微電網(wǎng)關鍵技術研究綜述

馮培磊，陳瀟雅，徐天奇

（1.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽省六安市 237000；2.云南民族大學 電氣信息工程學院，云南省昆明市 650500）

0 引言

在各國飛速發(fā)展，人們生活水平快速提高的時代，各種大負荷用電設備不斷增多，這也使得電力系統(tǒng)輸電量不斷增大。傳統(tǒng)的大容量、集中式、遠距離的高壓傳輸方式表現(xiàn)出運營成本高、運行難度大和調節(jié)能力差的弊端日益凸顯[1]。同時，環(huán)境污染和能源危機等問題也越來越受到世界人們的重視，因此分布式發(fā)電開始受到國內外學者的不斷研究，其具有能源利用率高、環(huán)境污染少、供電操作靈活、投入成本低等特點是解決上述問題的有效途徑。然而，分布式電源接入電網(wǎng)時，會對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊，為解決這一問題，因而提出了微電網(wǎng)的概念[2]。

微電網(wǎng)可以很好的把分布式電源連接起來，不但可以把電能直接傳輸給用戶，而且可以實現(xiàn)與大電網(wǎng)的完美并聯(lián)，即實現(xiàn)孤島、并網(wǎng)的運行模式。然而微電網(wǎng)的許多技術并不成熟，近年來，許多國家都開展了微電網(wǎng)的各項研究工作，研究主要包括其可接入性、靈活性、可靠性等方面。微電網(wǎng)技術是將來分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢的代表，是未來電力系統(tǒng)配用電的重要組成部分，同時也起到能源節(jié)約，促進能源可持續(xù)發(fā)展的作用[3]。

本文通過對微電網(wǎng)技術的發(fā)展應用展開綜述，首先對微電網(wǎng)進行概述，然后重點從微電網(wǎng)的控制策略、儲能技術、保護機制及規(guī)劃設計等關鍵技術進行總結研究，從而提出一些亟需解決的問題，并對微電網(wǎng)技術的未來發(fā)展進行展望。

1 微電網(wǎng)概述及特點

微電網(wǎng)，顧名思義，也就是小型電網(wǎng)的意思，它與傳統(tǒng)大規(guī)模的電網(wǎng)相比就是規(guī)模較小，然而功能并不差，微電網(wǎng)的概念沒有明確的統(tǒng)一，各國根據(jù)本國的實際情況提出了不同的微電網(wǎng)概念[4]。微電網(wǎng)一般都包括分布式電源、負荷、儲能裝置、控制裝置等幾個部分組成，并能實現(xiàn)孤島（直接連接用戶）、并網(wǎng)（連接大電網(wǎng)）兩種運行模式，還可以在這兩種模式中平滑切換，微電網(wǎng)的組成和功能如圖1所示。同時微電網(wǎng)還具有微型、清潔、自治、友好四種基本特點，這些特點決定了微電網(wǎng)具有電壓等級低、能源綜合利用率高、能夠實現(xiàn)電力供應的自平衡以及大大減少大規(guī)模分布式電源接入電網(wǎng)時帶來的沖擊等優(yōu)點。

圖1 微電網(wǎng)的組成和功能Figure 1 Structure and function of microgrid

從系統(tǒng)層面上來看，微電網(wǎng)是一種把設備、裝置組合在一起的現(xiàn)代電力電子技術；從大規(guī)模的電網(wǎng)來講，微電網(wǎng)就是一個微型、可控制的小電網(wǎng)，其具有很高的靈敏性，能夠迅速的對其他裝置和設備進行控制；從用戶的角度來說，微電網(wǎng)則可以滿足用戶的許多要求，包括降低電能損耗、節(jié)約成本、提高電壓穩(wěn)定性等，都可以通過微電網(wǎng)技術來實現(xiàn)[5]。

2 微電網(wǎng)控制策略

微電網(wǎng)的控制主要是對微電網(wǎng)運行的控制，從而保證其穩(wěn)定安全的運行，微電網(wǎng)系統(tǒng)都是采用有效的協(xié)調控制方法進行分布式電源和負荷之間的穩(wěn)定運行控制。微電網(wǎng)的控制策略通常包括主從控制和對等控制。在微電網(wǎng)的控制方法中主要用到變流器控制技術，它對微電網(wǎng)系統(tǒng)能否孤島穩(wěn)定運行以及能否實現(xiàn)快速并網(wǎng)起到關鍵性作用，常用的微電網(wǎng)變流器控制技術有PQ控制、恒壓恒頻V/F控制以及下垂控制[6]。

