基于可再生能源发电的微网技术研究

张 彦，王 伟，赵义术

（1.国网技术学院，山东 济南 250002；2.山东电力经济技术研究院，山东 济南 250001）

0 引言

近几年，世界各国大力支持新能源及可再生能源发电系统的开发，无论在技术领域还是规模上都取得了突破性进展。随着经济和社会的发展，人们生活水平不断提高，致使世界能源消费量处于持续、较快地增长过程中，与此同时，煤、石油等传统的一次能源正在日益枯竭，人类迫切需要寻找新的替代能源来实现社会的可持续发展。 过去一个世纪以来，化石能源的大量开采和利用造成了人类生存环境的恶化，要求所寻找的替代能源必须是可再生的清洁能源，因此，开发利用风力发电、太阳能发电、燃料电池等环保型发电新技术，将是实现真正可持续发展的必由之路。

智能电网建设提出要能很好地满足大规模新能源接入的要求，成为接纳新能源的“高速公路”［1］。在发电环节，智能电网通过完善新能源发电接入电网的技术标准，规范新能源电站必需具备的性能指标，引导新能源发电技术与先进装备的开发与应用。智能电网将配置适当规模的储能系统，并合理控制储能系统的运行，有效抑制新能源的功率波动，降低电网运行风险。智能电网将实现新能源与常规能源的优化配置，并将采用先进输电技术以满足大规模新能源电力输送的要求。 在智能电网调度系统中，间歇性新能源发电实时功率预测技术将让听天由命的新能源尽在电网调度的掌控之中。智能化的配用电设备和系统，将为新能源的分布式接入提供保障。

1 微网概述

1.1 微网概念

为了改善分布式电源单机接入成本高、控制困难等缺点，减少分布式电源对大电网的冲击，提出了微网［2-3］概念。 2002年，美国电力可靠性技术解决方案协会（consortium for electric reliability technology solutions，CERTS）介绍，微电网［4-5］就是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可以同时提供电能和热量。 微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量转换，并提供必要的控制。微电网相对于外电网表现为单一的受控单元，并可以同时满足用户对电能质量和供电安全等方面的要求。

1.2 微网的特点

微网集合了可再生能源发电技术、分布式发电技术、电力电子变流技术、储能技术等多种电力新技术，将会成为未来可再生能源发电的主要并网运行方式，其结构与特点主要体现在以下方面：微网由以风能、太阳能、燃料电池等新能源为主的分布式电源、配套的电力电子变换器、储能系统及负荷组成；微网中的各种新能源发电可以起到互补作用，较单一类型的分布式发电系统稳定性有所增强；微网中配置的储能系统，可以在新能源电源受自然条件影响时稳定并网点的电压、电流及频率，减小电压波动和电压闪变现象，改善电能质量，保证整个系统正常运行；电力电子器件为分布式电源和交流母线提供接口，实现电源输出最大功率跟踪、能量转化与控制；微网具有独立和并网两种运行模式，在上级网络出现故障时，可以切换为独立运行，因此可以继续保电，提高供电可靠性。

智能电网的最终目标就是要实现电网运行的高效、经济、安全、可靠，同时又能最大化吸收各种新能源及可再生能源发电技术的接入，实现多种能源的互补利用。在智能电网发展过程中，配电网需要从被动式网络向主动式网络转变，而微电网作为智能电网配电网的核心部分，其先进的控制系统和灵活的运行方式恰好满足了智能电网的要求，并且整合高比重的可再生能源发电，提高系统的整体效率和灵活性。

2 “微网化”系统设计

近几年，国内多个研究中心和大学开展了风—光—蓄复合发电系统研究，这是由多种可再生能源发电装置联合构成的“微网化”可靠供电系统，该类系统是微网发展的初级模式。

国网技术学院新能源实验室为研究基于可再生能源发电的微网技术，设计并建设了一个基于三相交流母线的微型发电系统，其中，包含15 kWp的光伏发电、15 kW的风力发电、由蓄电池组成的储能系统以及负荷系统，该系统具有独立和并网两种运行模式，其交流母线结构图如图1所示。

图1 微网结构图

2.1 光伏发电子系统

整个太阳能光伏发电子系统由光伏（PV）阵列、光伏逆变器、蓄电池组、防雷保护系统、电池方阵支架、电站监控系统等组成。 电池方阵的直流输出，通过光伏逆变器逆变成50 Hz、230 V有效值的单相电，并组合成三相交流电，与实验室三相交流母线连接，给负荷供电，同时将多余电量经过双向变流器给蓄电池充电。

