微网技术综述

葛志超，方念，杨凡凡，黄成思，陈丹霏

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

微网技术综述

葛志超，方念，杨凡凡，黄成思，陈丹霏

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

介绍了研究微网的意义、微网的定义、微网的基本结构及特点，讨论了研究微网的关键技术问题，包括控制技术、保护策略等。最后指出目前微网研究上的一些缺陷和不足，指出将来微网研究的方向，应该给微网作出统一定义，规划统一结构，得出统一保护方案及配置，为前期微网的研究工作做好准备。

微网技术;控制;运行;保护

1 引言

进入21世纪以来，寻找高效环保的新能源已成为当今学者研究的主要课题之一。近年来用随着经济的发展，用电负荷的不断增加，传统电网的弊端也日益凸现，这使得电网运行的稳定性和安全性下降［1，2］，供电质量得不到很好的保障。在世界范围内接连发生的几次大面积停电事故更加凸显了电力系统集中式发电的运行难度大、难以满足用户对电能质量的更高要求等弊端［3］，针对以上问题，发达国家如德国、日本、美国甚至包括一些发展中国家开始研究并应用多种一次能源形式结合、高效、经济的新型电力技术——分布式发电技术DG［4－6］。分布式发电开始发展并受到重视，在这样的背景下，美国威斯康辛大学的R．H．Lasseter于2001年在文献［7］中首先提出微网的概念。

微网概念的提出主要是解决大规模、多样化分布式电源并网在技术上、市场上和政策上带来的问题，以发挥分布式发电技术在经济、能源和环境中的优势［3］，以便最大化接纳分布式电源，更好的满足电力用户对电能质量和供电可靠性的要求。因此，微网的研究与发展是对分布式发电大量接入电网的必然选择。与传统的集中式能源系统相比，微网接近负荷，无需远距离高压或超高压输电，不仅可以减少线路损耗，而且节省建设投资和运行所需的费用。微网以非集中程度更高的方式协调分布式电源，因而可以减轻电网控制的负担并能完全发挥分布式电源的优势［8］。但是，微网的发展还有很多技术上的难题，例如微网的运行与控制、功率平衡问题，电能质量问题以及微网的保护等。很多学者对这些问题做了研究，但仍有许多工作需要完成，其中最有难度的工作是微网的保护问题［9，10］。由于 DG 的接入，传统配电网的保护方法显然无法适用，必须研究新的保护方法来适应微网。因此微网的研究具有很大的价值及意义。

2 微网研究的定义和微网的特点

目前对微网的研究正处于初步的前期阶段。从微网的概念提出至今，国际上并没有形成统一的标准。相对获得学术界和工业界认可的定义主要有三种:美国电力可靠性技术解决方案协会(CERTS)给出的定义、欧盟微网项目(European Commission Project Microgrids)的定义及美国威斯康辛麦迪逊分校的R．H．Lasseter给出的微网概念，其中美国电力可靠性技术解决方案协会(CERTS)提出的一种微网定义是众多微网概念中最权威的［11］:微电网是由微型电源和负荷一起组成的小型系统，它对用户提供电能和热量;微网内部电源的能量转换大多由电力电子设备负责，同时要有控制设备对其进行控制;微网相对于大系统可看成为单一可控的单元，在满足供电可靠性、安全性的要求的前提下，为用户提供优质电能。从系统的角度出发，微网是将DG、各类负荷、控制装置及储能设备相结合，构成的单一可控又可独立运行的单元。微网中电源称为微电源，主要利用可再生能源进行发电，包括光伏发电、微型燃气轮机、燃料电池、风力发电和生物质能等，它们接在用户侧，具有经济效益好、电压低、功率小和污染少等特点。与传统配电网相比，微网更具灵活性、安全性、经济性、可靠性。而其包容性、定制性、自治性等特点是微网重点发展的方向。

3 微网的基本构成

图1所示为一种典型的微电网基本结构。该微网包括各种分布式电源、3条馈线和1条负荷母线，整体为辐射状结构，整个微网通过一个断路器和大系统相连，控制系统根据实际情况控制该断路器实现微网的孤岛运行或并网运行。图中展示的分布式电源包括光伏发电、微型燃气轮机和储能电池等，其中一些接在热力用户附近，为用户提供热能。其中馈线A、B是敏感负荷，馈线C为非敏感负荷，馈线C可在孤岛运行时内部过负荷情况下切除。当负荷发生变化时，微网中的潮流控制器会根据测量的频率和电压信息对潮流进行调节，相应增加或减少当地微电源功率输出以维持功率平衡。此外，微电网采用了大量先进的现代电力电子技术，而传统系统不具有这样的技术水平。

