微電網(wǎng)示范工程綜述

王彥宇，郭權(quán)利

（沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

目前，微電網(wǎng)示范工程的建立已成為世界性的熱點話題，國內(nèi)外投入運行的微電網(wǎng)示范工程超過400多個?，F(xiàn)如今，我國各高校的微電網(wǎng)實驗室為主要的微電網(wǎng)研究平臺，實驗室的模擬仿真雖然具有參考意義，但是缺乏一定的實際意義。因此，微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)將微電網(wǎng)實驗搬到了實際中來，通過微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)使得微電網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)及研究成果得以集中驗證和展示，為微電網(wǎng)的研究提供了實際證明。隨著國內(nèi)外微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)，對其相關(guān)技術(shù)與信息的匯總整理具有非常重要的意義。

1 微電網(wǎng)示范工程的典型特征

1.1 微電網(wǎng)示范工程的運行模式

微電網(wǎng)示范工程存在兩種典型的運行模式：并網(wǎng)模式和孤網(wǎng)模式。正常情況下微電網(wǎng)與常規(guī)大電網(wǎng)相連，微電網(wǎng)的斷路器閉合，使得微電網(wǎng)與大電網(wǎng)進行電能的交換，新能源系統(tǒng)可在并網(wǎng)運行時發(fā)電，儲能系統(tǒng)也可在并網(wǎng)運行時進行充電和放電，或通過控制器轉(zhuǎn)換為離網(wǎng)運行模式。離網(wǎng)模式也稱為孤島運行模式，可劃分為兩種：一種指在微網(wǎng)與大電網(wǎng)不直接相連，使微電網(wǎng)能夠獨立運行，如希臘島的愛琴海風(fēng)光柴蓄微電網(wǎng)示范工程；另一種是當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障時，微電網(wǎng)與主網(wǎng)的配電系統(tǒng)斷開，由發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和用電負(fù)荷構(gòu)成獨立的運行方式，且聯(lián)網(wǎng)模式與孤島模式之間的切換必須要做到平滑且迅速，如美國威斯康辛麥迪遜分校微電網(wǎng)示范工程，云電科技園區(qū)多級智能微電網(wǎng)示范平臺和河南財專分布式光伏發(fā)電微網(wǎng)控制工程等。

1.2 微電網(wǎng)示范工程的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的確定是進行微電網(wǎng)示范工程規(guī)劃設(shè)計的前提條件。微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包含了電氣內(nèi)部接線網(wǎng)絡(luò)、發(fā)電、儲能、負(fù)荷及分布式電源在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置等部分。根據(jù)微電網(wǎng)的工作特點，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為輻射型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2.1 輻射型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)中的每條母線端均匯集到一個中心點形成輻射型網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其中的某條線路發(fā)生故障時，斷路器切除故障線路，保證其他線路正常運行，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。輻射型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點是由于輻射型網(wǎng)絡(luò)的中心點選在了地理位置的中點，使得輸電線路總長度最短，節(jié)約了輸電線路，且每條直流輸電線路僅需要配置一個直流斷路器；而缺點是當(dāng)中心點母線發(fā)生故障時，所有的斷路器都會發(fā)生動作，使得整個微電網(wǎng)系統(tǒng)陷入癱瘓。

圖1 輻射型微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2.2 環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)的所有線路相互連接，構(gòu)成一個閉合的環(huán)網(wǎng)，且在線路的兩端各需配置一個斷路器。若線路發(fā)生故障，斷路器動作，切除故障線路，使得系統(tǒng)保持一個開環(huán)的狀態(tài)繼續(xù)穩(wěn)定運行。環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點是投資少，每一個負(fù)荷均可從多條路徑供電，保證了用電的可靠性；而缺點是環(huán)網(wǎng)中的任意節(jié)點若出現(xiàn)故障，則會造成整個電網(wǎng)癱瘓，而且對于電網(wǎng)中各個節(jié)點的故障診斷也非常困難。如圖2為美國狂河市微電網(wǎng)示范工程環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 美國狂河市微電網(wǎng)示范工程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3 微電網(wǎng)示范工程的供電模式

