國內(nèi)外微電網(wǎng)安全運行控制技術(shù)

楊波　姚旭明　鄧樹生

【摘 要】微電網(wǎng)是由多種負荷和多種分布式電源構(gòu)成的系統(tǒng)，這些分布電源在地理位置和時間上有很大的不確定性。為了保證微電網(wǎng)能充分發(fā)揮它們的效率，保證它們的安全運行，本文從微電網(wǎng)并網(wǎng)運行和孤島運行兩個方面來探討國內(nèi)外對微網(wǎng)運行的控制技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】微電網(wǎng)；分布式電源；運行技術(shù)

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，分布式發(fā)電在不斷生活中被應(yīng)用，促使了微電網(wǎng)的形成。各個國家在微電網(wǎng)定義都各不相同，但是大致的定義都是如下：微電網(wǎng)是一組由分布式電源、負荷、儲能裝置和控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng)。微電網(wǎng)所含有的分布式電源包括光伏發(fā)電，風力發(fā)電，燃料電池，小型燃汽輪機、蓄電池和高速飛輪等。是一個具備自我控制和自我能量管理的自治系統(tǒng)。既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，可以孤立運行，從微觀看，微電網(wǎng)可以被視為小型的電力系統(tǒng)；從宏觀看，微電網(wǎng)可以認為是配電系統(tǒng)中的一個“虛擬”的電源或負荷[1]。結(jié)合國外的微電網(wǎng)發(fā)展史，微電網(wǎng)主要有以下幾個基本特點：

微電網(wǎng)的首要特點是微型化，主要體現(xiàn)在電壓等級低和系統(tǒng)的規(guī)模小。在我國應(yīng)該以中低壓，特別是400V低壓配電網(wǎng)為主，一般規(guī)模在兆瓦級以下。在400V低壓網(wǎng)絡(luò)中，微電網(wǎng)中的分布式電源可以和用戶終端直接相連，能夠?qū)崿F(xiàn)電能的就地利用。減少了投資，降低了網(wǎng)損。

微電網(wǎng)具有自我調(diào)控的特點。微電網(wǎng)可以通過分布式電源、儲能裝置和需求側(cè)管理的協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)電能的自我調(diào)控，與外部電網(wǎng)的電力交換較少。微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，基于電能就地消納的原則，微電網(wǎng)內(nèi)的負荷應(yīng)優(yōu)先由內(nèi)部的分布式電源供電，在供電能力不足時才由大電網(wǎng)提供支持。微電網(wǎng)孤島運行時，通過協(xié)調(diào)控制分布式電源、儲能裝置和可控負荷實現(xiàn)電網(wǎng)在孤島狀態(tài)下的穩(wěn)定運行。

高效環(huán)保是微電網(wǎng)的另一個重要特點。微電網(wǎng)中的分布式電源主要是風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電等清潔能源，或者微型燃氣輪機和燃料電池等清潔高效的新型發(fā)電單元，具有很高的環(huán)保效益。相比傳統(tǒng)化石能源具有較高的利用效率，減少碳的排放量，實現(xiàn)能源的綜合利用。因此，微電網(wǎng)可以在能量管理系統(tǒng)下保持清潔高效的狀態(tài)下運行。

供電可靠性也是微電網(wǎng)的特點。微電網(wǎng)可以并網(wǎng)作為一個有源負荷運行，也可以在大電網(wǎng)故障時與其斷開離網(wǎng)孤島運行，在故障解除后還可以重新并網(wǎng)，能夠保持在大電網(wǎng)故障期間對重要負荷的連續(xù)供電。此外，微電網(wǎng)中的分布式電源可以方便靈活的接入或退出微電網(wǎng)，對微電網(wǎng)中重要負荷的供電不造成嚴重影響，可靠性較高。

1 國內(nèi)外的微電網(wǎng)運行技術(shù)