2.1 主從控制

主從控制就是各微電源運用多種控制方法把PQ控制與V/F控制結合起來，使得分布式電源具有各種不同的職能，它由主控制器和從控制器組成，主控制器一般使用V/F控制，從控制器的運行方式由主控制器來控制[7]。各微源間需要信號線來連接，實現(xiàn)信息的通信，如果通信系統(tǒng)出現(xiàn)問題，微網(wǎng)將難以繼續(xù)運行。

不管是在孤島運行模式還是在并網(wǎng)運行模式下主從控制都表現(xiàn)出較好的優(yōu)勢，不過其主要運行在孤島模式下。文獻[8]把經(jīng)過改進的下垂控制和PQ控制通過結合運用到微電源的主從控制中，實現(xiàn)微電網(wǎng)兩種運行方式之間的無縫切換，又通過Matlab的仿真，從而證明了主從控制的可行性。雖然主從控制大多需要微電源之間通過信號線連接而通信，但是通過一些技術的處理還是可以不依賴通信設備，比如文獻[9]提出將多個V/F控制的主電源設置在微電網(wǎng)的孤島運行中，該方法沒有通信設備，即可按照預期的裕度進行運行，具有很好的自適應能力，同樣證明了微電網(wǎng)主從控制的合理性，為微電網(wǎng)運行控制提供了有效的途徑。

2.2 對等控制

對等控制中的“對等”也有相同的意思，就是指微網(wǎng)中的所有微電源在控制上有著相同的地位，沒有主從之分。在對等控制模式下，每個分布式電源之間不需要互相通信聯(lián)系，就可以進行輸出功率的自動分配，從而實現(xiàn)“即插即用”的功能，不但提高了微電網(wǎng)的可靠性，同時也降低了系統(tǒng)的成本。雖然對等控制有著許多優(yōu)點，但是由于其在控制方面比較復雜，要求較高，則不易得到應用，不過隨著微電網(wǎng)的不斷研究和規(guī)模的擴大，這項問題將會有更多人去探索，是一個研究的趨勢。

在實現(xiàn)對等控制的方法中主要用到了下垂控制方法。文獻[10]利用有功頻率——無功電壓下垂控制公式來證明下垂控制只需要本地量測的信息，并不依賴于通信，比其他控制方法具有很大的優(yōu)勢。其公式如式（1）、式（2）所示。

式中w0，V0——系統(tǒng)的額定頻率與額定電壓；

pi，Qi——分布式電源實際輸出的有功和無功功率；

mi和ni——有功和無功下垂系數(shù)。

分布式電源在接入電網(wǎng)時會出現(xiàn)較大的電壓波動，為解決該問題，需要分布式電源逆變器對電壓進行調整，這通常也用到對等控制下的下垂控制技術。文獻[11]中將分布式電源逆變器輸出阻抗設計成容性，又經(jīng)過數(shù)學建模后把它與感性和阻性的逆變器下垂控制特性作比較，從而得出輸出為容性的阻抗分布式電源逆變器更易于在公共的連接點處進行電壓處理。文獻[12]提出在傳統(tǒng)的下垂方程中加入微分補償環(huán)節(jié)，從而改進了下垂特性的功率控制器，改善了逆變器的跟蹤性能，并降低了空載環(huán)流，同時提高了供電可靠性。

3 微電網(wǎng)儲能技術

在微電網(wǎng)分布式電源中會用到風能、潮汐能、光伏能等清潔能源發(fā)電，然而這些能源發(fā)電會出現(xiàn)發(fā)電的不連續(xù)性或間歇性，這對電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定是不允許的。微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島運行模式的切換中，會出現(xiàn)功率的缺額，只通過電源發(fā)出的功率很難快速的進行補償，因此在電網(wǎng)中安裝儲能裝置就可以較好的解決此問題。儲能系統(tǒng)具有功率雙向流動、控制靈活的特點，因而對儲能系統(tǒng)的優(yōu)化為微電網(wǎng)經(jīng)濟運行起到十分重要的作用。

3.1 一般儲能方式

現(xiàn)有的儲能技術主要有四類，分別是蓄電池儲能、飛輪儲能、超導儲能、超級電容儲能。對于各種儲能方式的優(yōu)缺點許多文獻中都已涉及，這里就不在贅述，直接看表1列出了四類存儲技術的各項指標對比[13]。

