微電網(wǎng)研究綜述

甘梓寧

摘? 要：微電網(wǎng)是未來智能電網(wǎng)的重要組成部分，微電網(wǎng)的研究與應(yīng)用是高滲透率新能源接入電網(wǎng)的有效途徑。該文緊緊圍繞微電網(wǎng)特點(diǎn)進(jìn)行深入細(xì)致的研究，主要工作有：總結(jié)了微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，主要包括微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制、設(shè)備的優(yōu)化配置以及微電網(wǎng)的功率控制方式，對(duì)微電網(wǎng)的形式特點(diǎn)進(jìn)行介紹，并對(duì)相關(guān)研究存在的問題進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)? 功率控制? 優(yōu)化配置

當(dāng)前，化石能源匱乏、環(huán)境保護(hù)問題突出及城市化進(jìn)程的需求，促使了以清潔能源發(fā)電為代表的分布式電源技術(shù)的興起及大力發(fā)展。而分布式電源輸出功率固有的波動(dòng)性、間歇性特點(diǎn)使其無法直接接入配電網(wǎng)，否則會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及安全性造成影響。而微電網(wǎng)能夠?qū)⑦@些分布式電源、儲(chǔ)能單元以及負(fù)荷進(jìn)行組網(wǎng)，從而形成一個(gè)獨(dú)立的小型發(fā)—輸—配—用電系統(tǒng)，然后再通過電力電子接口接入配電網(wǎng)，通過對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行控制，可以大大減小分布式電源輸出功率的波動(dòng)性對(duì)配電網(wǎng)的影響，從而形成“配電網(wǎng)-微電網(wǎng)”良好互動(dòng)的新型組網(wǎng)形態(tài)[1，2]。因此目前世界各國(guó)都已相繼開展了對(duì)于微電網(wǎng)拓?fù)洹⒖刂埔约氨Ｗo(hù)等方面研究。

微電網(wǎng)是未來能源產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向，是對(duì)大電網(wǎng)的有益補(bǔ)充，目前己成為電力系統(tǒng)與電力電子領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)與電網(wǎng)的融合，微電網(wǎng)對(duì)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展同樣具有推動(dòng)作用。該文主要介紹微電網(wǎng)及的特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀以及其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

1? 研究現(xiàn)狀

目前，世界電力行業(yè)內(nèi)還沒有對(duì)微電網(wǎng)給出明確而統(tǒng)一的定義，但國(guó)內(nèi)外對(duì)微電網(wǎng)的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，形成了相關(guān)理論知識(shí)、仿真及實(shí)驗(yàn)分析、微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室、示范工程等一系列成果。美國(guó)是最早提出微電網(wǎng)概念并著手研究的國(guó)家，由一些科技公司主導(dǎo)建立了一批微電網(wǎng)工程，促進(jìn)了微電網(wǎng)基本控制運(yùn)行理論的逐步完善，同時(shí)還形成了一套比較完整的微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理規(guī)則。能源匱乏的韓國(guó)和日本重點(diǎn)針對(duì)直流微電網(wǎng)開展研究，研究?jī)?nèi)容包括如何實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)能量供需平衡、能量管理系統(tǒng)和高效功率變流器的設(shè)計(jì)、微電網(wǎng)如何實(shí)現(xiàn)分布式能源與本地配電網(wǎng)互聯(lián)等方面[3]。歐洲科技強(qiáng)國(guó)對(duì)微電網(wǎng)技術(shù)的研究更關(guān)注微電網(wǎng)是否能保證用戶電能質(zhì)量，以及如何保證連接微電網(wǎng)的配電網(wǎng)自身穩(wěn)定性方等方面。2015年6月IEEE在美國(guó)亞特蘭大組織召開了第一屆直流微電網(wǎng)國(guó)際會(huì)議，介紹了直流微電網(wǎng)相關(guān)研究技術(shù)和工程實(shí)踐的最新研究進(jìn)展。

近年來，我國(guó)各大高校及科研院所均對(duì)微電網(wǎng)開展了深入研究，國(guó)內(nèi)已建成和在建的微電網(wǎng)示范工程多達(dá)數(shù)十個(gè)。2011年中新天津生態(tài)城智能電網(wǎng)綜合示范工程投入運(yùn)營(yíng);2014年廈門大學(xué)投運(yùn)我國(guó)第一個(gè)太陽(yáng)能建筑一體化的直流微電網(wǎng)，浙江溫州鹿西島微電網(wǎng)示范工程建成[4];2015年河北電力科技園風(fēng)、儲(chǔ)、熱一體化示范工程建成，許多技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

由于微電網(wǎng)的組成部分較多，其協(xié)調(diào)控制技術(shù)一直是研究的難點(diǎn)。針對(duì)含有多種分布式能源的混合微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略開展研究，其在并網(wǎng)和離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，研究各接口變換器的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)功率平衡、微源的最大功率輸出、交直流母線能量交互最少的運(yùn)行效果，在微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，研究多種分布式電源的主從控制策略，科學(xué)配置可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

