微電網(wǎng)研究綜述

鄭晶，李賡，張艷華，劉林

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北　宜昌　443002)

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微電網(wǎng)研究綜述

鄭晶，李賡，張艷華，劉林

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002)

微電網(wǎng)(Micro-Grid)是一種新型網(wǎng)絡結構，是一組微電源、負荷、儲能系統(tǒng)和控制裝置構成的系統(tǒng)單元。微電網(wǎng)是一個能夠實現(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以孤立運行。由于微源是一些分布式電源，所以本身帶有波動性，因此需要有儲能裝置來進行平衡。微電網(wǎng)的控制主要有PQ、PV、V-F三種控制方式。

微電網(wǎng)；孤立運行；并網(wǎng)運行；控制方式；儲能

1　微網(wǎng)形態(tài)

微電網(wǎng)[1]，一個由分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、相關負荷和監(jiān)控、保護裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，我覺得可以形象地用“衛(wèi)星城”來描述它。微電網(wǎng)和衛(wèi)星城都是時代的產(chǎn)物，他們在一定出發(fā)電和形態(tài)上有相似之處。

1.1出發(fā)點

衛(wèi)星城的提出是為了緩解大城市的環(huán)境壓力、交通壓力、人口壓力、住房壓力等一系列的問題。微電網(wǎng)的提出則是為緩解電力緊缺、增強電網(wǎng)抗災能力、保證重要負荷不間斷供電、提高供電質量等電力系統(tǒng)存在問題。

1.2形態(tài)

衛(wèi)星城以大型城市為中心，在周圍建立相應小型城市。小型城市各種醫(yī)療、交通、生活設施齊全，其通過主干道交通與大城市連接。微電網(wǎng)是以電力系統(tǒng)主干電網(wǎng)依托建立的微型電力系統(tǒng)，可以與主網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以孤島運行，即可作為電源向主網(wǎng)供電，也可以作為負荷接收主網(wǎng)的功率。

2　技術難點

2.1存儲技術

微型電網(wǎng)主要采用分布式電源，如風能、光伏能、潮汐、地熱能、燃料電池及一些微型發(fā)電機組。對于像風能、光伏能、潮汐能發(fā)出的電，存在不連續(xù)性和間歇性，無論對于負荷還是主干電網(wǎng)來說都是不允許的。微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行和孤島運行兩模式[2-4]的轉換中，往往會有一定的功率缺額，如果僅依靠電源發(fā)出功率很難快速補償缺額。

在微電網(wǎng)中安裝儲能系統(tǒng)則能很好解決這些問題。現(xiàn)有存儲技術有四類：蓄電池存儲、超導存儲、飛輪存儲、超級電容存儲。

(1)蓄電池存儲是目前技術最成熟、也是使用最為廣泛的儲能技術。蓄電池儲能可以解決系統(tǒng)高負荷時的電能需求，也可用蓄電池儲能來協(xié)助無功補償裝置，有利于抑制電壓波動和閃變。然而蓄電池的充電電壓不能太高，要求充電器具有穩(wěn)壓和限壓功能。蓄電池的充電電流不能過大，要求充電器具有穩(wěn)流和限流功能，所以它的充電回路也比較復雜。另外充電時間長，充放電次數(shù)僅數(shù)百次，因此限制了使用壽命，維修費用高的穩(wěn)定。目前除了傳統(tǒng)鉛酸蓄電池外，還有新研發(fā)的鈉硫電池和液流釩電池，這兩種電池具有高能量效率、無放電現(xiàn)象、使用壽命長等優(yōu)良特性，但是價格相對昂貴。

(2)超導儲能系統(tǒng)(SMES)利用由超導體制成的線圈，將電網(wǎng)供電勵磁產(chǎn)生的磁場能量儲存起來，在需要時再將儲存的能量送回電網(wǎng)或直接給負荷供電。由于可以長期無損耗儲存能量，能量返回效率很高；并且能量的釋放速度快，通常只需幾秒鐘，因此采用SMES 可使電網(wǎng)電壓、頻率、有功和無功功率容易調節(jié)。但是，超導體由于價格太高，造成了一次性投資太大。

(3)飛輪儲能技術是一種機械儲能方式，具有效率高、建設周期短、壽命長、高儲能量等優(yōu)點，并且充電快捷，充放電次數(shù)無限，對環(huán)境無污染，但是維護成本高。