表1 四種儲能技術的各項指標Table 1 Indexes of four kinds of energy storage technologies

由表1可以看出電池類的儲能方式能量密度、功率密度和效率都很高，而且年使用價格表現(xiàn)最低，但是電池使用壽命最短，響應速度慢，只能用做緊急備用的電源。飛輪、超級電容和超導三種儲能方式表現(xiàn)功率密度大，使用壽命長，效率高，但是在存儲過程中自損耗較大，不宜長時間存儲，并且成本也很高。

3.2 復合儲能方式

在上述分析中可以看出各種儲能方式都存在一些缺點，因此在這種情況下各種存儲方式可以聯(lián)合起來，相互結合優(yōu)勢，彌補缺陷，從而形成復合存儲模式。

對于復合性儲能的研究，更多的運用到超級電容器和蓄電池的結合，主要是因為它們有著相似的儲能方式，同時超級電容有著高功率密度，再加上蓄電池具有高能量密度，則有著較好的配合使用條件，而且兩者在年使用價格上也表現(xiàn)出一個價格最低，一個較高，從而優(yōu)勢互補，由此表現(xiàn)了很好的經(jīng)濟效益，更適合相互結合使用。同時超級電容器儲能與飛輪儲能和超導儲能進行比較，它在運行時沒有復雜的運動部件，從而很少需要維修，因此穩(wěn)定性就很高，適合和其他儲能方式相互配合使用。文獻[14]提出運用超級電容器和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)，應用在分光互補的微電網(wǎng)中，從而很好的提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。文獻[15]將超級電容器和蓄電池完美的結合起來，從而又設計了復合儲能裝置的控制方法，既可以單獨控制兩種儲能方式，又可以在電壓缺損條件下快速的供能，保持裝置的穩(wěn)定運行。

4 微電網(wǎng)保護機制

微電網(wǎng)的保護是在微電網(wǎng)發(fā)生故障時，能夠快速準確的切除故障并恢復微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的一種關鍵技術，其設備特性非常復雜、網(wǎng)絡結構也樣式各異、運行方式變換不定，這使得微電網(wǎng)的保護機制顯地尤為重要[16]。傳統(tǒng)的三段式過流保護已經(jīng)無法滿足微電網(wǎng)的運行需求，現(xiàn)在新的保護策略主要有過流保護、差動保護、距離保護、自適應保護等[17]。

對于微電網(wǎng)的保護方案是一個比較關注的問題，文獻[18]對上述四種新的保護策略進行了詳細的介紹，并提出一套微電網(wǎng)繼電保護方案，由不同的保護對象，制定出不同的保護方案，從而來解決電網(wǎng)保護過程中故障雙向電流、不同運行模式短路電流差異、故障切除必須迅速等難題。文獻[6]設計了微電網(wǎng)保護策略的方法，如圖2所示，對微電網(wǎng)保護機制進行了較全面的設計和總結。文獻[19]通過電流差分保護，提出在智能繼電器控制網(wǎng)絡基礎上的微電網(wǎng)保護方案。增加環(huán)結構設計，使微電網(wǎng)在故障線路切除后最大限度地連接微電源個數(shù)，從而提高微電網(wǎng)供電的可靠性。

圖2 實現(xiàn)微電網(wǎng)保護策略方法Figure 2 Implementation of microgrid protection strategies

在微電網(wǎng)保護機制中提到的各種保護方法的成功實施都需要具有特殊的對故障處理安全有效的識別算法。微網(wǎng)和大電網(wǎng)一樣有著復雜的結構，同時還有著兩種不同的運行方式，因此要實現(xiàn)微網(wǎng)的安全可靠運行就要研究出能夠解決微網(wǎng)故障的有效算法。文獻[20]提出低壓自適應電流突變保護新算法，該算法可以記錄故障之前一段時間負荷的電流狀態(tài)，通過電流的大小來自動調整保護的動作，并能夠識別微電網(wǎng)的狀態(tài)，從該狀態(tài)的變化自動調整保護定值。

5 微電網(wǎng)規(guī)劃設計

微電網(wǎng)規(guī)劃設計是實現(xiàn)后續(xù)實施、運行、維護等工作的前提，其目的是在考慮經(jīng)濟的合理性、環(huán)境的有好性及技術的可行性基礎上，結合特定的目標和系統(tǒng)約束條件，確定系統(tǒng)的結構和設備配置，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟性、環(huán)保性及能源利用效率等指標的優(yōu)化[1]。微電網(wǎng)規(guī)劃設計是對多目標的設計規(guī)劃，具有較大的隨機性和不確定性，其研究主要包括建模方案、可再生能源與負荷需求分析和優(yōu)化算法三個方面[21]。

