下限限制、爬坡率限制、運行時間限制等)、儲能存儲容量約束和可靠性約束等?？紤]到儲能系統(tǒng)的特殊性，微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)容量配置問題可單獨采取更加有針對性的優(yōu)化規(guī)劃設計方法［7］。

3.3 算法優(yōu)化

求解微電網(wǎng)規(guī)劃設計問題既可采用混合整數(shù)規(guī)劃［11］等數(shù)學規(guī)劃方法，也可采用粒子群算法［13］、進化算法［14］等智能算法。數(shù)學規(guī)劃方法在面對目標函數(shù)和約束條件的苛刻要求和微電網(wǎng)規(guī)劃設計問題的復雜性時常常受到限制。智能算法建模方式相對寬松，通常不依賴于具體的應用問題，能夠方便處理信息的不確定性，應用更為廣泛。

4 微電網(wǎng)能量管理與運行優(yōu)化

4.1 預測方法

微電網(wǎng)預測數(shù)據(jù)的準確性將直接影響調度方案的效果，相關研究工作包括發(fā)電預測、負荷預測、市場信息、設備故障等不確定性因素，要評估不確定性對微電網(wǎng)優(yōu)化運行結果的影響，并采取相應措施提高系統(tǒng)優(yōu)化運行的預期效果。發(fā)電預測主要是針對間歇式可再生能源的短、中期輸出能量預測，如風速、光照強度和環(huán)境溫度等，常用的預測方法包括基于數(shù)值天氣預報模型的預測方法［15］和基于歷史數(shù)據(jù)的預測方法［16］。負荷預測包含對微電網(wǎng)內冷、熱、電等多類型負荷的短期預測。市場信息主要指在電力市場環(huán)境下，對電價機制進行研究，把握電價變化規(guī)律，有效預測電價信息。

4.2 優(yōu)化調度方法

微電網(wǎng)的調度策略可劃分為優(yōu)化策略和啟發(fā)式策略。前者根據(jù)優(yōu)化目標自行決定系統(tǒng)運行方案，一般能獲得比啟發(fā)式策略更理想的優(yōu)化效果，但在實際工程實施時，可能因各種不確定性因素導致優(yōu)化效果弱化。后者一般針對有限的系統(tǒng)運行模式按照給定的調度邏輯確定調度方案。在微電網(wǎng)運行優(yōu)化過程中，最常用的目標為經濟目標和環(huán)境目標。經濟目標主要實現(xiàn)微電網(wǎng)的運行成本和設備折舊成本最低;環(huán)境目標主要是實現(xiàn)微電網(wǎng)環(huán)境效益最大化。當進行多目標優(yōu)化時，由于不同目標之間可能存在沖突，需要充分根據(jù)系統(tǒng)實際情況，因地制宜地對系統(tǒng)優(yōu)化運行的目標進行協(xié)調，實現(xiàn)微電網(wǎng)綜合價值的最大化。

微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)可以看作是智能配電系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)的重要組成部分，隨著配電網(wǎng)中分布式電源與微電網(wǎng)接入數(shù)量的增加，為支持分布式電源、微電網(wǎng)、配電系統(tǒng)的協(xié)調優(yōu)化運行，需要綜合性更優(yōu)的能量管理系統(tǒng)，這也是未來能量管理系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

5 微電網(wǎng)保護與控制

5.1 微電網(wǎng)保護

微電網(wǎng)保護涉及的故障情況可分為外部故障和內部故障。其中，內部故障在微電網(wǎng)并網(wǎng)運行和孤立運行兩種模式下所呈現(xiàn)的故障特性及所采取的保護方法有所不同，且與微電網(wǎng)內分布式電源的控制方式緊密相關。當微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，如果是外部故障應判斷是否為永久性故障，永久性外部故障時微電網(wǎng)必須與外部電網(wǎng)解列。如果是內部故障應判斷是否導致微電網(wǎng)運行狀態(tài)不符合IEEE1547等標準的要求［17］，無需解列時，應快速切除故障部分，減小對微電網(wǎng)內其他部分以及外部電網(wǎng)的影響。

在微電網(wǎng)孤立運行模式下，當發(fā)生內部故障時，基于電力電子變換器的分布式電源所提供的短路電流常常被限制在兩倍額定電流以內，需要根據(jù)微電網(wǎng)運行模式的不同改變保護的整定值，但要求保護系統(tǒng)具有更高的適應性［18］。

5.2 微電網(wǎng)控制

微電網(wǎng)中的分布式電源和儲能設備按照并網(wǎng)方式主要分為逆變型電源、同步機型電源和異步機型電源，其中逆變型電源所占比重較大。當微電網(wǎng)中有多個逆變型電源時，需要協(xié)調控制，以滿足微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行、孤立運行及兩種運行模式間切換時的不同需求［19］。微電網(wǎng)一般采用如圖1所示的三層控制結構。

