高原高寒地區(qū)智能分布式光伏微電網(wǎng)研究綜述*

王玉群

（西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 拉薩 850000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市集中化程度越來(lái)越突出，無(wú)論是工業(yè)的生產(chǎn)用電量還是市民的生活用電量均呈直線上升。因此傳統(tǒng)的集中型高壓遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)的規(guī)模也隨著用電需求量的不斷增大而提高，同時(shí)其建設(shè)成本高、運(yùn)維難度加大、送電質(zhì)量難以跟進(jìn)、用戶不斷提高的多樣化用電需求等弊端也愈發(fā)突出。并且隨著能源危機(jī)的日益凸顯，環(huán)境污染問(wèn)題的越來(lái)越嚴(yán)重，在盡量利用各種清潔能源進(jìn)行分布式發(fā)電的基礎(chǔ)上，有機(jī)結(jié)合先進(jìn)的通訊、測(cè)量、傳感等技術(shù)和先進(jìn)控制方法的智能微電網(wǎng)系統(tǒng)成為了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究的焦點(diǎn)［1］。智能微電網(wǎng)系統(tǒng)由于盡可能的以可再生能源（太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能等）為主，?dāng)?shù)胤奖憧色@取的化石能源（天然氣等）為輔［2］，且就近分布于用戶側(cè)附近，因此智能微電網(wǎng)系統(tǒng)提高了用戶側(cè)供電的可靠性以及能達(dá)到能源階梯使用的目的。其供電網(wǎng)路中電量損耗小，具有能源利用率高、方便檢修等優(yōu)點(diǎn)，因此逐漸得到了世界各國(guó)的關(guān)注。

文章主要綜述了智能分布式微電網(wǎng)的概念及特征，給出了世界各國(guó)在智能分布式微電網(wǎng)運(yùn)用方面的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，以及分析了智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的三大關(guān)鍵部分（能量管理、系統(tǒng)控制及系統(tǒng)保護(hù)）。

1 智能分布式微電網(wǎng)的特征

1.1 智能分布式微電網(wǎng)的概念

由于世界各國(guó)對(duì)于微電網(wǎng)的定義不同，因此世界各國(guó)的專家學(xué)者對(duì)于智能分布式微電網(wǎng)的定義同樣有所區(qū)別。Galvin Electriity Initiative認(rèn)為智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)就是傳統(tǒng)集中型、大型供電系統(tǒng)的小型化、現(xiàn)代化、智能化體現(xiàn)，其不僅能夠盡可能的滿足用戶多樣化用電的需求且能保證供電質(zhì)量的可靠性和安全性，并最大限度的利用可再生能源及促使電網(wǎng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新［3］。Valence Energy認(rèn)為智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)該是在利用多種能源（包括：可再生能源及非可再生能源）進(jìn)行耦合發(fā)電的同時(shí)，能夠通過(guò)末端用戶側(cè)進(jìn)行智能化控制和管理，并在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的同時(shí)以求達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化［2］。中國(guó)專家學(xué)者認(rèn)為智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)即為微型電網(wǎng)系統(tǒng)表現(xiàn)出智能化，依靠小型、分散型資源為基礎(chǔ)，將分布式發(fā)電技術(shù)與末端用戶側(cè)用能管理及能量梯級(jí)利用技術(shù)相結(jié)合，從而形成分散式的小型模塊化送電網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)先進(jìn)的通訊、測(cè)量、監(jiān)控及控制等技術(shù)使微型電網(wǎng)滿足對(duì)未來(lái)電能質(zhì)量、環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面的更高需求［4］。

