微電網(wǎng)關鍵技術及其相關問題的研究

華北電力大學科技學院 李 婷 陳英慧 商 淼

一、引言

微電網(wǎng)系統(tǒng)是由分布式電源、用電負荷、配電設施、監(jiān)控和保護裝置等組成的小型發(fā)配用電系統(tǒng)（必要時含儲能裝置）。分布式發(fā)電(DG,Distrubuted Generation)發(fā)電技術是近些年來發(fā)展相對快速的一種供電技術，分布式發(fā)電接入的能源相對于火電來說是清潔的能源，可以減少對于煤炭，天然氣等不可再生能源的使用，并且分布式發(fā)電可以就近使用，減少了長距離供電帶來的線路損失。但是，分布式發(fā)電技術對于電網(wǎng)供電的可靠性和電網(wǎng)電能質量有很大的影響，可再生能源占比越大，電網(wǎng)越不穩(wěn)定。為了提高供電的可靠性，可以使用微電網(wǎng)技術。微電網(wǎng)有以下兩點好處：（1）大量的可再生能源接入電網(wǎng)時，造成電網(wǎng)電壓的波動，影響電網(wǎng)供電的可靠性，而微電網(wǎng)具有的電壓的和功率都相對穩(wěn)定，可以將可再生能源接入微電網(wǎng)再接入電網(wǎng)，減少對電網(wǎng)的沖擊；（2）微電網(wǎng)具有削峰填谷的作用，可以降低尖峰用電，合理安排用電的時間。

二、微電網(wǎng)的結構

微電網(wǎng)的典型結構包括分布式電源，儲能設備和負荷等幾部份，微電網(wǎng)分為交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)和交直流混合型的微電網(wǎng)。圖1是美國CERTS協(xié)會提出的微電網(wǎng)的基本結構。

圖1 CERTS提出的微電網(wǎng)的基本結構

該微電網(wǎng)包括一條母線，三條饋線。饋線通過PCC與配電網(wǎng)進行連接。圖中的分布式電源包括風電，光伏，小型的燃氣輪機。微電網(wǎng)中使用能量管理器對微電網(wǎng)進行綜合的控制，使用潮流控制器對內部的分布式電源進行優(yōu)化調節(jié)。

三、微電網(wǎng)的關鍵技術及其難點

微電網(wǎng)的關鍵技術有三部分：（1）微電網(wǎng)的電力系統(tǒng)的控制和保護技術；（2）微電網(wǎng)相關的電力電子的技術；（3）微電網(wǎng)的運行和能量管理。

（一）控制和保護技術

微電網(wǎng)的控制主要目標是：保證內部的電壓和頻率的穩(wěn)定，調節(jié)微電網(wǎng)內部的潮流，確保并網(wǎng)模式和孤島運行模式的平滑切換。其主要的控制策略有PQ控制策略、Droop控制策略和V/f下垂特性控制策略。文獻[1]在聯(lián)網(wǎng)運行使用恒功率的控制策略，在孤島運行模式時，使用恒電壓，恒頻率的控制策略。文獻[2]使用電壓－相角下垂控制策略，并且通過設計相應的電壓—相角同步控制器實現(xiàn)兩種運行模式的平滑切換。

微電網(wǎng)的保護主要問題有三方面：（1）接入電網(wǎng)運行，會改變電網(wǎng)的電流，從而會影響電網(wǎng)的繼電保護；（2）對于微電網(wǎng)內部由于負荷不大，其內部發(fā)生故障時，也需要對于內部的故障進行及時的切除，以保證電網(wǎng)的安全運行；（3）在電網(wǎng)發(fā)生故障，微電網(wǎng)需要與電網(wǎng)進行解列運行時，如何能夠平滑的過渡到新的穩(wěn)定的狀態(tài)。所以微電網(wǎng)保護必須解決四個關鍵問題[6]：（1）微電網(wǎng)和DG故障時的故障特征；（2）具有高度適應性的故障處理的算法；（3）傳統(tǒng)設備和智能控制設備的集成；（4）能夠可靠傳輸大量數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡。

