微電網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用關(guān)鍵問題綜述

張群安

摘 要 電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中最受關(guān)注的問題是穩(wěn)定性與安全性，由于分布式電源的不可控性以及隨機(jī)波動(dòng)性，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來很大影響，當(dāng)前國(guó)際上通用的電力標(biāo)準(zhǔn)一般都對(duì)分布式電源進(jìn)行限制和隔離，減少其對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊與影響。微電網(wǎng)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制和保護(hù)的自動(dòng)化系統(tǒng)，是一個(gè)完整的電力系統(tǒng)。本文對(duì)微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用進(jìn)行分析和探討。

關(guān)鍵詞 微電網(wǎng)技術(shù)；分布式電源；應(yīng)用

中圖分類號(hào) TM7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）182-0092-02

分布式電源是電力系統(tǒng)中電源的一種，指的是在用戶現(xiàn)場(chǎng)或者靠近用電現(xiàn)場(chǎng)配置一個(gè)功率較小的發(fā)電機(jī)組，確保配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。關(guān)于分布式電源當(dāng)前并沒有統(tǒng)一的定義，一般都認(rèn)為是為了滿足終端用戶的特殊用電需求而接載的一個(gè)小型供電系統(tǒng)。分布式發(fā)電技術(shù)的投資較小、環(huán)保性高，能夠利用一些可再生能源，并且能夠?qū)ξ磥淼囊?guī)模較大的電網(wǎng)提供充足的電力支撐，因此分布式電源在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛。盡管分布式電源具有很多優(yōu)勢(shì)，但是分布式電源在使用過程中也存在一些問題，比如對(duì)分布式電源進(jìn)行控制的難度較大，分布式電源本身就有不可控性，分布式電源的滲透率加高，這些問題的存在，會(huì)導(dǎo)致分布式電源對(duì)電力系統(tǒng)帶來較大的沖擊，如果系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，則分布式電源一般都是立即退出的，不能與電網(wǎng)進(jìn)行連接，因此分布式電源就不能發(fā)揮相應(yīng)作用。微電網(wǎng)技術(shù)是對(duì)分布式電源和電網(wǎng)之間的矛盾進(jìn)行解決的重要技術(shù)，微電網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在自動(dòng)控制和管理上，能夠有效地解決分布式電源存在的各種缺陷。

1 微電網(wǎng)概述

微電網(wǎng)是一種新型的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵字是“微”，即小型電網(wǎng)，與傳統(tǒng)的大規(guī)模電網(wǎng)相比較而言，其功能性不差，只是規(guī)模相對(duì)較小。微電網(wǎng)包括幾個(gè)主要部分，分別是微電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)、控制裝置，可以實(shí)現(xiàn)自我控制、自我保護(hù)、自我管理，并且能夠和其他的電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)也能獨(dú)立于其他電網(wǎng)運(yùn)行。在微電網(wǎng)中有多個(gè)分布式結(jié)構(gòu)，能夠通過開關(guān)與常規(guī)的微電網(wǎng)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的控制。在微電網(wǎng)中，就地控制器是一個(gè)十分關(guān)鍵的部分，包括分布式電源以及相應(yīng)荷載，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)的暫態(tài)控制，使得微電網(wǎng)的能量高管理變得更加穩(wěn)定、安全。

從系統(tǒng)角度來看，微電網(wǎng)是一種現(xiàn)代電子技術(shù)，可以將各種設(shè)備、裝置組在一起。對(duì)于規(guī)模較大的電網(wǎng)來講，可以將微電網(wǎng)看成是一個(gè)可控制的小型電網(wǎng)單元，其反應(yīng)制動(dòng)靈敏性更高，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)就完成對(duì)其他裝置和設(shè)備的控制，并且能夠滿足外部元件的配電要求。當(dāng)然，從用戶的角度來講，微電網(wǎng)則可以滿足用戶的一些要求，尤其是一個(gè)個(gè)性化需求，例如降低電能損耗、節(jié)約成本、提高電壓穩(wěn)定性等，都可以通過微電網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

正是由于微電網(wǎng)可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行也能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行，因此當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)故障的時(shí)候微電網(wǎng)仍然能夠正常運(yùn)行，所以提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止由于電力故障導(dǎo)致各種電氣設(shè)備不能運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)當(dāng)前使用較多的一種關(guān)于微電網(wǎng)的定義得知，微電網(wǎng)中的電源可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)提供電力和熱力，而且微電源大多是電子型的，具有一定的靈活性，能夠確保以一個(gè)集成系統(tǒng)運(yùn)行，正是由于微電源的靈活性，使得整個(gè)微電網(wǎng)成為一個(gè)可以獨(dú)立運(yùn)行的單元，能夠提高電器元件對(duì)電源的需求。另有學(xué)者在對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行研究的時(shí)候認(rèn)為，微電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間的關(guān)系，是相互聯(lián)系也相互獨(dú)立的，當(dāng)主電網(wǎng)出現(xiàn)故障的時(shí)候微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，但是當(dāng)主電網(wǎng)恢復(fù)正常之后微電網(wǎng)要及時(shí)與配電系統(tǒng)進(jìn)行連接，保證用戶的電力供應(yīng)一直不間斷，提高供電可靠性。因此，微電網(wǎng)技術(shù)中避免了傳統(tǒng)的分布式電源對(duì)配電網(wǎng)帶來的負(fù)面影響，而且還能對(duì)接入了微電網(wǎng)的配電網(wǎng)起到支持作用。