美國是最早提出“微電網(wǎng)”概念，在微電網(wǎng)的推廣和運行方面也走在世界前列。美國能源部于2003年制定了《“Grid 2030”A national vision for electricitys second 100 years》發(fā)展戰(zhàn)略。詳細闡述了美國政府未來的微電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃[2]。歐盟根據(jù)分布式發(fā)電大量接入的實際情況，結(jié)合電能安全供給和環(huán)境保護等因素，重點發(fā)展包括風能、太陽能等可再生能源的微電網(wǎng)技術(shù)和示范應(yīng)用推廣，相繼推出歐盟第五研究框架[3]。中國在微電網(wǎng)這方面起步較晚，2009年，中國國家科技部通過“973”計劃項目專門資助了分布式發(fā)電供能系統(tǒng)的相關(guān)基礎(chǔ)研究。2010年，中國國家科技部通過《國家高科技研究發(fā)展計劃863》立項了近十個有關(guān)微電網(wǎng)方面的研究課題。“十二五”期間，我國將在太陽能、風能占優(yōu)勢的地區(qū)建設(shè)成微電網(wǎng)示范區(qū)，同時還將推動建設(shè)100座新能源示范城市[4]。

結(jié)合微電網(wǎng)的兩種運行模式，與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行和孤島運行來分析國內(nèi)外對它們的運行控制技術(shù)。并網(wǎng)運行模式是指正常情況下，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)相連，由大電網(wǎng)補充自身發(fā)電量的不足或者向大電網(wǎng)提供多余的電能。孤島運行模式是指當檢測到電能質(zhì)量不滿足要求或電網(wǎng)故障時，微電網(wǎng)及時斷開而獨立運行，完全由微電網(wǎng)內(nèi)DG（分布式電源）向負荷供電。微電網(wǎng)的孤島運行為系統(tǒng)提供了更高的供電可靠性和供電不間斷性。微電網(wǎng)采用正確的控制方式，可以并網(wǎng)運行或孤島運行，并可在兩種運行模式間平滑切換。并網(wǎng)運行方式指微電網(wǎng)通過PCC（公共連接點）與大電網(wǎng)相連，與大電網(wǎng)有功率交換。當負荷大于分布式電源發(fā)電時，微電網(wǎng)從大電網(wǎng)吸收部分電能；反之，當負荷小于分布式電源發(fā)電時，微電網(wǎng)從大電網(wǎng)輸送多余的電能。并網(wǎng)運行方式下，微電網(wǎng)可以利用電力市場的規(guī)律靈活控制分布式電源的運行，獲得更多的經(jīng)濟效益。

依據(jù)分布式電源和儲能設(shè)備在微電網(wǎng)中所起的作用，需要采用不同的控制方法來對微電網(wǎng)進行能量控制。目前國內(nèi)外主要采用的控制有：分別是恒功率控制（PQ 控制）、恒壓/恒頻控制（V/f 控制）和下垂控制（droop控制）[5]。下垂控制又具有兩種基本形式：1. f-P和V-Q 下垂控制方法。2. P-f和Q-V下垂控制方法[6]。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。

在并網(wǎng)運行中，常用的PQ控制方法，PQ 控制通過逆變器來實現(xiàn)對微電源指定的參考有功無功功率發(fā)出功率。該控制主要實現(xiàn)方法有兩種。在并網(wǎng)狀態(tài)下，主網(wǎng)來維持微電網(wǎng)電壓頻率的穩(wěn)定，保證負荷波動或其他擾動，微電網(wǎng)系統(tǒng)正常運行，第一種方法是這樣實現(xiàn)的，有功和無功分開控制，給定微電源原動機的有功功率參考值來控制微電源發(fā)出的有功功率，直接給定微電源無功功率參考值來控制其發(fā)出的無功功率。第二種方法就是直接通過逆變器控制有功和無功功率。逆變器輸出的功率就是微電源發(fā)出的功率。