(4)超級電容器是由特殊材料制作的多孔介質，與普通電容器相比，它具有更高的介電常數(shù)，更大的耐壓能力和更大的存儲容量，又保持了傳統(tǒng)電容器釋放能量快的特點。與蓄電池比較具有功率密度大、充放電循環(huán)壽命長、充放電效率高、充放電速率快、高低溫性能好、能量儲存壽命長等特點。與飛輪儲能和超導儲能相比，它在工作過程中沒有運動部件，維護工作極少，相應的可靠性非常高，表1列出了四類存儲技術的各項指標。

表1

由上述表中參數(shù)對比，可以看出四類系統(tǒng)各有優(yōu)缺點。采用什么樣的儲能系統(tǒng)或者復合儲能系統(tǒng)，要依據(jù)負荷特性和電源特性。比如美國加利福尼亞州帕爾姆達爾(Palmdale)基地的微網(wǎng)采用超級電容器儲能。在這項工程中,儲能技術主要對應系統(tǒng)的動態(tài)變化，如穩(wěn)定電網(wǎng)、維持電壓、穩(wěn)定頻率、補償瞬時負荷的變化等,沒有對應調節(jié)負荷、不間斷電源等的要求。如果微網(wǎng)中同時含有對供電可靠性要求很高的敏感負荷和輸出功率波動性很大的新能源,多元復合儲能技術就會成為必要，比如超級電容和蓄電池組成的復合儲能系統(tǒng)，有很好的暫態(tài)特性和進行大容量電路存儲，保證可靠供電。

2.2控制技術

控制技術是微電網(wǎng)發(fā)展的難點之一。微電網(wǎng)能不能穩(wěn)定運行，能不能和主干電網(wǎng)很好銜接，能不能取得長足發(fā)展，在很大程度上要看電力電子控制技術的發(fā)展。

2.2.1微電源控制技術

對于微電源大多通過電力電子接口與微電網(wǎng)連接[4-5]。燃料電池發(fā)電、光伏電池發(fā)電及蓄電池等產(chǎn)生的是直流，需經(jīng)過DC/AC變換形成50Hz的交流電，而風力發(fā)電，微型燃氣輪機發(fā)電及飛輪存儲系統(tǒng)通常先要經(jīng)過AC/DC變?yōu)橹绷?，然后再有DC/AC變?yōu)榻涣鳌Ｆ渲兄饕玫搅四孀兗夹g。由于電源類型和負荷不同，常采用不同的控制方法。

PQ控制法：控制逆變器輸出電壓和相角達到控制控制有功功率和無功功率的輸出，維持功率平衡。常用于控制最大功率輸出方式或者接入點的恒功率潮流運行。

PV控制法：調節(jié)輸出有功大小并在保持母線電壓在同一水平。

V-F控制法：維持電網(wǎng)電壓和頻率。常用于在孤島模式下，維持微電網(wǎng)內部電壓和頻率在正常水平(在并網(wǎng)下，主網(wǎng)會將微電網(wǎng)的電壓和頻率自動拉入同步)。

2.2.2微電源并聯(lián)逆變技術

在微電網(wǎng)中，單個電源較小，不能滿足容量要求。常采用多個電源并聯(lián)運行。但是并聯(lián)運行要求所有電源輸出電壓相同(幅值、頻率、初始相位)。若不同則需要解決電源之間均流的問題。并聯(lián)場采用的方法[6-7]：

自整步法：假設并聯(lián)逆變器系統(tǒng)中各模塊是等價的，沒有專門的控制模塊，通過模塊間的連線實現(xiàn)同步和均流。這一方法使用與開環(huán)控制的低頻調制逆變器。調節(jié)時間長，精度低。

功率調節(jié)法：利用外特性下垂法實現(xiàn)電源模塊間無通信線工作。以本模塊有功功率、無功功率、失真功率為控制變量，使各模塊獨立工作。從而實現(xiàn)均流和同步。

主從模塊法：設定一個電源模塊為“主模塊”，其余模塊為“從模塊”，從模塊跟隨主模塊同步和均流。優(yōu)點：主模塊和從模塊有自己獨立的控制電路，易于擴容，穩(wěn)定性和均流性好。但是一旦主模塊失效，從模塊皆無法工作，整個系統(tǒng)將崩潰。

同步開關控制法：采用一個外部控制起來控制多個逆變電源模塊，各模塊輸出功率相同、電壓相同。這種方式?jīng)]有均流，但是對于各模塊參數(shù)一致性要求較高且各模塊不能獨立工作。

平均值電流控制法：采用雙環(huán)控制，外環(huán)為電壓環(huán)，內環(huán)為電流環(huán)。各電源模塊的參考電壓和參考電流均為平均值，且各模塊輸出電流跟蹤參考電流。