在現(xiàn)今的文獻研究中，對于微電網(wǎng)的規(guī)劃設計更多的側重對算法和模型的優(yōu)化，對于可再生能源與負荷需求分析的文獻較少。其實總體來看，相對于前面幾種技術，在微電網(wǎng)的規(guī)劃設計方面，較少有人涉及和研究。文獻[22]在微電網(wǎng)規(guī)劃中利用NSGA-II算法，并對該算法進行了改進，通過性能測試與其他常見的多目標優(yōu)化算法進行比較，而NSGA-II算法表現(xiàn)出更多的優(yōu)越性，之后又運用該算法對微電網(wǎng)模型進行求解，最后經(jīng)過綜合評價得到最合適的微電網(wǎng)規(guī)劃方案。文獻[23]分析了微電網(wǎng)孤島和并網(wǎng)運行模式的各種電源規(guī)劃模型，并通過各種模型的優(yōu)缺點，提出在兩種運行模式下微電網(wǎng)電源規(guī)劃的思路，對后來的研究具有一定的借鑒作用。

6 存在的問題及解決方法

對于微電網(wǎng)技術的研究已經(jīng)有不少的經(jīng)驗積累，但是還存在著許多的問題需要進一步的研究解決。

在控制策略方面。主從控制下用信號線通信的各微電源，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定性問題，在此情況下需要更好的把下垂控制、PQ控制和V/F控制進行優(yōu)化改進，不管在孤島運行還是在并網(wǎng)運行下，都具有自適應能力，以實現(xiàn)不需要通信的運行；在對等控制下的分布式電源逆變器控制電壓穩(wěn)定時，研究發(fā)現(xiàn)，當分布式電源逆變器輸出為容性阻抗時則利于電壓的控制，但是輸出阻抗一般都是阻性，設計為容性使電路復雜，成本也更高，并不宜大規(guī)模的應用，因此可以考慮把容性和阻性相結合的方法運用到不同位置的逆變器中；下垂控制公式是從穩(wěn)態(tài)下推導的，然而在暫態(tài)下就不能得到保障，可以考慮把下垂特性設計為余切等函數(shù)曲線來改善系統(tǒng)的暫態(tài)響應。

在儲能技術方面。該方面較多用到超級電容器儲能和蓄電池組合的方式，雖然具有很大的優(yōu)勢，但是大規(guī)模的運用還是會存在較多的污染問題。此時可以考慮把飛輪儲能和超級電容器儲能相結合，兩者在能量密度、功率密度和使用壽命上都有著很高的水準，并且沒有污染問題，年平均使用價格上也很低，因此兩者的結合具有很高的各方面效益，這可能是下一步的研究重點。

在保護機制方面。對一些有效的故障處理算法已經(jīng)有了較多的研究，但在設計出一套保護方案后，對故障的模型構建還相對缺乏，由于各個分布式電源的控制方法不同，導致他們電源故障時出現(xiàn)的電壓和電流也有所不同，只有建立了對應的模型，才能準確的分析判斷，制作的保護方案才有效可行。

在規(guī)劃設計方面。對于這方面的研究很少，不是因為這方面不重要，而是微電網(wǎng)技術還算是一種新型的技術，發(fā)展不夠成熟，也沒有大規(guī)模應用到現(xiàn)實生活中，在這方面的分工和任務并不太明確。因此對于這種情況需要鼓勵和支持更多的研究人員投入研究，比如提出規(guī)劃的具體內容和流程，從而不斷完善微電網(wǎng)規(guī)劃設計的理論體系。

7 總結與展望

自從微電網(wǎng)的概念被提出以來，國內外就展開對微電網(wǎng)技的不斷研究。通過對研究界較為關注的控制策略、儲能技術、保護機制及規(guī)劃設計四方面的微電網(wǎng)技術進行綜述，指出微電網(wǎng)的一些未解決的問題，同時也提出了相應問題的可能解決方法，并且還指出今后需要投入更多研究的方面。

全球能源危機、環(huán)境惡劣的背景下，微電網(wǎng)作為一種新能源發(fā)電模式，具有長久的經(jīng)濟、技術、環(huán)境和社會效益。越來越受到各國的重視，并會投入更多的研究，隨著微電網(wǎng)技術的不斷提高和體系的完善，微電網(wǎng)將會快速的發(fā)展下去，有著開闊的前景。以后微電網(wǎng)把各分布式電源相互連接起來，并得到大規(guī)模的應用，越來越多的用戶也會由此而受益。