對于孤島運行，常用的是后面兩種方法：恒壓/恒頻控制（V/f 控制）和下垂控制（droop控制）。V/f控制方法指通過控制微電源逆變器，使其輸出的電壓和頻率為給定的參考值。這種控制保證孤島系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定，并且在負載功率變化時能跟蹤其變化。該控制實現(xiàn)的方法是，先給定逆變器出口的頻率和電壓的參考值，然后通過比例積分控制器來保持這個值。第二種孤島運行的控制是采用下垂控制（droop控制），Droop控制就是用來模擬頻率一次調(diào)整。通過控制電力電子逆變器來實現(xiàn)。傳統(tǒng)同步電機有兩條特性曲線，一個是有功一頻率（P-f）特性曲線，另一個是無功一電壓（Q-V）特性曲線，通過這樣的關(guān)系曲線來進行系統(tǒng)電壓和頻率的調(diào)節(jié)，稱為下垂控制。另一種特性曲線是有功一電壓（P-V）和無功一頻率（Q-f），我們稱之為反下垂控制方式。要根據(jù)實際線路的情況來選擇這兩種控制方式中的一種，這兩種方式的原理是相同的。

微電網(wǎng)運行時的控制的策略常用的主要有兩種，主從控制策略和對等控制策略。前者是對微電源采取不同的控制方法，其中一個微電源作為主控的，其他發(fā)電單元是從屬的；后者是基于下垂特性的控制策略，各個DG都處于Droop控制而且是平等關(guān)系。主從控制策略實現(xiàn)過程為并網(wǎng)和孤島模式的轉(zhuǎn)換：并網(wǎng)運行狀態(tài)下，各DG都采用PQ控制，當電力系統(tǒng)出現(xiàn)問題時候，切換到進行孤島運行狀態(tài)，檢測單元檢測到孤島信號，其中一個DG（即主控電源）將轉(zhuǎn)換到V/f控制，保持電壓不變，電流隨負荷變化而改變，微電源的輸出功率增大或者減小，所以主控DG為孤島系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐，其他DG不負責調(diào)節(jié)電壓和頻率，并且保持PQ控制運行。但是這種控制策略在孤島運行時對主控DG依賴性較高，同時對通信的穩(wěn)定運行也提出相當大的要求，要能夠準確檢測到孤島發(fā)生的時刻，如果通信達不到要求，可能會產(chǎn)生拒動或者誤動，同時負荷的波動帶來的功率補償也主要由主控DG補償，故要求DG 有較高的旋轉(zhuǎn)備用容量。

對等控制策略，是基于電力電子技術(shù)“即插即用”與“平等”關(guān)系的，每個DG之間不是從屬關(guān)系“對等”的控制思想的。在對等控制中，廣泛采用的是Droop下垂控制方法。下垂控制是模擬普通同步發(fā)電機有功功率和頻率、無功功率和電壓的近似線性關(guān)系來進行控制的。下垂控制有（f-P、U-Q）控制模式和（P-f、Q-U）控制模式，二者共同之處是同樣依托發(fā)電機的自下垂特性曲線，但是前者通過逆變器輸出頻率和電壓的改變來控制輸出功率，后者通過輸出功率的改變來控制逆變器的輸出電壓和頻率。當系統(tǒng)負荷變化時，采用下垂控制的分布式電源，根據(jù)其下垂特性參數(shù)調(diào)整輸出，分擔負荷的改變量。顯然，下垂控制可以實現(xiàn)負荷在采用Droop控制的電源之間的自動分配，但是在系統(tǒng)達到新的平衡點后，微網(wǎng)內(nèi)的頻率和電壓都有一定的改變，相對于VF控制，下垂控制是一種有差調(diào)節(jié)。在采用對等控制模式的微電網(wǎng)中，部分分布式電源同樣可以采用PQ控制，此時采用下垂控制的微電源起到類似于主從控制中主控器的作用，來分擔微網(wǎng)中變化的負荷。同時，由于無論在并網(wǎng)運行模式還是在孤島運行模式，微網(wǎng)中分布式電源的下垂控制策略可以不加變化，系統(tǒng)運行模式易于實現(xiàn)無縫切換。