2.2.3微電源并網(wǎng)逆變技術

逆變電源和同步發(fā)電機不同，需要控制輸出電壓的相位和頻率才能與電網(wǎng)保持同步。因而需要并網(wǎng)逆變技術。并網(wǎng)逆變器分為低頻和高頻兩種基本結構：

(1)低頻逆變器電路由工頻逆變器、工頻變壓器以及輸入、輸出濾波器構成。低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器具有以下特點：電路結構簡潔、允許功率雙向流動、單級功率變換(DC-LFAC)，變換效率高，按變壓器體積和重量大、音頻噪音較大。這使得使用這種并網(wǎng)技術的微網(wǎng)可以工作在多模式下，既可以作為電源向主網(wǎng)供電也可以作為負荷。

(2)高頻逆變器電路[8]由高頻逆變器、高頻變壓器、整流器、極性反轉逆變橋以及輸入、輸出濾波器構成。特點：高頻電氣隔離、電路結構簡單、單向功率流通、三級功率變換、直流變化極工作在SPWM、極性反轉逆變橋應力低等。使用高頻并網(wǎng)技術使輸出特性更加有優(yōu)越，且省去了笨重的工頻變壓器，極大促進可再生能源的利用。

3　前景瞻望

3.1微電網(wǎng)在電力市場的發(fā)展趨勢

先階段國網(wǎng)[9]也在全面推進分布式電源的應用，鼓勵用戶“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”，盡管分布式電源盡管優(yōu)勢明顯，但也存在一些問題。特別是相對于大電網(wǎng)而言是一個不可控電源，其滲透率提高會危害電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以會根據(jù)分布式電源用戶所處公變臺區(qū)和線路的線路負載和容量情況有限制，著也一定程度上影響分布式電源的全面發(fā)展。

為了最大限度利用分布式電源的效益，同時協(xié)調與大電網(wǎng)的矛盾，所以提出了微網(wǎng)的概念，微網(wǎng)是一個用戶側的電網(wǎng)，它通過一個公共連接點與大電網(wǎng)連接。微網(wǎng)整合了分布式發(fā)電的優(yōu)勢，實現(xiàn)了主動式配電，是對智能電網(wǎng)安全性、可靠性、自愈性和生存性重要保障。微網(wǎng)運行將是電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

3.2微電網(wǎng)與智能電網(wǎng)

微電網(wǎng)[6]是智能電網(wǎng)的有機組成部分，是對智能電網(wǎng)的有力補充。微電網(wǎng)建設有利于提高了電力系統(tǒng)面臨突發(fā)災難時的抗災能力。大電網(wǎng)中超大型電站與微電網(wǎng)中分散微型電站的結合，可以減少電力輸送距離、降低輸電線路的投資和電力系統(tǒng)的運營成本，確保電力系統(tǒng)的運行更安全和更經(jīng)濟。

3.3微電網(wǎng)與新能源

隨著傳統(tǒng)能源儲量減少、發(fā)電成本上升及新能源發(fā)電技術水平越趨成熟，而且由于新能源的高效、無污染特點，都將標志著新能源發(fā)電將會被市場所接收。微電網(wǎng)以新能源發(fā)電為核心，也必然會被市場所慢慢接收。

4　總結

通過對微電網(wǎng)的形態(tài)、技術等了解，我覺得微電網(wǎng)很有發(fā)展?jié)摿?。但目前微網(wǎng)的建設可能需要投入較高成本。我想隨著技術的成熟和器件的成本下降，微網(wǎng)定會有很好的將來。

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Summary of Micro-grid

ZHENGJing，LIGeng,ZHANGYan-hua,LIULin

(College of Electrical and New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443002,China)

Micro-Grid is a new network architecture and is a set of system unit micro power load,energy storage systems and control apparatuses.Micro-grid is a autonomous systems that can realization of self-control,protection and management,run with an external power grid,it can also be run in isolation.Because some of micro distributed power source,so itself with volatility,thus the need to balance the energy storage device.Micro-grid control mainly PQ,PV,VF three control modes.

micro-grid;isolated operation;network operation;control mode;storage

1004-289X(2016)02-0001-04

TM71

B

2015-05-16

鄭晶(1991-)，女，湖北荊州人，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)高壓與絕緣，新能源電力系統(tǒng)控制與優(yōu)化；

李賡(1991-)，男，湖北荊州人，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)負荷預測，電力市場營銷；

張艷華(1990-)，女，湖北漢川人，碩士研究生，主要研究方向：電力設備故障監(jiān)測與診斷；

劉林(1989-)，男，湖北荊州人，碩士研究生，主要研究方向：高壓絕緣與測試技術、電力設備故障監(jiān)測與診斷。