浅议微电网关键技术浅议微电网关键技术

孟祥昀

[摘要]微电网是发挥分布式电源效能的有效方式，有巨大的社会与经济意义。微电网可以提高电力系统面临突发灾难时的抗灾能力，减少电力输送距离，降低输电线路的资金投入和电力系统的运营成本，确保电力系统的运行更安全、更经济。文章从微电网的能量管理、控制保护、建模仿真等方面阐述了微电网技术近年来的研究热点和发展趋势，展望了微电网技术今后的发展方向。

[关键词]微电网；分布式电源；控制保护；电力电子

[DOI]1013939/jcnkizgsc201623074

社会经济的飞速发展带动了电力的需求，同时使得电网规模不断地扩大。大电网的建设不仅运行难度大、成本高，而且在用户高要求、高安全性、高可靠性的供电需求等方面都还存在诸多问题。最近几年，在一些国家发生的大面积停电事故已经能够看出大电网的缺点和脆弱。分布式电源可靠性高、清洁、能效高，这些都是传统电力系统所不具备的。分布式电源位置灵活分散，和大电网相互备用可以更好地提升供电的可靠性，减少输电网和配电网升级的资金投入。目前，分布式电源单机接入成本较高并且控制困难，因此，为了发挥分布式电源的最大潜能，避免其诸多不利影响，较好的解决方案就是采用微电网（Micro-grid）。

1微电网概述

1.1微电网的定义

微电网也称微网，是一种新型网络结构，是一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的较小规模的分散独立系统。微电网是能够实现自我控制、保护和管理的一个自治系统，既能与外部电网并网运行，也可孤立运行。微电网是相对传统大电网的概念，是指多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组成的网络，并通过静态开关关联至常规电网。

1.2微电网的组成

微电网的组成包括：①微电源或微源，可有风电、光伏、燃料电池、生物质发电等分布式电源；②储能装置；③监控单元及调度体系；④负荷，有不可中断负荷和可中断负荷；⑤离并网开关，用于将微电网与主网分合。

2微电网关键技术

目前大多数微电网相关技术已经在工业和电力系统中得到了应用，其关键技术主要包括微电网运行优化、保护与控制、仿真实验、电力电子技术等。[1]

2.1微电网的能量管理

微电网的能量管理指的是通过调节储能出力、投切负荷、改变网架结构等手段来满足不同时间尺度上系统的能量平衡和频率稳定。频率波动来自两方面：①风和光等间歇性能源的出力波动；②主网与微电网交换功率的波动。微电网离网时的频率控制实质是选取某个或多个出力源参与频率调节的过程。例如，可通过控制燃料电池的电解槽的动态响应来平衡系统的有功波动。由于直流微电网不存在频率问题，因此，对于交直流混合微电网，能量管理策略上更加灵活，其核心是保持交直流母线电压的稳定。[2]

能量管理的另一个着眼点是微源、储能及负荷的优化运行。与传统配电网不同，这个问题需考虑到微电网自身的特点：①潮流控制模式，即是否允许双向潮流，双向潮流的上下限等都会影响微电网的运营投入。②微电网经调问题本质上是多目标的，其目标函数除发电成本外，还要考虑各种环境因素，如离并网切换时用户的停电成本等。③微电网经调问题本质上是多约束的，需要考虑运行模式（并网或离网）、电价机制（如分时电价）、是否提供辅助服务（如供热）等约束。[3]

2.2微电网的控制

微电网控制是实现其众多优越性能的重要保证，微电网除了并网、离网两种稳态运行模式外，还存在二者间的过渡过程。过渡过程的电能质量优劣程度是评价微电网控制策略的重要依据之一。

微电网的控制主要是对微观上电力电子变换器的控制，变换器作为微源与微电网的主要接口是能量转化和扰动缓冲的重要角色。微电网离网运行与并网运行的最大区别为：并网时，其从公共连接点（PCC）处获取主网电压的频率和幅值参考信号来与主网同步运行；离网时，其需设定新的参考信号来实现自治运行。