對比主從控制模式和對等控制模式，可以看到，采用下垂控制的微電網(wǎng)，每個分布式電源在進行調(diào)節(jié)時，只需采集逆變器自身的出口信息便可完成功率分配和電壓頻率的自動調(diào)整，不需要信息交換獲得其它端口的輸出量，省去了通信成本，理論上經(jīng)濟性更好。當分布式源由于檢修、故障等原因退出運行，或者是微網(wǎng)由于擴建需要增加分布式電源的數(shù)量時，可以直接將分布式電源切除或者以下垂控制的模式接入對等控制的微電網(wǎng)中，其它分布式電源仍然可以按照原來的控制方式繼續(xù)運行，體現(xiàn)出“即插即用”的優(yōu)點。

2 微電網(wǎng)運行需考慮的其他幾個問題

2.1 微電網(wǎng)的接入標準

IEEE己重新修訂了分布式電源的入網(wǎng)標準，新標準的IEEE P 1547.4對分布式獨立電力系統(tǒng)的設(shè)計、運行及接入系統(tǒng)導(dǎo)則進行了詳細規(guī)定。目前國內(nèi)尚無統(tǒng)一、規(guī)范的微電網(wǎng)體系技術(shù)標準和規(guī)范，這在很大程度上影響了微電網(wǎng)技術(shù)的研究和示范工程的建設(shè)。

2.2 微電網(wǎng)的保護

微電網(wǎng)在用戶側(cè)增加了很多電源，用戶側(cè)歷來只有負荷。（1）這個變化導(dǎo)致電流可以從兩個方向流過保護系統(tǒng)的靈敏電流裝置，而在大電網(wǎng)中，放射狀的系統(tǒng)是沒有雙向潮流的；（2）當微電網(wǎng)從聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島時，短路電流的大小產(chǎn)生了大的變化，而短路電流的大小也是過電流保護裝置重要的判斷依據(jù)。因此，保護必須作為微電源的一部分，確保微電網(wǎng)在聯(lián)網(wǎng)和孤島兩種模式下任何故障發(fā)生時都能及時得到保護。

2.3 微電網(wǎng)的儲能技術(shù)

可再生能源發(fā)電的間歇性和波動性，容易造成微電網(wǎng)電能質(zhì)量達不到要求。微電網(wǎng)根據(jù)系統(tǒng)需要選擇飛輪或電容器等儲能方式。孤島時，微電網(wǎng)儲能單元的不間斷供電可以彌補負荷與發(fā)電間的不平衡。但是大規(guī)模的儲能容量和技術(shù)尚不能達到運行的要求。儲能單元的容量是有限制的，過度的充放電可能導(dǎo)致功率補償失敗，它的控制對微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行非常重要。所以要加大對儲能設(shè)備的研發(fā)。

3 結(jié)束語

微電網(wǎng)是實現(xiàn)分布式發(fā)電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用、有效提高系統(tǒng)供電可靠性的一種新型自治電力系統(tǒng)，隨著中國實施第十三個五年計劃，中國的能源結(jié)構(gòu)在做一個深刻的變革，中國需要更多的清潔能源，加大對微電網(wǎng)的深入研究和實施，對我國的能源的多樣化起到一個很好的保障。未來幾年，我國應(yīng)加大對微電網(wǎng)的安全運行，微網(wǎng)與電網(wǎng)的并網(wǎng)狀態(tài)，孤島運行狀態(tài)和并網(wǎng)與孤島的切換幾個核心問題進行深入研究，使得相關(guān)的技術(shù)更加成熟，逐步把微電網(wǎng)推廣的各個領(lǐng)域，為我們的國民經(jīng)濟保駕護航。

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[責任編輯：楊玉潔]