雖然世界各國(guó)對(duì)于智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的定義有所不同，但對(duì)于智能分布式微電網(wǎng)的基本共識(shí)是：智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)由各種分散式電能來(lái)源、電能存儲(chǔ)單元、負(fù)載、保護(hù)設(shè)備、智能監(jiān)控及智能控制幾大部分組成。其具有靈活可調(diào)、智能監(jiān)控、智能控制等特點(diǎn)，且擁有并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運(yùn)行模式。根據(jù)電量使用量的實(shí)際情況，整個(gè)系統(tǒng)的電容量一般為數(shù)千瓦到數(shù)兆瓦不等［5］。智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)不僅可為附近區(qū)域供電，在一定條件下，還可為附近區(qū)域供熱或制冷，并且與傳統(tǒng)市政電網(wǎng)一般是并聯(lián)的關(guān)系。表1給出了美國(guó)、歐盟以及中國(guó)高原高寒地區(qū)智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)。

表1 各國(guó)的智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)

1.2 智能分布式微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

1.2.1 美國(guó)智能分布式微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。美國(guó)電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)（簡(jiǎn)稱CERTS）提出的智能分布式微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。并且與美國(guó)電力公司合作，在Dolan技術(shù)中心建立了一個(gè)大規(guī)模的集監(jiān)控、控制、保護(hù)設(shè)備和電能管理為一體的智能分布式微電網(wǎng)平臺(tái)［6］。該智能微電網(wǎng)系統(tǒng)主要由三條饋線構(gòu)成：其中一條仍然與市政電網(wǎng)相連接，當(dāng)該饋線上靜態(tài)開(kāi)關(guān)處于閉合但不向市政電網(wǎng)送電的時(shí)候，該條饋線仍可將分布式電源產(chǎn)生的電能輸送至負(fù)載。另外兩條饋線連接DG單元，且可進(jìn)行離網(wǎng)運(yùn)行。CERTS提出的智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中主要由兩個(gè)核心元件組成：即可控制的微電源及靜態(tài)開(kāi)關(guān)。

圖1 美國(guó)智能分布式微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.2.2 歐盟智能分布式微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。由雅典國(guó)立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，并且與Siemesn、ABB、SMA、ZIV及I-Power等公司合作的歐盟第六框架計(jì)劃（2002-2006）項(xiàng)目［7］：Ad?vanced Architectures and Control Concepts for More Mi?crogrids”，其項(xiàng)目總投資為850萬(wàn)歐元［7］。該項(xiàng)目主要研究的方向是智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的智能監(jiān)控和控制策略，整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理和保護(hù)方案，以及該系統(tǒng)對(duì)市政電網(wǎng)的影響等［8］。歐盟的智能分布式微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)智能分布式微電網(wǎng)的核心是與分布式電源及負(fù)載相連的中央控制器（簡(jiǎn)稱MGCC）［9］，MGCC通過(guò)設(shè)定的初始值向分布式電源控制器（MC）及負(fù)載控制器（LC）提供信號(hào)，以達(dá)到控制分布式電源及負(fù)載匹配運(yùn)行的目的。

圖2 歐盟智能分布式微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.2.3 中國(guó)高原高寒地區(qū)智能分布式微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。中國(guó)智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)研究工作的開(kāi)展，主要還是依照CERTS的基本理念，研究的方向主要針對(duì)的是智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的并、離網(wǎng)運(yùn)行模式，系統(tǒng)的智能化控制程度以及該系統(tǒng)對(duì)市政電網(wǎng)的影響等方面。且國(guó)家對(duì)于智能分布式微電網(wǎng)的研究工作也給予了大力支持，例如國(guó)家的“863”及“973”計(jì)劃中，均支持了智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的研究［10］。圖3是西藏自治區(qū)能源研究示范中心建設(shè)的用于辦公樓供電的智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)主要由：255Wp多晶硅光伏組件、240kWh儲(chǔ)能電池、58kW儲(chǔ)能變流器、配電柜以及智能通訊柜五大部分組成。該智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)主要運(yùn)用的是分層控制體系，智能控制系統(tǒng)由系統(tǒng)中心總控制器（通訊柜）和兩個(gè)遠(yuǎn)程控制器（儲(chǔ)能變流器和配電柜）構(gòu)成。

圖3 中國(guó)高原高寒地區(qū)智能分布式微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.3 智能分布式微電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)

