中國儲能網訊：摘要：微電網整合了分布式發(fā)電的各種優(yōu)點，為新能源的有效利用提供了平臺。說明了微電網的產生背景，指出了傳統(tǒng)電網的缺陷以及分布式發(fā)電的利弊，引出微電網的概念。在此基礎上，介紹了國際上對微電網的具體定義、設計理念以及微電網在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了一些具有代表性的微電網示范工程。闡述了微電網的運行特征與控制方法兩方面的技術問題，對微電網在我國的發(fā)展進行了展望。
關鍵詞：分布式發(fā)電；微電網；微電源；電能質量
Research on Micro-grid development
MEI Wen-long
Abstract: Microgrid integrated the advantages of distributed generation, provided an effective method for grid connected power generation of new energy. An elaborate description for the background of microgrid was given. The traditional grid defects and disadvantages of distributed generation were pointed out, and then the concept of microgrid was extended. On this basis, the definition of microgrid, the concept of designing the microgrid and the current development of microgrid around the world were introduced. Then the key technical problems including operation characteristics and control method of the microgrid was analyzed. Finally, the future of microgrid in China was discuss.
Key words: distributed generation; microgrid; microsource; power quality
隨著我國經濟步入一個新的發(fā)展階段，電力需求與日俱增。過去的幾十年內，國家通過擴張電網規(guī)模滿足各行業(yè)的用電需求。這種方式在很長一段時間內產生了極大的經濟效益，但在經歷了世界范圍內的幾次大規(guī)模停電以及國內的冰災[1]與地震之后，人們逐漸意識到一味地給電網擴容不僅會加大電網運行的難度，降低電網供電的可靠性，這種發(fā)展模式在經濟上也不具備可持續(xù)性。
為解決上述問題，避免主電網無節(jié)制地擴張，各國學者提出使用分布式發(fā)電(DG)。因其距離負荷很近，省去了傳統(tǒng)電網遠距離輸電與調控的環(huán)節(jié)，提高了供電可靠性；DG將電能與熱能的利用相結合，提高了能源利用率；另外，現(xiàn)行的DG除包含傳統(tǒng)的發(fā)電形式，還融入了大量風電、光伏發(fā)電等，為清潔能源的利用提供了有利平臺。DG盡管優(yōu)點突出，但也存在缺點，單機接入成本高，可控性差等問題一直制約著DG的發(fā)展。
為了解決分布式發(fā)電系統(tǒng)的“先天缺陷”，本世紀初，學者們提出了微電網的概念。微電網，簡稱“微網”，本文給出了各國學者對于微電網的定義，以定義為切入點闡述了各國在微網發(fā)展方面的不同理念以及其各自的微電網結構，介紹了近些年微電網在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀；同時分析了微電網發(fā)展的關鍵技術，對微電網在我國的發(fā)展作出了展望。
1 微電網的概念與結構
目前，美國、歐盟、日本均對微電網進行了大量的研究。不過，由于各個國家和地區(qū)的國情不同，發(fā)展理念不同，其研究的側重點也不同，從而對微電網的定義也存在差異。
1.1 美國提出的微電網概念與結構
美國的可靠性技術解決方案協(xié)會(CERTS)是最早對微電網的可靠性、經濟性及電能質量控制作出深入研究的機構，其提出的微網概念與定義也是目前微網領域認可度最高、最為權威的。
在其定義中，微電網作為一個自控實體與配電系統(tǒng)相連，被看作主電網的一個互補的可控系統(tǒng)。依據(jù)這種理念設計出來的微電網會在并網運行時充分發(fā)揮系統(tǒng)的控制性能，通過各種電力電子轉換裝置實現(xiàn)微網與主網的協(xié)調運行；微電網在離網運行時也能夠滿足本地用戶對電能質量的要求，確保負荷的可靠運行；這種形式的微電網可以避免分布式發(fā)電對電網造成的負面影響，對配電網起到有利的支撐和補充。在定義微網的同時，CERTS給出了微電網的結構示意圖，如圖1。