當(dāng)前我國(guó)微電網(wǎng)技術(shù)中，應(yīng)用比較廣泛的是功率范圍在100kW以下的微型燃?xì)廨啓C(jī)，其轉(zhuǎn)速較高，采用空氣軸承，發(fā)出的電流信號(hào)頻率較高，經(jīng)過交流、直流、交流變化之后可以形成50Hz的工頻交流電，并且供給相應(yīng)的荷載單元使用。但是有一個(gè)問題需要注意，傳統(tǒng)微型燃?xì)廨啓C(jī)的燃料燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的氣體，因此要摒棄這種方式，可以采用燃料電池，具有高效、低排特點(diǎn)，尤其是對(duì)于一些高溫環(huán)境比較適用，但是燃料電池的價(jià)格比較貴，在實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)可行性不高，未來還應(yīng)該要加強(qiáng)對(duì)這類電池的研究。

2 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

相對(duì)于電力系統(tǒng)而言，微電網(wǎng)的獨(dú)立性更強(qiáng)，每一個(gè)微電源都可以實(shí)現(xiàn)自主控制，具有即拔即插功能，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，微電網(wǎng)中的每一個(gè)電源都能實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)的電壓控制、潮流控制，并且能夠維持微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在微電網(wǎng)中，配電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間如果突然解除連接，則可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)中的設(shè)備產(chǎn)生很大的沖擊，為了減少這種沖擊，則可以對(duì)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行分別連接，例如將一些不是太重要的設(shè)備連接在同一條饋線上，將一些重要的或者比較敏感的荷載連接在另外的饋線上，對(duì)于連接了重要以及敏感荷載的饋線上裝設(shè)分布式電源、儲(chǔ)能元件及相應(yīng)的控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)設(shè)備。采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)微電網(wǎng)與主電網(wǎng)解除連接的時(shí)候，隔離裝置可以發(fā)揮相應(yīng)作用，確保重要的、敏感的荷載元件依舊可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。微電網(wǎng)的控制能夠主要通過以下幾個(gè)部分實(shí)現(xiàn)。

2.1 微電源控制器

微電源控制器是微電網(wǎng)中的一個(gè)重要元件，微電網(wǎng)的控制功能主要依靠微電源控制器實(shí)現(xiàn)，通過微電源控制器可以對(duì)饋線電流、母線電壓級(jí)與主電網(wǎng)之間的并網(wǎng)和解網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行控制，而且微電源本身能夠?qū)崿F(xiàn)即插即拔，主要是通過就地信號(hào)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的，反應(yīng)時(shí)間是毫秒級(jí)，十分靈敏。

2.2 飽和協(xié)調(diào)器

飽和協(xié)調(diào)器在主電網(wǎng)的故障和微電網(wǎng)故障處理過程中都比較適用，當(dāng)主電網(wǎng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，飽和協(xié)調(diào)器可以將微電網(wǎng)中的一些重要荷載元件與主電網(wǎng)隔離開，在某些情況下，微電網(wǎng)中的一些重要的荷載元件可以暫時(shí)降低電壓，并且通過系統(tǒng)的一系列補(bǔ)償措施，使得主電網(wǎng)與微電網(wǎng)不分離。

2.3 能量管理器

能量管理器主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度的元件，其調(diào)度的標(biāo)準(zhǔn)是預(yù)先對(duì)電壓和功率進(jìn)行設(shè)置的數(shù)值。

3 微電網(wǎng)的控制與運(yùn)行方式

3.1 微電網(wǎng)的控制技術(shù)

微電網(wǎng)的基本控制功能有：如果微電網(wǎng)中接入了新的電源，要確保原始設(shè)備工作情況的穩(wěn)定，由于微電網(wǎng)本身能夠快速地與電網(wǎng)之間進(jìn)行并網(wǎng)和解網(wǎng)，所以微電網(wǎng)的控制技術(shù)更加靈活，能夠帶來更加良好的控制效能。具體說來微電網(wǎng)控制技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面：

第一，基本的有功和無功功率控制。微電網(wǎng)中的微電源大多是電力電子型，因此微電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)中的不同性質(zhì)的功率是分開調(diào)節(jié)的，例如逆變器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的控制，而通過逆變器的電壓以及網(wǎng)絡(luò)電壓的相角則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率的控制。