1.3.1 智能分布式微電網(wǎng)對(duì)于市政電網(wǎng)。智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)由于可以利用不同種類（太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、天然氣等）的分散型能源進(jìn)行耦合發(fā)電，因此其實(shí)現(xiàn)了多種能源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了分散型能源的能源利用率，且減小了由于單一分散型能源發(fā)電的不穩(wěn)定性可能對(duì)市政電網(wǎng)造成的影響；智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)由于采用的是就近發(fā)電的原則，因此其不僅降低了電路網(wǎng)絡(luò)的輸電損耗，還減小了由于市政電網(wǎng)升級(jí)而帶來(lái)的建設(shè)成本；由于智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的區(qū)域性集中型送電特征，因此其減小了市政電網(wǎng)的備用電需求量，降低了市政電網(wǎng)的用電高峰值。

1.3.2 智能分布式微電網(wǎng)對(duì)于用戶側(cè)。智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)具有靈活的運(yùn)行模式，因此可滿足用戶的多樣化用電需求；智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用戶側(cè)用電自治，提高了區(qū)域性電網(wǎng)抵抗自然災(zāi)害的能力，保證了區(qū)域性供電的可靠性；用戶側(cè)可通過(guò)智能化控制，有能力為自己提供更高質(zhì)量的電能；智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)可為缺電甚至無(wú)電地區(qū)提供配電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)村村通電的目標(biāo)；智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)由于大部分選擇的是可再生能源作為發(fā)電來(lái)源，因此其保障了能源的可持續(xù)利用，節(jié)能環(huán)保。

2 智能分布式光伏微電網(wǎng)的關(guān)鍵部分

2.1 用能管理

用能管理單元作為智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)中最核心的部分，其應(yīng)具有以下五個(gè)方面的功能，即：人機(jī)交流、數(shù)據(jù)監(jiān)控、信息分析、信息預(yù)測(cè)及控制優(yōu)化［3］。用能管理單元通過(guò)利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，能夠得到用戶側(cè)的實(shí)時(shí)用電需求量和實(shí)時(shí)電價(jià)的波動(dòng)情況等信息，并根據(jù)這些信息及智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行條件從而進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，最后制定出經(jīng)濟(jì)效益最高且系統(tǒng)運(yùn)行最優(yōu)的實(shí)施方案。圖4為西藏自治區(qū)能源研究示范中心的BMS通訊拓?fù)鋱D。

智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的用能管理單元與傳統(tǒng)市政電網(wǎng)的用能管理單元主要有以下三個(gè)方面的區(qū)別：①智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的用能管理單元不僅有電能管理單元，其往往還包含有熱能管理單元（針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)、冬季進(jìn)行供熱或炎熱地區(qū)夏季進(jìn)行供冷），用能管理單元中的電、熱管理單元需要相互協(xié)調(diào)工作；②智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的用能管理單元能實(shí)現(xiàn)與市政電網(wǎng)的電量交換（即：能實(shí)現(xiàn)并、離網(wǎng)運(yùn)行和富余電量上網(wǎng)）；③智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的用能管理單元能實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)的分級(jí)供電，例如在離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)且光照不足的條件下，此時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)電量不足以滿足整個(gè)用戶側(cè)的需求量，因此可以斷掉不重要的負(fù)載，優(yōu)先保證重要負(fù)載的供電。

智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)在今后的發(fā)展目標(biāo)：①提升系統(tǒng)的集中控制能力，使用戶側(cè)能更方便的控制整個(gè)系統(tǒng)；②提升系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，使系統(tǒng)能實(shí)時(shí)反應(yīng)電價(jià)情況；③提升系統(tǒng)的監(jiān)控采集能力，使系統(tǒng)能高效準(zhǔn)確的定位故障并處理各種信息；④提升系統(tǒng)的決策調(diào)度能力，使系統(tǒng)能提供最佳的運(yùn)行方案。

2.2 系統(tǒng)控制

智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行模式主要有并網(wǎng)運(yùn)行和離網(wǎng)運(yùn)行兩種狀態(tài)。