圖1 CERTS的微網結構圖
與大部分微電網一樣，該微電網內含有多種微電源形式。為充分利用能量，在可以產生熱量的微電源附近安裝有熱力驅動的負荷。微網中還配備了保護協(xié)調器和潮流控制器，以實現(xiàn)對微電網系統(tǒng)的保護和有效控制。與其他微網不同，該微電網結構依據(jù)供電質量的要求不同，把負荷分為三類，即敏感負荷、可調節(jié)負荷、可中斷負荷，再對各類負荷進行不同優(yōu)先級的管理[2]。
1.2 歐盟對微電網的定義與結構
歐洲大陸幅員遼闊，一次能源的儲藏量極大。同時，歐洲在確保正常電力供應的前提下更為重視智能電網的建設。因此，微電網的靈活性、智能性、能量利用多元化等被視作微電網研究的重點。歐盟微電網項目給出的微電網定義是：微電網是一個合理利用一次能源的小型系統(tǒng)；該系統(tǒng)使用不可控、部分可控和全控三種微型電源，可實現(xiàn)冷、熱、電三聯(lián)供，并配有儲能裝置，同時使用電力電子裝置進行能量調節(jié)。
圖2 歐盟的微網結構圖
圖2是歐盟關于微電網定義的典型結構圖，此結構圖中包括多種能源利用形式，系統(tǒng)中還配備了飛輪儲能與蓄電池兩種可靠的儲能單元，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保障。除此之外，歐盟也非常重視微網的控制，在每種發(fā)電形式的出口端安裝有微電源控制器(MC)，負載的輸入端也接上了負載控制器(LC)。整個微網系統(tǒng)利用靜態(tài)開關實現(xiàn)與主電網的通斷，當靜態(tài)開關閉合，微電網與主電網相連，高壓側的電壓經變壓后需先經過微電網控制器(MGCC)才能正式接入微電網，這就維持了微網的最優(yōu)運行，并且允許微網作為一個整體向大電網供電。
1.3 日本微電網的定義
不同于美國與歐洲各國，日本面積狹小，資源匱乏，這種嚴峻的能源形式與其快速發(fā)展的經濟現(xiàn)狀之間顯得極不協(xié)調。對能源的渴求使得其發(fā)展理念更側重于儲能和多樣化地利用能源。以日本三菱為代表的微網研究機構給出的定義為：微電網是一種包含電源和熱能設備以及負荷的小型可控系統(tǒng)，其可作為一個整體單元接入主網運行，并且將以傳統(tǒng)電源供電的獨立電力系統(tǒng)歸入微電網研究范疇，大大擴展了CERTS對微電網的定義范圍。圖3為日本提出的典型微網結構。
圖3 日本的微網結構圖
2 微電網在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀
自微電網提出以來，各國不僅對微電網理論進行了大量研究，同時還建立了一些可實際應用的微網示范工程及微網測試平臺。而中國微網研究雖然起步較晚，但在各科研院校的共同努力下也取得了可喜的成就。
2.1 微電網在國外的發(fā)展現(xiàn)狀
美國在微網的概念驗證以及技術研發(fā)方面一直都處于世界領先水平。美國國防部(DOD)和國家能源部(DOE)這兩大政府機構為美國的微電網研究作出了極大貢獻。DOD近期正投資3 580萬美元，展開智能電網基礎設施可靠性與安全性示范(SPIDERS)項目的研究。DOE也同期斥資5 000萬美元用于建設最新的微電網工程；在其資助下，建成了Santa Rita監(jiān)獄微網[3]與Illinois工程學院微網，這兩大微電網工程充分體現(xiàn)了DOE的微網設計理念。除這兩大機構以外，美國其他研究部門也在微網軟件開發(fā)、經濟性評估、電能質量管理等諸多領域取得了舉世矚目的成果[4]。
歐盟對微電網的研究起步較早，第五與第六框架計劃的正式提出使得歐盟的微網研究引起了世界的廣泛關注。前者由歐盟政府專門撥款450萬歐元研究如何將大量分散的微電源與負荷整合成低壓的微電網系統(tǒng)；后者在此基礎之上繼續(xù)斥資860萬歐元，對微電網的控制與運行進行了研究。近期，歐盟又提出了第七框架計劃，旨在對微網發(fā)展遇到的新問題展開討論。目前，歐洲的微電網示范工程中最著名的有希臘的“Kythnos Island”微網工程與德國“Wallstadt”微電網工程等。
日本是最先發(fā)展微電網的亞洲國家，其專門成立了新能源綜合開發(fā)機構(NEDO)開展對新能源及其應用的研究。在微電網的研究過程中，日本建立了Archi微網、Kyoto微網、Hachinohe微網，這些微網中均包含多種分布式電源。隨后建立的Akagi微網和Sendai微網示范工程在早期的微網系統(tǒng)加入無功補償、動態(tài)電壓調節(jié)裝置，這些裝置與分布式電源結合，構成了一個新型的配電網絡。除日本以外，新加坡與韓國等亞洲國家也成立了自己的微電網研究機構，建立了幾個小型的微網平臺[5]。
2.2 微電網在國內的發(fā)展現(xiàn)狀