（二）電力電子技術

微電網(wǎng)內部存在著大量的非線性負載，會導致微電網(wǎng)內部電能質量下降，同時微電網(wǎng)在孤島運行模式下，頻率會出現(xiàn)一定的偏差。在微電網(wǎng)內部使用電力電子技術將能夠提高微電網(wǎng)的電能質量，提高微電網(wǎng)的運行的效率，減小微電網(wǎng)的頻率偏差。文獻[3]使用雙向逆變器進行對有功、無功進行補償，能夠保證微電網(wǎng)內部電壓的穩(wěn)定。文獻[4]使用儲能型雙向變流器，保證在不平衡負載的情況下，仍然能夠提供對稱的三相電壓。文獻[5]使用電力電子負荷參與微電網(wǎng)內部的頻率的控制，確保微電網(wǎng)內部頻率的穩(wěn)定。

（三）運行和能源管理技術

微電網(wǎng)運行方式有兩種，一種是與配電網(wǎng)相連接的并網(wǎng)運行模式，另一種是脫離配電網(wǎng)運行的孤島模式。并網(wǎng)運行時微電網(wǎng)能量多余時，向配電網(wǎng)輸送電能，而能量不足時，由配電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送能量。孤島運行時，微電網(wǎng)內部的分布式電源向負荷提供能量。并且，要保證兩種運行模式的平滑過渡。

能量管理的對象主要有分布式電源，儲能系統(tǒng)，負荷系統(tǒng)。微電網(wǎng)的能量管理目標是在保證電能質量的前提下，如何獲得最優(yōu)的經(jīng)濟效益。對于上述目標是多目標下的優(yōu)化問題，具體采用的方法可以使用遺傳算法，線性規(guī)劃的方法，蟻群算法等相關的尋優(yōu)算法。文獻[7]使用進化多目標免疫的算法對分布式電源在可調節(jié)的范圍內進行管理，達到最優(yōu)運行。文獻[8]使用針對微電網(wǎng)不同的運行模式使用不同的控制策略，提高系統(tǒng)的運行的穩(wěn)定性和電能質量。

四、結論

自從微電網(wǎng)的概念確立以來，對于微電網(wǎng)各方面的分析，實驗和相關的技術在不斷的更新。本文總結了微電網(wǎng)的運行、控制、保護、能量管理和相關的電力電子的關鍵技術。作為分布式能源和大電網(wǎng)的連接的紐帶，微電網(wǎng)將會有更廣闊的發(fā)展前景。

[1]楊占剛等．可實現(xiàn)運行模式靈活切換的小型微網(wǎng)實驗系統(tǒng)[J]．電力系統(tǒng)自動化,2009,33(14)∶89-92．

[2]郜登科等．使用電壓－相角下垂控制的微電網(wǎng)控制策略設計[J]．電力系統(tǒng)自動化,2012,36(5)∶29-34．

[3]陳國呈等．電力電子在微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)、智能社區(qū)中的應用動向[J]．電工電能新技術,2014,33(11)∶1-12．

[4]張先勇等．一種海盜分布式光伏發(fā)電微電網(wǎng)[J]．電力系統(tǒng)保護與控制,2014,42(10)∶55-61．

[5]丁廣乾．含分布式電源的微電網(wǎng)電能質量控制技術的研究[D]．山東大學,2016．

[6]周龍,齊智平．微電網(wǎng)保護研究綜述[J]．電力系統(tǒng)保護與控制,2015,43(13)∶147-154．

[7]王新剛等．含分布式發(fā)電的微電網(wǎng)能量管理多目標優(yōu)化[J]．電力系統(tǒng)保護與控制,2009,37(20)∶79-83．

[8]張學等．多源/多負荷直流微電網(wǎng)的能量管理和協(xié)調控制方法[J]．中國電機工程學報,2014,34(31)∶5553-5562．