同時(shí)，微電網(wǎng)設(shè)備的優(yōu)化配置問題也得到廣泛研究，通過對(duì)系統(tǒng)中各單元經(jīng)濟(jì)性分析，研究容量?jī)?yōu)化配置、各類型電源及機(jī)組最優(yōu)組合、不同微電源的功率輸出優(yōu)化分配問題。針對(duì)這些研究，已提出采用目標(biāo)逼近與二次序列相結(jié)合的優(yōu)化規(guī)劃求解方法，根據(jù)不同的能源類型、負(fù)荷類型目標(biāo)，構(gòu)建了單目標(biāo)和多目標(biāo)微電網(wǎng)容量?jī)?yōu)化函數(shù)，提出了相應(yīng)的優(yōu)化算法，還提出了一些最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略。

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行與離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，主電源與從電源的控制方式并不相同。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，主電源和從電源均采用PQ控制;離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，主電源采用V/f控制，用以維持系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定，而從電源仍然采用PQ控制。由此可知，主電源在不同的運(yùn)行方式下的控制目標(biāo)和控制策略各不相同。微電網(wǎng)控制方式也是重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一，針對(duì)多微電源組成微電網(wǎng)，研究其在并網(wǎng)模式、孤網(wǎng)模式以及過渡模式下的運(yùn)行、控制和保護(hù)策略。

2? 微電網(wǎng)的特點(diǎn)

由于傳統(tǒng)電網(wǎng)為交流網(wǎng)，為了便于連接且不改變?cè)信潆娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)形式，所以微電網(wǎng)中，交流微電網(wǎng)是目前的主要形式。交流微電網(wǎng)中的分布式電源、儲(chǔ)能單元、部分負(fù)荷等無法直接與交流母線連接，需通過電力電子變換裝置接入交流母線，再通過公共連接點(diǎn)接入大電網(wǎng)。然而，隨著分布式電源的發(fā)展以及電動(dòng)充電汽車等直流負(fù)荷的増加，直流微電網(wǎng)的研究開始活躍。直流微電網(wǎng)中的分布式電源、直流負(fù)荷同樣需通過電能轉(zhuǎn)換裝置接入直流母線，再通過公共連接點(diǎn)與大電網(wǎng)進(jìn)行連接。直流微電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，交直流變換裝置減少，成本降低且變換效率更高;并不需要考慮系統(tǒng)中諧波、無功功率補(bǔ)償?shù)挠绊懀绷髫?fù)荷可直接通過直流微電網(wǎng)供電。

若同一地區(qū)有多種分布式能源和負(fù)荷，要想獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，需將其分別接入不同供電類型的微電網(wǎng)。所以，將交流微電網(wǎng)與直流微電網(wǎng)互聯(lián)構(gòu)成交直流混合微電網(wǎng)可同時(shí)接入包括光伏、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能裝置、小型發(fā)電機(jī)、直流負(fù)荷、交流負(fù)荷等多種交直流能源形式。交直流混合微電網(wǎng)是適應(yīng)新的分布式電源形式及負(fù)荷而建立，圖1為交直流混合微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其接入電網(wǎng)的形式與交流微電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)并無差別，均需通過公共連接點(diǎn)接入大電網(wǎng)。在圖1中，在交直流母線之間安裝電力電子變流器，可以實(shí)現(xiàn)交流母線和直流母線之間的能量雙向流動(dòng)。交直流混合微電網(wǎng)與單一供電形式的微電網(wǎng)相比具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，將交直流微電網(wǎng)互聯(lián)后，在系統(tǒng)供需功率不平衡時(shí)，交直流微電網(wǎng)可互為備用，互相支撐維持系統(tǒng)功率平衡，降低電壓和頻率的波動(dòng)幅值，減少敏感設(shè)備損壞，改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。其次，對(duì)比相同的交流分布式電源和負(fù)荷數(shù)量、直流電源和負(fù)荷數(shù)量，混合微電網(wǎng)顯著地減少了電力電子變流器，確保不同類型的負(fù)荷分別接入，增強(qiáng)接入形式的靈活性，降低建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本。同時(shí)，交直流混合微電網(wǎng)的系統(tǒng)范圍和容量相比單一微電網(wǎng)都大，是二者之和;在負(fù)荷投切時(shí)，引起的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的沖擊會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)容量的增加而得到一定的“稀釋”，提高重要負(fù)荷的供電可靠性，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的供電質(zhì)量都是有利的。同時(shí)，交直流混合微電網(wǎng)相比單一微電網(wǎng)還提高了系統(tǒng)的最大接納容量，系統(tǒng)內(nèi)共同分擔(dān)接入容量。

3? 結(jié)論與展望

微電網(wǎng)對(duì)支撐以分布式能源為主要的多種能源形式及負(fù)荷的電網(wǎng)具有重要意義，促進(jìn)城市區(qū)域配電網(wǎng)的發(fā)展，其并網(wǎng)特性、柔性電力特性、電能質(zhì)量定制化、能量信息流等特征在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建中起到重要作用。該文對(duì)微網(wǎng)的特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行總結(jié)分析，并給出以下建議：（1）隨著技術(shù)的發(fā)展，微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性方面應(yīng)該得到重視，經(jīng)濟(jì)性的運(yùn)營(yíng)方案有待進(jìn)一步研究和完善，以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。（2）互聯(lián)變流器接入交直流混合微電網(wǎng)中時(shí)，其濾波裝置的設(shè)計(jì)通常比較簡(jiǎn)單無法應(yīng)對(duì)變化多端的運(yùn)行情況，不能達(dá)到足夠滿意的濾波效果，這將影響微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此控制模型應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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