微电网控制架构主要有两类，一类是欧盟MICROGRIDS项目所提出的微电网中央控制器（MGCC）为代表的主从控制，可为单主或多主模式；另一类是美国CERTS微电网为代表的对等控制，各微源处的控制器都能响应系统负荷需求并自动分摊并且不用借助与其他微源间的通信。当前，主从控制的研究主要围绕MGCC为核心的控制体系展开。例如在微源本地控制器的设计上应用模糊理论；将最小化函数法应用于MGCC的设计等。当然，主从控制需借助MGCC与各微源本地控制器间的频繁通信，会增加系统投入成本。

对等控制的研究主要是对传统下垂控制器的改进。基于低压线路呈阻性的特征，有学者提出解耦控制策略。针对传统下垂控制抗干扰性差这一点有两种改进的措施，第一种是从外环入手，自适应变下垂系数或采用带高阶微分修正项的下垂控制来克服离网下不确定扰动。第二种是修改内环，如引入高级滑模控制算法，避免微电网电压在电源）出力剧烈变化时的震荡。

2.3微电网保护

微电网的故障情况分为外部故障和内部故障。在微电网并网运行和孤立运行两种模式下微电网内部故障所呈现的特性以及保护方法是不同的，并且与微电网内分布式电源的控制方法有密切联系。

2.3.1微电网并网运行时

当微电网在并网运行情况下，若微电网发生内部或外部故障，首先应该检查外部故障是不是永久故障，或者内部故障是否使微电网运行状态不符合IEEE1547等标准，以此来判断微电网是否要从主网解列。如果发生内部故障不需要解列时，应迅速切除故障的一部分，减小其对微电网其他部分的影响。如果是永久性外部故障发生就必须与外部电网解列。

2.3.2微电网孤立运行时

如果在微电网处于孤立运行的情况时发生了内部故障，由于短路电流常被限制在两倍额定电流之内，这给保护装置的参数设定带来一定困难。解决的办法就是按微电网运行模式的不同改变保护整定值。这种方法虽然使保护的整定值计算简单，但是对保护系统的适应性要求更高。另一种解决的办法是基于通信的差动保护，对两端保护的电流信息进行比较，可达到故障识别和切除的效果。

2.4微电网的建模仿真

微电网的建模仿真主要集中在微源本体建模和逆变器等电力电子接口建模，以MATLAB/SIMULINK和PSCAD/EMTDC等工具为主。也有学者针对微电网某一专题采用多学科手段建模，如将风电、光伏出力用概率分布进行表征，并采用蒙特卡罗法进行微电网供电可靠性的分析；或借助负荷建模理论，利用元件的相似性对微电网整体建模，也是研究的新视角。

3结论

微电网以其独特的运行方式满足了电力用户的多种需求，保证了在极端情况下电能的持续供应，微电网的诸多优点将使其成为大电网的一个有力补充。当前我国正在大力发展风电和光伏等分布式能源，分布式能源技术是我国的必然选择，但分布式能源入网仍存在很多问题。在我国许多偏远地区以及中小城市，有一些资源损耗大、运行效率低、投入成本高并且污染大的火力发电和小水电等传统发电机组，因此，应充分考虑挖掘这些机组的合理利用，组成微电网。[4]

在政策方面，我国已经制定了一些利于微电网推广建设的政策，如采取了新能源和可再生能源优先上网和价格优惠等政策。

参考文献：

[1]杨新法，苏剑，吕志鹏，等.微电网技术综述[J].中国电机工程学报，2014（1）：57-69.

[2]曾正，赵荣祥，杨欢，等.多功能并网逆变器及其在微电网电能质量定制中的应用[J].电网技术，2012（5）：58-67.

[3]徐林，阮新波，张步涵，等.风光蓄互补发电系统容量的改进优化配置方法[J].中国电机工程学报，2012（25）：88-98.

[4]李莉华，李宾皑.微电网技术的研究与应用前景[J].电力与能源，2011（2）：124-126.