微電網(wǎng)按其供電模式可分為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)。交流微電網(wǎng)是指由電力電子裝置將分布式電源和儲能裝置等連接至交流母線。交流微電網(wǎng)支持并網(wǎng)和孤網(wǎng)兩種運行模式。在并網(wǎng)運行模式下，微網(wǎng)中能夠?qū)崿F(xiàn)能量的相互交換，當(dāng)外部電網(wǎng)發(fā)生故障時，可切換為孤網(wǎng)運行模式，繼續(xù)為微網(wǎng)負(fù)荷提供安全、可靠的電能。同時采用上層監(jiān)測與控制手段，可以實現(xiàn)兩種運行模式的無縫切換，如青海光儲交流微電網(wǎng)示范工程。

直流微電網(wǎng)是一種采用了直流輸配電的微電網(wǎng)模式，通過直流母線將各個電源和重要負(fù)荷相連，從而為對電能質(zhì)量要求較高的直流負(fù)荷提供了安全可靠的供電。直流微電網(wǎng)與傳統(tǒng)的交流微電網(wǎng)相比，具有線路損耗低、電能質(zhì)量高、重構(gòu)靈活等優(yōu)勢，可以更充分發(fā)揮分布式電源以及微電網(wǎng)的價值和效益，如美國CERTS實驗基地直流微電網(wǎng)示范工程和廈門大學(xué)光伏建筑一體化直流微電網(wǎng)示范工程等。

交直流混合微電網(wǎng)根據(jù)分布式電源的不同包含直流和交流兩條母線，可同時兼容交直流分布式電源及負(fù)荷，具有損耗小、效率高、靈活性強、電網(wǎng)改造成本低等特點，兼顧了直流微電網(wǎng)和交流微電網(wǎng)兩者的優(yōu)點，更加利于分布式電源的接入，提高了微電網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性和經(jīng)濟性。在世界上，交直流混合微電網(wǎng)為主流研究方向，如美國勞倫斯伯克利國家實驗室微電網(wǎng)示范工程。

1.4 微電網(wǎng)示范工程的容量和電壓等級

微電網(wǎng)能夠穩(wěn)定運行，其主要原因是具有穩(wěn)定的電壓等級。因此，微電網(wǎng)才能夠得到迅速的發(fā)展。微電網(wǎng)的分布式電源主要接在用戶側(cè)，傳輸?shù)木嚯x短，從而決定了微電網(wǎng)的電壓等級和容量大小。因此，微電網(wǎng)的電壓等級相對較低，容量較小。目前，國內(nèi)外對于微電網(wǎng)示范工程的電壓等級還未具有明確的規(guī)定。美國微電網(wǎng)示范工程的電壓等級以480 V為主，如威斯康辛麥迪遜分校微電網(wǎng)示范工程，電氣可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會微電網(wǎng)示范工程，美國勞倫斯伯克利國家實驗室微電網(wǎng)示范工程和加利福尼亞州帕姆代爾市微電網(wǎng)示范工程等，其容量等級均不超過2 MW。歐洲微電網(wǎng)示范工程的電壓等級以400 V為主，如西班牙巴斯克地區(qū)的畢爾巴鄂市微電網(wǎng)示范工程，希臘愛琴海基克拉迪群島微電網(wǎng)示范工程和法國巴黎礦業(yè)學(xué)院的能源研究中心微電網(wǎng)示范工程等。我國現(xiàn)有的微電網(wǎng)電壓等級一般為400 V，如光、儲、熱一體化協(xié)調(diào)運行控制技術(shù)研究及微電網(wǎng)示范工程，中新天津生態(tài)城智能電網(wǎng)綜合微網(wǎng)示范工程和河南財專分布式光伏發(fā)電及微網(wǎng)控制工程等。