5.2.1 第一層控制

依據(jù)分布式電源或儲能設備在微電網(wǎng)中所起作用不同，需要采取不同的控制策略，主要包括:PQ控制(恒功率控制)、V/f控制(恒壓/恒頻控制)和Droop控制(下垂控制)。Droop控制又具有兩種基本形式:f－P和V－Q下垂控制法［20］和P－f和Q－V下垂控制法［21］。前者根據(jù)功率的變化決定頻率和電壓值，后者根據(jù)頻率和電壓的變化決定功率值。

圖1 微電網(wǎng)分層控制結構

微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，由電網(wǎng)提供電壓和頻率參考，各分布式電源一般采用恒功率控制。部分可控型分布式電源也可采用f－P和V－Q下垂控制方法，在電網(wǎng)電壓幅值和頻率降低時，能夠支撐電網(wǎng)電壓和頻率。若主網(wǎng)發(fā)生非永久性故障導致微電網(wǎng)并網(wǎng)點三相電壓跌落或不對稱時，通過相應控制方法可提高各分布式電源的故障穿越能力［22］，從而增大并網(wǎng)點處正序電壓分量和減小負序電壓分量，降低電網(wǎng)電壓的不對稱度。

微電網(wǎng)孤立運行時，控制可分為主從控制模式和對等控制模式。在主從控制模式中，微電網(wǎng)內的一個分布式電源(或儲能設備)采取V/f控制，為微電網(wǎng)提供電壓和頻率參考，而其他分布式電源則采用PQ控制［23］。在對等控制模式中，微電網(wǎng)中參與電壓、頻率調節(jié)和控制的多個可控型分布式電源(或儲能設備)在控制上都具有同等的地位［24］，通常選擇P－f和QV下垂控制方法，根據(jù)分布式電源接入點就地信息進行控制，易于實現(xiàn)分布式電源的即插即用。

5.2.2 第二層控制

微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，第二層控制的主要目標是降低微電網(wǎng)內可再生能源與負荷波動對主網(wǎng)的影響。通過微電網(wǎng)中心控制器(MGCC)對各分布式電源下發(fā)合理的功率指令，利用功率型和能量型儲能組成的混合儲能系統(tǒng)，分別抑制可再生能源輸出功率的高頻和低頻波動分量，但應注意維持各儲能設備運行在合理的荷電狀態(tài)范圍［25］。通過需求側響應對可控負荷進行控制，也可實現(xiàn)微電網(wǎng)聯(lián)絡線功率的控制［26］。

微電網(wǎng)孤立運行時，第二層控制的主要目標是恢復微電網(wǎng)電壓和頻率，以保證電壓和頻率滿足負荷可靠運行的要求［27］。采用主從控制模式能維持微電網(wǎng)電壓和頻率恒定，負荷的變化主要由主電源跟隨，需要通過MGCC實現(xiàn)各分布式電源間的功率合理分配［28］。采用對等控制模式時，能同時解決電壓頻率穩(wěn)定控制和輸出功率合理分配，但負載變化前后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓和頻率會有所變化。

第二層控制還需實現(xiàn)微電網(wǎng)運行的無縫切換控制。當采用主從控制模式時，一種典型的控制時序如圖2所示，包含微電網(wǎng)運行狀態(tài)切換和主電源控制模式切換。若主電源在微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤立運行模式下均采用P－f和Q－V下垂控制方法，則在微電網(wǎng)運行模式切換時，無需切換控制模式［29］。否則，為保證微電網(wǎng)主電源控制模式平滑切換，主電源控制系統(tǒng)在PQ控制和V/f控制模式之間切換時應盡可能減少切換功率變化量［30］。如采用圖3所示控制結構，在切換前后，兩種控制模式中使用相同的電流內環(huán)，模式切換時僅對外環(huán)控制器進行切換。在模式切換中，采用合理的補償控制算法和切換控制邏輯，可有效降低模式切換過程中的暫態(tài)沖擊［23］。

圖2 微電網(wǎng)無縫切換運行模式基本控制時序

圖3 主電源控制結構示意圖

5.2.3 第三層控制

該層主要為微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)層［19］。微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，通過相應能量優(yōu)化算法確定與大電網(wǎng)之間聯(lián)絡線輸出功率參考值(作為微電網(wǎng)第二層控制目標參考值)。微電網(wǎng)孤立運行時，調整各分布式電源輸出功率參考值或下垂曲線穩(wěn)態(tài)參考點和分配比例系數(shù)設定等信息，實現(xiàn)微電網(wǎng)經濟運行等功能。

6 結論

作為智能配電網(wǎng)的重要組成部分，微電網(wǎng)從局部解決了分布式電源大規(guī)模并網(wǎng)時的運行問題。對用戶層面，微電網(wǎng)除了提供電能以外，還具備供冷、供熱、供氣的能力，將進一步提高終端能源的利用效率;對電網(wǎng)層面，隨著電力市場的不斷完善、需求側響應技術的發(fā)展，微電網(wǎng)將更多的參與配電網(wǎng)的調度，提供多種輔助服務?？傊?，微電網(wǎng)技術將在未來電網(wǎng)發(fā)展過程中發(fā)揮重要的作用。

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