图1 微网结构图

微电网可以对电力负荷集中区供电，这些负荷区可以是重要的工厂区、办公区、校区，或者远郊居民区等。因此，相对传统的配电网，微网的结构十分灵活。微电网虽然也是分散供电形式，但它绝不是对电力系统发展初期的孤立系统的简单回归［12］。此外，微电网与大电网是有机整体，可以灵活连接、断开，其智能性与灵活性远在传统孤立系统之上。从大电网的角度看，微网如同电网中的发电机或负荷，是一个模块化的整体单元。另一方面，从用户侧看，微网是一个自治运行的电力系统，它可以满足不同用户对电能质量和可靠性的要求［13，14］。

4 微网的运行与控制

微网的运行方式有两种，即并网运行方式和孤岛运行方式。这两种运行方式又包括4种运行阶段:并网的暂态过程、并网运行的稳态阶段、向孤岛过渡的暂态过程和孤岛运行的稳态阶段。这就要求微网在这4种运行阶段下都稳定可靠，且不能给大电网和用户负荷造成影响。特别是并网的暂态过程和向孤岛过渡的暂态过程，这两个过程涉及多个DG相互协调，需要预防给大电网和微网自身带来的影响。文献［15］的微网实验系统仿真实现了微网并网及孤岛两种运行模式的平稳过渡。

微网的安全稳定运行离不开灵活可靠的控制系统，使其能在4种运行阶段不对大电网及微网自身造成影响。目前，微电网的控制方法有以下几类:基于电力电子技术的“即插即用”与“对等”的控制方法。基于功率管理系统的控制。基于多代理技术的控制方法［16］。3种方法各有优缺点，但最终目的都是为了保证微网及大电网的安全:任一分布式电源的接入不对系统造成影响;自主选择运行点;平滑地实现与电网的并网、分离;对有功、无功进行独立控制;具有校正电压跌落和不平衡的能力。

5 微网的保护技术

当分布式电源接入配电系统后，针对复杂的网络结构，国内外学者对这种网络的配电系统的保护研究已经高度重视，但是大部分还是停留在理论试验阶段。目前提出的主要有以下三种保护方案:一是配电网络采用改进的传统电流保护方案，这样可以达到减少故障切除时间，提高保护的速动性和灵敏性，在一定程度上也能满足分布式电源引入的要求;二是配电网采用输电线路中成熟的保护方案，如纵联保护、距离保护等等;三是配电网采用通信技术的集成式保护方案［1］。

应用于微网的保护策略要保证其在并网和孤岛模式下都能安全运行。所以，必须充分研究微网自身的结构和故障特性，研究新的保护策略。前人得出的微网保护策略有的称不需要通信，有的强调通信的重要性;有的参考文献将微网并网和孤岛保护策略分开讨论，有的参考文献采用微网两种运行模式一致的保护策略。以下简单介绍几种微网保护策略:

文献［17］提出了一种保护策略，即在微网中加入具有较高短路容量的电源。此策略的优点就是在微网的联网和孤岛两种运行状态下使用了相同的保护原理，对于包含有较大的中心储能单元的微网，这种方法比较适用。文献［18］提出一种保护策略:当微网发生故障时，并不断开微网与配电网的连接，而依靠配电网提供的较大的故障电流和过流继电器来有选择性地清除故障;当配电网发生故障时，微网则断开与配网的连接，作孤岛运行;而当作孤岛运行的微网内部发生故障时，被视为二次故障，为了避免出现危险的形势，微网内的分布式电源在经过某个时间延时之后将断开。文献［19］的保护策略用电压的改变作为尺度，来进行故障定位。文献［20］针对微网的双向潮流特性，提出在微网中设置开关站，将微源接入开关站并使用不依赖通信的差动保护。文献［21］提出了一种可用于两种运行模式下的低压微网保护策略，所提出的方案主要用于以一种选择性方式检测和隔离对主网造成冲击的故障。文献［22］提出了一种基于自适应电流速断保护的微网保护，该整定方法仍然能够根据系统当前运行方式和微源的出力情况自适应地调整定值，而且不用借助通信手段。文献［23］提出对配电网的馈线进行改造保护，以利用馈线间通信的实现故障区段定位，随着通信和微处理技术的发展，广域继电保护方案［24－27］也越来越多的投入微网的保护研究中。文献［28］则提出了一种基于故障电流的新型定位算法，对故障通道进行判断搜索，然后利用搜索得到的与故障呈强相关状态的节点构建故障信息矩阵，利用基尔霍夫定律及相位比较原理执行相应的矩阵算法，进行故障区段的准确定位。