并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行，其光伏電源采用恒功率的控制模式，即通過(guò)將有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行耦合求解，利用電壓空間矢量控制技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)變流器的輸出電壓，再調(diào)節(jié)線路電流的大小，最后達(dá)到實(shí)現(xiàn)恒功率的目的［11］。并網(wǎng)運(yùn)行模式由于把有功功率和無(wú)功功率設(shè)定為參考值，因此光伏電源的輸出功率維持其參考值來(lái)輸出。

圖4 西藏自治區(qū)能源研究示范中心的BMS通訊拓?fù)鋱D

離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其光伏電源一般采用下垂控制或恒壓恒頻率的控制模式。其中下垂控制是將有功功率或無(wú)功功率的初始設(shè)定值定義為控制的參考值，再根據(jù)有功功率與頻率的線性關(guān)系及無(wú)功功率與輸出電壓的線性關(guān)系，利用下垂控制計(jì)算得到變流器的輸出頻率和輸出電壓（與發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻類似）［12］。而恒壓恒頻率控制則是通過(guò)控制輸出電壓和頻率的大小，使其維持在參考值范圍內(nèi)，進(jìn)而來(lái)達(dá)到控制調(diào)節(jié)的目的（與發(fā)電機(jī)二次調(diào)頻類似）［12］。

2.3 系統(tǒng)保護(hù)

智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)由于是利用了太陽(yáng)能作為電源的區(qū)域性有源網(wǎng)絡(luò)，因此其與市政電網(wǎng)的系統(tǒng)保護(hù)存在著巨大的差別。智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的內(nèi)部電流流動(dòng)是雙向的，因此其必須安裝防逆流設(shè)備，以防止內(nèi)部電流反向流向光伏組件。由于智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行及離網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)下，其短路電流的大小相差很大，因此在設(shè)置電流保護(hù)值時(shí)應(yīng)分開(kāi)設(shè)定，以防止出現(xiàn)系統(tǒng)短路的情況。智能分布式光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)定應(yīng)能根據(jù)實(shí)時(shí)信息對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障作出高效準(zhǔn)確的判斷，以達(dá)到市政電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)所要求的：迅捷性、靈敏性和可靠性。并且該保護(hù)系統(tǒng)能同時(shí)適用于并網(wǎng)運(yùn)行及離網(wǎng)運(yùn)行兩種狀態(tài)，即當(dāng)進(jìn)行并/離網(wǎng)切換時(shí)，該保護(hù)系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)失效的情況。

智能分布式光伏微電網(wǎng)的系統(tǒng)保護(hù)方法主要分為：過(guò)流保護(hù)、電壓保護(hù)、補(bǔ)償保護(hù)、適應(yīng)保護(hù)及差動(dòng)保護(hù)等［13］。其中蘇海濱等還通過(guò)數(shù)值模擬，提出利用安裝中央控制器（智能數(shù)值測(cè)量單元）來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器的系統(tǒng)保護(hù)方法，其不僅可以降低系統(tǒng)的投資成本，還提高了系統(tǒng)的可靠性［14］。

3 結(jié)語(yǔ)

智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)由于盡量利用了分散式的可再生能源，且采用了先進(jìn)的監(jiān)控、控制、通訊及計(jì)算機(jī)等技術(shù)，因此其不僅實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排、降低損耗的目的，還實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)系統(tǒng)智能化的目的，從而得到高度重視。但是隨著智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)在整個(gè)配電系統(tǒng)中的比率上升，那么如何提高智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的人機(jī)交流能力、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控能力、分析預(yù)測(cè)能力、故障準(zhǔn)確定位能力、群控能力、多能源協(xié)調(diào)能力等將成為智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。并且伴隨智能分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)數(shù)量增多，可能會(huì)出現(xiàn)區(qū)域性虛擬電站的建設(shè)劃分、電量統(tǒng)一上網(wǎng)等問(wèn)題，這些都需要國(guó)家來(lái)統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)。