淺談智能微電網(wǎng)的發(fā)展

馮毅 田素娟

摘 要：智能微電網(wǎng)作為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式新型能源風(fēng)、光儲(chǔ)利用的重要途徑，規(guī)劃建設(shè)智能微電網(wǎng)，可降低用電系統(tǒng)對(duì)大電網(wǎng)的依賴。總體來(lái)說(shuō)，發(fā)展智能微電網(wǎng)具有重要的意義。

關(guān)鍵詞： 能量管理；微電網(wǎng)；新能源；運(yùn)行控制

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目 項(xiàng)目編號(hào)：NJZC17514

0 引言

智能微電網(wǎng)技術(shù)代表了未來(lái)分布式電力能源供應(yīng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，是未來(lái)智能配用電系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)推進(jìn)節(jié)能減排和實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。憑借微電網(wǎng)的運(yùn)行控制和能量管理等關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)其并網(wǎng)或孤島運(yùn)行、降低間歇性分布式電源給配電網(wǎng)帶來(lái)的不利影響，最大限度地利用分布式電源出力，提高供電可靠性和電能質(zhì)量。將分布式電源以微電網(wǎng)的形式接入配電網(wǎng)，被普遍認(rèn)為是利用分布式電源有效的方式之一。[1]近幾年智能微電網(wǎng)成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，這類(lèi)電網(wǎng)可以有效地就近消納分布式能源發(fā)出的電能，不需要遠(yuǎn)距離的長(zhǎng)途輸配電，因此可以大大提高電能的利用率，實(shí)現(xiàn)就近發(fā)電就近用電。并且隨著分布式發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，微電網(wǎng)成為了未來(lái)電網(wǎng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)家電網(wǎng)的“十三五”規(guī)劃中指出，分布式電源發(fā)展是能源變革的方向之一。以風(fēng)電光伏為主的分布式新能源開(kāi)發(fā)主要本著“因地制宜，科學(xué)利用”的原則，從本質(zhì)上講就是在用戶側(cè)就近安裝電源，就近消納，從而提高用電效率，減少輸電損耗與成本?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著我國(guó)電改的深入實(shí)施，現(xiàn)有供電系統(tǒng)中，政府職能與企業(yè)職能將逐步分開(kāi)，發(fā)電與輸配電網(wǎng)徹底分離，發(fā)電側(cè)競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)機(jī)制的建立，從而為分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。正在發(fā)生中的能源變革也為分布式電源在電網(wǎng)中應(yīng)用提供了巨大機(jī)遇。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

為了積極發(fā)展新能源，大幅提升配電網(wǎng)接納新能源、分布式電源及多元負(fù)荷的能力，加快推進(jìn)新能源微電網(wǎng)示范工程建設(shè)，探索適應(yīng)新能源發(fā)展的微電網(wǎng)技術(shù)及運(yùn)營(yíng)管理體制。近年來(lái)，智能微電網(wǎng)的研究和發(fā)展獲得眾多國(guó)家知名高校、大型企業(yè)、相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。如美國(guó)、日本、歐盟等紛紛開(kāi)展了對(duì)微電網(wǎng)技術(shù)的研究，并且解決了一部分微電網(wǎng)技術(shù)中的運(yùn)行、保護(hù)、經(jīng)濟(jì)性等理論問(wèn)題。而在中國(guó)，微電網(wǎng)的研究才剛剛起步。

1.1美國(guó)微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀

美國(guó)是最先提出了微電網(wǎng)概念的國(guó)家，1999年美國(guó)可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)（the Consortiumfor Electric Reliability Technology Solutions，CERTS）首次對(duì)微電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)、控制、經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行了研究并于2002年正式提出了相對(duì)完整的微電網(wǎng)概念，并且是目前微電網(wǎng)概念中最權(quán)威的一個(gè)。2007年美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)CPES中心提出了“Sustainable Building Initiative（SBI）”研究計(jì)劃，主要為未來(lái)住宅和樓宇提供電力。近年來(lái)，其微電網(wǎng)研究一直在有條不紊地進(jìn)行著，其研究的重點(diǎn)主要集中在提高供電的可靠性、滿足多種電能質(zhì)量的要求、降低成本和實(shí)現(xiàn)智能化等方面。

1.2歐洲微電網(wǎng)研究現(xiàn)狀

歐洲國(guó)家于2005年提出“Smart？ Power Networks”計(jì)劃，隨后便出臺(tái)該計(jì)劃的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方略?！癝mart Power Networks”計(jì)劃作為歐洲2020年及后續(xù)的電力發(fā)展目標(biāo)表明了未來(lái)歐洲電網(wǎng)需具備以下特點(diǎn)：靈活性、可接入性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性。并且提出微電源輸出端逆變器相應(yīng)控制策略：PQ控制VSI（voltage source inverter）控制策略。同時(shí)提出優(yōu)化約束方程，并對(duì)超額發(fā)出熱能的棄用制訂了懲罰方案。同時(shí)自2008年以來(lái)，歐盟開(kāi)展一項(xiàng)名為UNIFLEX （Universal and Flexible Power Management）的研究項(xiàng)目，研究通過(guò)新型功率變換技術(shù)適應(yīng)未來(lái)有大量分布式電源接入的歐洲電網(wǎng)的功率流動(dòng)管理。最后，在滿足微電網(wǎng)電、熱雙重需求的條件下，以系統(tǒng)燃料耗量最低為目標(biāo)，提出了優(yōu)化的功率分配方案。