6 微网的发展方向

从R．H．Lasseter于2001年提出微网的概念至今，微网技术成了近几年研究的热点问题之一，微网以其安全可靠、清洁无污染、灵活多样化等特点在欧美发得到了大力发展。我国也开始大力支持各高校科研院所在微网技术方面的研究工作。通过总结前人的理论及成果，今后微网的研究应建立统一技术标准和管理规范，其方向大致如下:

(1)各国科研人员及和学者应该给微网一个统一的定义。目前各国学者对微网概念定义不统一，这在一定程度上限制微网研究的发展，因此各国学者应统一微网的定义，方便交流。

(2)各国科研人员和学者应统一微网的结构。目前国际上对微网的结构也尚未统一，欧洲、北美及日本各有说法，因此各国需要建立适合微网特点的网络结构规划，得出一个统一的微网基本模型，在统一的模型基础上可进行各自的研究工作。需要建立适合该特点的网络结构规划、设计及运行等相关方面的理论

(3)针对微网孤岛和并网的不同运行方式，研究和制定两种运行方式下的技术，制定统一的控制及保护策略，使其既不干扰大电网的运行，又能满足微网自身的安全稳定运行，同时又具有自愈、自治和自组织等复杂功能，更具智能性及安全可靠性，满足用户用电需求。

(4)为更准确地预测微网内部的随机负荷，根据大系统的调度计划和微网内电力负荷和电能质量的要求，可运用人工神经网络原理、小波分析理论、灰色系统理论以及专家系统预测技术随机负荷模型，建立随机潮流优化控制模型［29］。

(5)由于微网电能质量受到大系统和微网本身的影响，研究微网的电能控制技术，可将有缘滤波器与微电源相结合，研究电能质量调节器，控制电能质量，为用户提供安全可靠的电能。

7 总结

微网本身具有的独特的技术特点决定了微网技术将在国际上受到更广泛的重视。但目前微网的研究还是处于初期阶段。微网作为大电网的重要补充和可再生能源利用的有效形式，在我国也将得到快速发展。而微网大范围接入会对电网规划、运行、管理等方面产生诸多影响，应抓紧时机开展更多研究，建立统一技术标准和管理规范，使其能充分利用自身的优势特点更好的发挥其价值。

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Overview on M icro-grid Technology

GE Zhi-chao，FANG Nian，YANG Fan-fan，HUANGCheng-si，CHEN Dan-fei
(China Three Gorges University，Hubei443002，China)

This article introduces the significance of studying themicro-grid，the definition，the basic structure and characteristics of themicro-grid．Discusses the key technical issues of studying micro-network，including control technology and protect strategies．At last，it points out the disadvantages of themicro-grid，points out the directions of themicro-grid research，we should come to a unified definition ofmicro-grid，plan a unified structure，come to a unified protection program and configuration，in order to get ready for the earlymicro-grid research．

micro-grid technology;control;operating;protection

TM71

B

1004－289X(2013)03－0001－04

2013－04－22

葛志超(1987－)，男，三峡大学电气与新能源学院2011级硕士研究生，主要研究微网继电保护;

方念(1990－)，男，三峡大学电气与新能源学院2012级硕士研究生，主要研究微网继电保护;

杨凡凡(1987－)，男，三峡大学电气与新能源学院2011级硕士研究生，主要研究电力系统保护、运行与控制;

黄成思(1990－)，女，三峡大学电气与新能源学院2012级硕士研究生，主要研究继电保护;

陈丹霏(1990－)，女，三峡大学电气与新能源学院2012级硕士研究生，主要研究继电保护。