1.5 微電網(wǎng)示范工程的控制策略

微電網(wǎng)的控制方式主要包含了3種：微電網(wǎng)整體控制策略、微電源控制策略和分層控制策略。微電網(wǎng)整體控制策略分為主從型和對等型控制策略；微電源控制策略可以分為恒功率控制、下垂控制和恒壓恒頻控制；分層控制方法可分為3層，每一層獨立完成自身的控制任務(wù)，利用通信通道向下層傳達命令，且傳達命令過程中不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。基于下垂控制方法，微電網(wǎng)分層控制的第一層為分布式電源和負(fù)荷控制，第二層為在第一層控制信號基礎(chǔ)上的頻率和電壓幅值控制，第三層為微電網(wǎng)功率和主網(wǎng)功率控制。如美國威斯康辛麥迪遜分校微電網(wǎng)示范工程采用了下垂控制策略，太原理工大學(xué)風(fēng)光儲交直流混合微電網(wǎng)示范工程采用了恒功率控制和恒壓恒頻控制策略，河南財專分布式光伏發(fā)電及微網(wǎng)控制工程采用了恒功率控制和Droop控制策略。

表1總結(jié)了國內(nèi)外微電網(wǎng)示范工程的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、微電網(wǎng)電壓等級、電源類型、供電范圍、控制方式和并網(wǎng)接口，為微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

表1 國內(nèi)外微電網(wǎng)示范工程匯總

2 國內(nèi)外微電網(wǎng)示范工程的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 可再生能源接入技術(shù)

目前，世界各國都在進行微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)，均已成功將新能源接入微電網(wǎng)系統(tǒng)。美國勞倫斯伯克利國家實驗室微電網(wǎng)示范工程接入10 kW光伏和100 kW風(fēng)力發(fā)電機，通過逆變裝置為直流負(fù)荷供電，該工程的建設(shè)允許3套獨立系統(tǒng)同時運行；法國巴黎礦業(yè)學(xué)院的能源研究中心微電網(wǎng)示范工程的發(fā)電設(shè)備為3.1 kW光伏實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和孤島運行；浙江舟山東福山島是國內(nèi)首個微網(wǎng)綜合示范工程，發(fā)電機組由7臺單機容量30 kW的風(fēng)力發(fā)電機和100 kW的光伏發(fā)電系統(tǒng)組成，總裝機容量為310 kW，建成了風(fēng)光柴儲“分布式發(fā)電”綜合系統(tǒng)。

2.2 聯(lián)網(wǎng)和孤島模式之間的無縫切換技術(shù)

當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障時，如果微電網(wǎng)從聯(lián)網(wǎng)模式到孤島模式之間未能做到合理的切換，會導(dǎo)致其輸出電壓和頻率發(fā)生偏移，從而不能保證重要負(fù)荷的供電質(zhì)量，造成重大的經(jīng)濟損失和人身安全的問題；當(dāng)大電網(wǎng)恢復(fù)正常時，如果沒有做到從孤島模式到聯(lián)網(wǎng)模式的切換，將會導(dǎo)致微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間存在相位差，使得微電網(wǎng)并網(wǎng)時產(chǎn)生較大的沖擊電流，造成用電設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞，使得大電網(wǎng)系統(tǒng)和微電網(wǎng)系統(tǒng)受到?jīng)_擊或使得并網(wǎng)開關(guān)再次斷開。所以微電網(wǎng)中聯(lián)網(wǎng)與孤島之間的無縫切換變得尤為重要，如美國威斯康辛麥迪遜分校微電網(wǎng)示范工程，電氣可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會微電網(wǎng)示范工程，法國巴黎礦業(yè)學(xué)院的能源研究中心微電網(wǎng)示范工程和河南財專分布式光伏發(fā)電及微網(wǎng)控制工程的建設(shè)均適用了聯(lián)網(wǎng)與孤網(wǎng)運行的無縫切換實驗。

2.3 微電網(wǎng)示范工程儲能技術(shù)