1.3我國(guó)微電網(wǎng)研究現(xiàn)狀

2008年初的冰雪天氣導(dǎo)致我國(guó)南方電網(wǎng)發(fā)生大面積停電，只有少數(shù)小電網(wǎng)在支撐重要用戶運(yùn)行，暴露了我國(guó)現(xiàn)有的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在保障用戶供電方面所存在的薄弱環(huán)節(jié)同時(shí)也將微型電網(wǎng)的作用充分展示了出來(lái)，并促使我國(guó)加快了對(duì)微型電網(wǎng)的研究步伐。2009年，中國(guó)國(guó)家科技部通過(guò)“973”計(jì)劃項(xiàng)目，專(zhuān)門(mén)資助了分布式發(fā)電供能系統(tǒng)的相關(guān)基礎(chǔ)研究。次年，中國(guó)國(guó)家科技部通過(guò)《國(guó)家高科技研究發(fā)展計(jì)劃（863）》立項(xiàng)了近十個(gè)有關(guān)微電網(wǎng)方面的研究課題。“十二五”期間，我國(guó)將在太陽(yáng)能、風(fēng)能占優(yōu)勢(shì)的地區(qū)建設(shè)成微電網(wǎng)示范區(qū)，同時(shí)還將推動(dòng)建設(shè)100座新能源示范城市。我國(guó)微電網(wǎng)的發(fā)展雖尚處于起始階段，但微電網(wǎng)的特點(diǎn)適應(yīng)我國(guó)電力發(fā)展的需求和方向，具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。

2 未來(lái)微電網(wǎng)控制技術(shù)發(fā)展的方向

微電網(wǎng)已成為世界各國(guó)的國(guó)家能源戰(zhàn)略和未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。微電網(wǎng)系統(tǒng)是一種具有非常獨(dú)特和復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性的新型自治發(fā)供電系統(tǒng)，在運(yùn)行模式、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電源配置、控制策略和運(yùn)行優(yōu)化等方面與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比都具有非常大的差異性。目前國(guó)內(nèi)對(duì)智能微電網(wǎng)的研究仍處于探索階段，不同運(yùn)行模式下變流器的控制策略及其協(xié)調(diào)控制是微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。未來(lái)研究的主要目標(biāo)是圍繞高密度分布式可再生能源接入，重點(diǎn)為微電網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)架配置優(yōu)化、穩(wěn)定控制、可靠性等理論與技術(shù)難點(diǎn)。以及如何使用系統(tǒng)的方法解決風(fēng)電和光伏等間歇性分布式電源并網(wǎng)帶來(lái)的各種問(wèn)題。

1.母線電壓控制問(wèn)題。微電網(wǎng)內(nèi)大量分散式的可再生能源發(fā)電單元、負(fù)荷等具有明顯的隨機(jī)波動(dòng)性，這類(lèi)波動(dòng)功率尤其是短時(shí)功率沖擊將可能對(duì)母線電壓造成沖擊，若不采取合適的控制措施極易導(dǎo)致整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的崩潰。需要采用合適的控制技術(shù)措施來(lái)保證電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。

2.多源協(xié)調(diào)控制問(wèn)題。隨著微電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，為保證系統(tǒng)的可靠性，微電網(wǎng)內(nèi)存在有多個(gè)DC-AC雙向變流器、分布式儲(chǔ)能單元、可控型分布式電源，甚至風(fēng)、光等分布式隨機(jī)間歇性電源，均有可能作為主電源主動(dòng)參與母線電壓調(diào)節(jié)，如何實(shí)現(xiàn)多源高可靠性和經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制將是微電網(wǎng)穩(wěn)定控制研究的難點(diǎn)。通過(guò)對(duì)等控制和基于多代理的分層控制等基本控制模式來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)與穩(wěn)定性。

3.多運(yùn)行模式切換問(wèn)題。通常微電網(wǎng)有3種工作模式：①聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式：即交流電網(wǎng)正常情況下，由交直流雙向變流器控制母線電壓恒定；②聯(lián)網(wǎng)限流模式：當(dāng)交流電網(wǎng)和直流系統(tǒng)之間的交換功率超過(guò)交直流雙向變流器的最大功率，或交流電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致交流母線電壓跌落，從而使雙向變流器輸出功率受限時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入聯(lián)網(wǎng)限流模式；③獨(dú)立運(yùn)行模式：微網(wǎng)系統(tǒng)徹底斷開(kāi)與交流電網(wǎng)的連接，由微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)分布式電源或儲(chǔ)能單元控制母線電壓。如何利用較少的信息和低帶寬通信，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)母線電壓控制模式的平滑切換，是研究的重點(diǎn)。

4.穩(wěn)定性問(wèn)題。用戶側(cè)大量分布式接入的可再生能源發(fā)電單元、電動(dòng)汽車(chē)等負(fù)荷，均通過(guò)DC-AC等變流器接入微電網(wǎng)，具有明顯的恒功率負(fù)荷特性，且構(gòu)成了多變流器接入環(huán)境，其隨機(jī)性波動(dòng)功率不僅會(huì)給母線電壓帶來(lái)沖擊，還極易誘發(fā)系統(tǒng)諧振，影響微電網(wǎng)穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

智能微電網(wǎng)作為分布式發(fā)電優(yōu)化集成的一種方式，已經(jīng)成為世界各國(guó)研究的重點(diǎn)，微電網(wǎng)將在未來(lái)電力能源中占有重要的地位。微電網(wǎng)雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但在大規(guī)模應(yīng)用之前，還有許多技術(shù)問(wèn)題需要解決。所以微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展在我國(guó)還將面臨著更多挑戰(zhàn)。隨著近年來(lái)國(guó)家已出臺(tái)新的政策積極鼓勵(lì)新能源的發(fā)展并且方便新能源接入配電網(wǎng)以及微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)，相信中國(guó)的微電網(wǎng)技術(shù)會(huì)走上高速發(fā)展的道路。

參考文獻(xiàn)

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