光伏阵列由72块210 Wp的高效单晶硅光伏组件组成，组件功率共15.12 kW，分为A、B、C三相。光伏电池组件的支架系统为固定支架，支架角度为42°。电池组件在标准测试条件下（环境温度25℃，太阳辐照度为AM1.5，1 000 W/m2）的标称功率为210 Wp，工作电压为26.6 V，工作电流为7.89 A，开路电压为33.2 V，短路电流为8.1 A。

（2）性能波动问题 为解决管板性能问题，采取措施：①成分调控。我们梳理了SA-508 GR.3 CL1材质的核电堆芯筒体、管板等的性能数据、成分和金相报告，综合考虑各种因素后，重新制订了管板化学成分方案。②调质热处理工艺方案。根据化学成分、性能要求和取样位置等，编制热处理工艺（见图4）。

每相24块光伏电池组件，采用12串2并的方式连接（图2），每相电池阵列的直流输出，分别通过单相光伏并网逆变器后接入A、B、C三相交流母线。每相的工作电压为319.2V，工作电流15.78A。开路电压398.4 V，短路电流16.2 A。

图2 单相光伏组件连接方式示意图

光伏逆变器。选用3台德国SMA的单相光伏并网逆变器SMC5000A型，其主要功能是把来自太阳能电池方阵输出的直流电转换成与交流母线电压、相位、频率一致的交流电。并网逆变器SMC5000A的最大光伏输入功率为5 750 Wp，输入电压范围为246～480 V，最大输入电流为26 A，直流电压纹波小于10%，额定交流输出功率为5500W，输出电流谐波THD小于4%，电网工作电压范围为220～240 V，电网工作频率为50 Hz，最大效率为96.1%，该逆变器具有错极性保护、过压保护、短路保护、对地故障检测、孤岛保护等功能。

整个光伏发电子系统有可靠的操作和雷电过电压防护。具有过压保护、对地故障保护、孤岛效应保护、过载保护、短路故障保护等完善的保护功能。

2.2 风力发电子系统

3台单机容量5 kW的永磁低速直驱风力发电机发出三相非工频正弦交流电，经过风能控制器整流成直流、再输出给逆变器，由逆变器转换成幅值、频率稳定的交流电，接至A、B、C三相交流母线，其中风能控制器带有自动卸荷功能。

风力发电机。由于风机的安装位置位于济南市区，加上风机周围的障碍物较多，济南年平均风速较低，因此选用5 kW低风速风力发电机。此风力发电机为3叶片，额定风速为9 m/s，工作风速范围为3～25 m/s，抗最大风能力为50 m，额定功率为5 kW，最大输出功率为6.5 kW，采用侧偏的调速方式，发电机为永磁低速三相交流发电机。

风能控制器。额定功率5 kW，最大输出电流30 A，与5 kW的风力发电机组相匹配，能够将风机输出的三相交流电能转换为直流电，在风力发电机转速过快、输出电压过高或输出电流过大时，采用主动泄荷或者极限短路的方式，使风机工作在正常特性范围内。

风能并网逆变器。将风能控制器整流成的直流电逆变成幅值、频率稳定的交流电，采用升压变压器隔离，具有电网过、欠压，电网过、欠频，输出电流过载等多项保护功能。并同时具有主动式和被动式孤岛运行检出功能。工作电压范围为DC180～380 V，最大输入电流25 A，额定输入功率6 kW，额定电网电压为（380±15%）V，额定输出电流9.2 A，额定工作频率为（50±2%）Hz，功率因数大于0.99%，谐波小于5%。

2.3 储能子系统

蓄电池与整流/逆变双向变换器Sunny Island一起，构成标准的交流母线系统，是整个系统的核心部分，是重要的储能元件。蓄电池组的选型与负载的用电量有直接关系。

蓄电池。在此系统中，选用了24块2V/600Ah的密封铅酸免维护胶体电池，蓄电池组容量为48V/600Ah。

Sunny Island的工作原理。Sunny Island与蓄电池组连接，通过控制交流端电压和频率组成交流母线系统。发电量比较高的时间段内（如白天辐射较强，或者负载耗电较少时），Sunny Island可以将母线中的多余电量充到蓄电池中。在用电较多的时间段内（如晚上或者负载耗电较多时），Sunny Island可以将蓄电池存储的直流电逆变为交流，送入交流母线中。其额定交流电压为230 V，额定交流频率50Hz，额定交流电流21A，输出电压谐波小于3%，功率因数为1。