第二，基于調(diào)差的電壓調(diào)節(jié)。在一些規(guī)模較大的電網(wǎng)中，各個(gè)電源之間的阻抗較大，因此不會(huì)出現(xiàn)無功環(huán)流現(xiàn)象，但是微電網(wǎng)中的電壓整定值相對(duì)較小，如果微電網(wǎng)中有大量的微電源接入，而不能進(jìn)行就地電壓控制，則可能會(huì)產(chǎn)生電壓以及無功振蕩，對(duì)電壓進(jìn)行控制的要求就是要保證微電網(wǎng)中不會(huì)出現(xiàn)無功環(huán)流。

因此，要對(duì)微電網(wǎng)中微電源所發(fā)出的電流進(jìn)行分析，看電流是屬于感性還是容性的，根據(jù)電流性質(zhì)再確定電壓整定值，一般產(chǎn)生的電流為容性時(shí)，其電壓整定值要相應(yīng)降低，而產(chǎn)生的電流為感性時(shí)，其電壓整定值要相應(yīng)升高。

第三，快速負(fù)荷跟蹤和儲(chǔ)能。在一個(gè)規(guī)模較大的電網(wǎng)中，當(dāng)接入一個(gè)新的荷載時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)能量平衡，則主要是依賴于大型發(fā)電機(jī)的慣性，此時(shí)系統(tǒng)頻率略微降低，外界幾乎無法察覺，同時(shí)，由于微電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)的慣量相對(duì)較小，加上有的電源的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，因此當(dāng)微電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間接觸連接，分別獨(dú)立運(yùn)行的時(shí)候，微電網(wǎng)必須要借助蓄電池、超級(jí)電容器、飛輪等儲(chǔ)能設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)的慣性進(jìn)行增加，才能確保電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

第四，頻率調(diào)差控制。當(dāng)微電網(wǎng)與主電網(wǎng)斷開連接獨(dú)立運(yùn)行的時(shí)候，微電網(wǎng)中各個(gè)機(jī)組所承擔(dān)的荷載比例不相同，要通過頻率調(diào)差控制，對(duì)各個(gè)機(jī)組承擔(dān)的負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，從而使得各個(gè)機(jī)組得到有效調(diào)配，對(duì)資源進(jìn)行充分利用，防止某個(gè)機(jī)組荷載過大的現(xiàn)象。

3.2 微電網(wǎng)的運(yùn)行方式

1）微電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行。微電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行指的是微電網(wǎng)與主電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)連接運(yùn)行的方式，要根據(jù)微電網(wǎng)中的荷載情況來確定具體的保護(hù)方案，同時(shí)要根據(jù)微電網(wǎng)中負(fù)荷對(duì)電壓變化的敏感度來設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)裝置，例如當(dāng)配電網(wǎng)中出現(xiàn)故障的時(shí)候，要采用高速開關(guān)類隔離裝置，將微電網(wǎng)中的一些重要的敏感的元件隔離開。此時(shí)，微電網(wǎng)中的DR應(yīng)該要保持閉合狀態(tài)，確保配電網(wǎng)出現(xiàn)故障之后依舊能夠給微電網(wǎng)中的一些重要的負(fù)荷進(jìn)行供電。如果微電網(wǎng)中出現(xiàn)故障，除了進(jìn)行隔離之外，還應(yīng)該要及時(shí)做好與主電網(wǎng)之間的連接，一旦配電網(wǎng)恢復(fù)了正常運(yùn)轉(zhuǎn)，則還應(yīng)該要通過測(cè)量對(duì)電壓的幅值和角度進(jìn)行確定，采用手動(dòng)或者自動(dòng)的方式將微電網(wǎng)重新接入主電網(wǎng)中。如果微電網(wǎng)中的微電源數(shù)量為一個(gè)，則可以采用手動(dòng)方式重新接入，如果有多個(gè)微電源，則可以采取自動(dòng)方式重新接入。

2）微電網(wǎng)的獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)微電網(wǎng)與主電網(wǎng)獨(dú)立的時(shí)候，為了使得微電網(wǎng)中隔離的故障區(qū)域更小，則要對(duì)微電網(wǎng)中的保護(hù)裝置進(jìn)行有效地協(xié)調(diào)和分配，從而使得微電網(wǎng)能夠獨(dú)立運(yùn)行，提高運(yùn)行效率。當(dāng)前微電網(wǎng)中的設(shè)備大多是電子型設(shè)備，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，其發(fā)出的故障電流大小不強(qiáng)，不能有效地啟動(dòng)電網(wǎng)保護(hù)裝置使其制動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，為了解決這個(gè)問題，只能從改變微電網(wǎng)中的保護(hù)裝置和保護(hù)策略著手，例如在微電網(wǎng)中可以采用一些阻抗型、零序電流型、差分型保護(hù)裝置，對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，另外，還要做好微電網(wǎng)的接地設(shè)計(jì)，提高微電網(wǎng)繼電保護(hù)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

綜上所述，能源危機(jī)和環(huán)境問題促使我們要不斷開發(fā)新能源，分布式電源具有較大的空間和前景，但是分布式電源自身的限制決定了要對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善和調(diào)整。微電網(wǎng)是一種全新的電網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種荷載的電能供給，并且提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的過渡。

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