在微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)中，儲能系統(tǒng)是必不可少的一部分。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，不能保證對負(fù)荷提供持續(xù)可靠的電能。此時，儲能系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用。儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)的電能質(zhì)量、電網(wǎng)穩(wěn)定性以及供電可靠性都有很大的提升，可以為負(fù)荷短時供電，實現(xiàn)“削峰填谷”。當(dāng)新能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生故障時，儲能系統(tǒng)可以起到過渡的作用，滿足負(fù)荷的供電需求。西班牙巴斯克地區(qū)的畢爾巴鄂市微電網(wǎng)示范工程的儲能裝置為聯(lián)網(wǎng)和孤島模式切換提供了可靠的電能供給；2008年，日本中部城市機場微電網(wǎng)示范工程成功地運用了儲能技術(shù)，其儲能裝置為熔碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、磷酸燃料電池及鈉硫儲能電池組；浙江溫州南麂島微電網(wǎng)示范工程儲能裝置的建設(shè)，用于蓄電池使用特性最大化延長使用壽命的運行策略研究。

2.4 微電網(wǎng)保護技術(shù)

微電網(wǎng)保護需要考慮很多問題。由于微電網(wǎng)的運行分為孤島運行和聯(lián)網(wǎng)運行兩種模式，所以微電網(wǎng)的短路電路和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯的差異，微電網(wǎng)中可能含有不同類型的分布式電源，分布式電源短路電路差異較大，微電網(wǎng)的故障切除需要更短的切除時間。如美國電氣可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會微電網(wǎng)示范工程和加利福尼亞微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)均適用于微電網(wǎng)繼電保護的研究。

2.5 微電網(wǎng)通訊技術(shù)

建立高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)智能微電網(wǎng)的基礎(chǔ)，微電網(wǎng)的所有數(shù)據(jù)獲取、保護和控制都需要這樣的通信系統(tǒng)的支持。微電網(wǎng)內(nèi)部須容納不同類型的發(fā)電設(shè)備和用戶負(fù)荷，這就要求相應(yīng)的通信協(xié)議必須具備開發(fā)性好、更標(biāo)準(zhǔn)化、復(fù)雜程度低等特點。意大利交替結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)實現(xiàn)了微網(wǎng)通訊技術(shù)的研究。

3結(jié)語

世界各國現(xiàn)有的微電網(wǎng)示范工程為我國微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)與發(fā)展提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗，并通過對國內(nèi)外微電網(wǎng)示范工程的總結(jié)，明確了我國微電網(wǎng)示范工程的發(fā)展方向。

我國微電網(wǎng)示范工程已實現(xiàn)了微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行和孤立運行，并且可以平滑地切換，同時擁有上層調(diào)度管理系統(tǒng)，允許多套獨立系統(tǒng)同時運行。結(jié)合美國，歐洲，日本等微電網(wǎng)示范工程的研究成果，我國微電網(wǎng)示范工程可繼續(xù)在微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)功能上進一步完善，設(shè)計具有綜合性和多樣性等特點的微電網(wǎng)示范工程實驗。因此，微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用多母線輻射網(wǎng)，具備多條高低壓直流網(wǎng)和多條交流子網(wǎng)，以適應(yīng)多種狀態(tài)下的實驗分析與模擬運行，同時設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)，利用云計算和云調(diào)控來研究分布式電源輸出功率的變化、負(fù)荷變化對微網(wǎng)暫態(tài)運行的影響，建設(shè)繼電保護裝置實現(xiàn)對微網(wǎng)的繼電保護研究，并在多種運行狀態(tài)下，演示從聯(lián)網(wǎng)切換到孤島狀態(tài)的可能性，進行各種實驗設(shè)備的仿真測試，從而搭建功能多樣化、設(shè)備完善化的微電網(wǎng)示范工程，建設(shè)適用于微電網(wǎng)各項技術(shù)研究的綜合性實驗平臺。