2.4 负荷子系统

负荷子系统主要由自动交流负载系统、灯光负载，主要用于交流母线系统离网运行时的系统负载使用。其中自动交流负载为三相四线制，星形连接的可调交流负载，整体由阻性10.5 kW、感性18.5 kVA、容性20.5 kvar组成，主要用于交流母线系统离网运行时的系统负载使用，灯光负载容量为5 kW。

除此，本发电系统还包括保护及综合测控系统、智能监控系统、蓄电池监测系统和故障录波系统等。

3 实验结果

实验表明，该微网系统独立运行时，各电源、负载，储能系统依靠自身的调节作用能够保证系统的稳定运行。

3.1 实验数据

各子系统发出有功功率情况如表1和表2所示。

表1 蓄电池储能系统充电状态遥测瞬时值

表2 蓄电池储能系统放电状态遥测瞬时值

3.2 实验波形

由故障录波系统采集的风力发电机输出三相非工频交流电的线电压 Uab、Ubc、Uca，光伏电池输出三相直流电压Ua、Ub、Uc，以及蓄电池直流电压U的瞬时波形如图3所示。

图3 风力发电机、光伏电池及蓄电池输出电压波形

A、B、C 三相交流母线上相电压 Ua、Ub、Uc的瞬时波形如图4所示，其有效值分别为229.474 V、230.590V、229.854V，相位分别为 96.014°、335.911°、215.781°。

图4 母线相电压Ua、Ub、Uc的波形

系统运行数据及波形表明，无论是天气条件如何变化（风、光条件如何波动），该系统都能安全的独立带负荷运行。

4 微网并网技术研究的关键问题

微网系统有独立运行和并外电网运行两种模式，目前独立稳定的运行基本得以实现，但是并外电网运行中仍存在一些待解决的技术问题。

微网的功率控制技术［6］。从配电网接入点来看，微网成整体负荷特性，但是从微网独立运行的特性可以看出由于新能源电源受自然条件影响波形很大，因此微网系统一旦接入配电网，会使接入点的功率值发生改变并产生波动，整个配电网的潮流分布会随之改变，且随馈入点功率的变化而改变。因此微网要并电网运行还需要新能源发电功率预测技术及并网点功率控制技术。

微网能量管理系统。 随着微网技术的成熟和电网公司政策的制定，微网并网运行后，不仅能依靠大电网运行，还将需要在自身电力充足时向大电网输送能量，服从电网的统一调度。因此需要建立能够实现对微网的全面监控、调度的微网能量管理系统（Microgrid EMS），MEMS能够 实现数据采集与通信、编制运行计划、接收市场报价、监视网络安全等。

微网的保护。 微网中的电源与负荷的电气距离较近，电源类型多样，交直流电源通过变流器与微网连接，电压等级较低。 网络结构、电源特性及电压等级上的差异使得微网电流故障类型和传统的闭式输电网络和辐射型配电网的情形存在较大差别，因此需要对电源等值模型、微网暂态过程等问题进行详细分析及实验验证，以确定微网中保护装置的整定值。

5 结语

随着目前新能源发电和可再生能源发电的迅速发展，微网以其灵活的运行方式以及运行稳定的优点，将会成为未来电网发展战略中一项重要的技术，有益于大电网的安全稳定运行。微网技术的研究成果对健全与推动智能电网技术的发展具有重要意义。

［1］ 刘振亚.智能电网知识读本［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［2］ XIAO Hong-fei，LIU Shi-rong，ZHENG Ling-wei，et al.Prelim inaryResearchonMicrogridTechnology［J］.Powersystemprotection and control，2009，37（8）：114-119.

［3］ Y.W.Li，D.M.Vilathgamuwa，and P.C.Loh.Design，analysis and real-time testing of controllers for multi-bus microgrid system［J］.Power Electron，2004，19（5）：1195-1204.

［4］ 徐卫文.微网控制综述［J］.中国科技信息，2011（19）：70-71.

［5］ 王志霞，张会民，田伟.微网研究综述［J］.电气应用，2010，29（6）：76-80.

［6］ 张玲，王伟，盛银波.基于清洁能源发电系统的微网技术［J］.电网与清洁能源，2009（25）：40-43.