近些年來，我國各大科研院校和研究機構在國家“973”項目、“863”計劃項目的支持下探索了微電網發(fā)展中的一些重大技術問題，并搭建了一些具有代表性的微電網平臺。中國首個微電網平臺是由日本三菱公司在新疆星星峽建立的，建設地點雖然偏僻，但該微網卻并未鋪設昂貴的通訊線路，而是通過對各個環(huán)節(jié)的協(xié)調控制，實現(xiàn)了微電網的自動運行。另外，由國家發(fā)改委牽頭，杭州電子科技大學與日本NEDO合作建立了當時國際上唯一的光伏發(fā)電比例達50%的實驗微型電網，白天，該微電網能夠供應兩棟樓的用電，因為微網系統(tǒng)通過公共耦合點(PCC)與主電網相連，所以在夜晚各負荷可以直接從主電網中吸收電能，確保自身供電；同時，該微網內，儲能系統(tǒng)可以大大抑制公共耦合點處的功率波動，這對主電網來說是一個非常友好的特性。合肥工業(yè)大學建立的多能源發(fā)電實驗平臺則顯得更為全面[6]；該系統(tǒng)內部包括光伏發(fā)電、風力發(fā)電、燃料電池發(fā)電，同時配備了蓄電池和超級電容等儲能裝置，這也是目前國內比較成熟的一個微電網平臺。
3 微電網的關鍵技術
從微電網技術的角度看，微電網的運行特性與微電網的控制策略是目前微電網研究中兩個較為棘手的問題，這兩個問題的解決直接關系到微電網的經濟性與可靠性。
3.1 微電網的運行特征
微電網區(qū)別于其他電網形式最大的特征是存在兩種基本運行方式，即并網運行與離網運行。并網運行時，當DG發(fā)出的電能不能滿足內部負荷需求時，主電網會向微電網傳輸電能以實現(xiàn)負荷穩(wěn)定運行；DG發(fā)出的電能恰好滿足內部負荷需求，微網與主網則不存在電能的相互傳輸；DG發(fā)出的電能完全滿足微網系統(tǒng)內的負荷并有所富余時其會向主網輸送電能。很明顯，并網運行過程中，微網與主網間的電能傳輸具有雙向性，即所謂的雙向潮流。電能傳輸?shù)碾p向潮流問題是微電網并網研究的難點，針對此問題，學者們提出了很多解決方案[7-8]。微電網的另外一種運行模式稱作離網運行，離網運行是指當檢測到電網故障或電能質量不滿足要求時，微網可以與主網斷開形成離網模式，由微電源向微網內的負荷供電。在離網運行時，由于缺少了主網對微網的支撐，需要進一步深入研究電壓和頻率的管理、能量供需的平衡、電能質量等問題。
另外，并網與離網兩種運行模式的切換也是需要關注的問題。微電網怎樣從并網模式平滑地切入到離網模式，怎樣在離網運行中實時檢測主電網狀態(tài)并在適當?shù)臅r候迅速地并入主電網，這些問題一直以來都是學者們研究的重點。
3.2 微電網的控制
微電網內部結構復雜，運行方式靈活，既要與主電網協(xié)調運行，又要確保獨立運行的可靠性，這些都需要有一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)作為基礎。文獻[9]按微網控制范圍大小把微電網控制分為設備級控制、微電網級控制與群級控制，并且概述了設備級控制的常見控制方法，分析了離網運行時的對等控制方法，簡述了群級控制的基本思想。文獻[10]詳盡闡述了下垂控制策略及參數(shù)的選擇，設計了一套逆變器多環(huán)控制策略，提出了虛擬電感與外部輸出電感參數(shù)選取的“配比原則”，通過仿真證實了方案的可行性。文獻[11]對主從控制模式下的系統(tǒng)穩(wěn)定性作了分析，提出了一套有效改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。
4 微電網在我國的發(fā)展展望
相對于傳統(tǒng)大電網，微電網有著自身無可替代的優(yōu)點，能源利用形式多樣，分散性、靈活性較強，供電可靠性也極高，這些特點恰好符合我國目前的發(fā)展對用電的諸多要求。具體地講，其可以在以下幾方面進行充分利用。
首先，在我國中西部的偏遠農村可以大力發(fā)展微電網。中西部地區(qū)偏僻，架設傳統(tǒng)的大電網成本極高，施工難度也極大，不具備經濟性與可操作性。但目前隨著我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程加快，中西部農村能源需求量大大增加，要滿足用電需求只能發(fā)展小型微電網。我國中西部農村一次能源豐富，風能、太陽能、沼氣能等各種能源為微電網的發(fā)展提供了基礎。同時，中西部地區(qū)負荷形式較為單一，大多用電還是為了滿足人們基本的生活需求，避免了微電網運行過程中的諸多技術問題。總之，微電網在中西部的推廣是切實可行的。
其次，在經濟發(fā)達的工業(yè)區(qū)可以建設更多的微電網。在工業(yè)區(qū)建設微電網是充分利用微電網供電可靠性高的特點，確保主要工業(yè)區(qū)的穩(wěn)定運轉，避免雪災、地震等惡劣的自然災害給工業(yè)造成重創(chuàng)，給經濟帶來巨大損失。另外，主要工業(yè)區(qū)的微電網還可以起到削峰填谷的作用，確保了主電網的穩(wěn)定運行。
最后，微電網系統(tǒng)分散性、靈活性極強，可以用在軍事、航空等領域，這些領域對電能質量的要求相當高，這也正是微電網的主要優(yōu)勢之一，特別是在我國大力發(fā)展這些高尖端科技領域的大背景下，微電網將大有可為。
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