智能微电网研究综述

郭权利+杨宇昕

摘 要：随着新能源的快速发展以及智能化技术的日益成熟，智能微电网的研究越来越受到人们的重视。本文对智能微电网最新发展展开了综述，从智能微电网的概述及特点、智能微电网的保护技术以及控制技术等方面进行了总结研究，并从电力市场背景下及新能源背景下进行了智能微电网未来发展的展望，为智能微电网的实用化和应用推广提供了理论参考。

关键词：智能微电网；保护技术；控制技术；应用展望

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.150

1 引言

智能微电网是由分布式发电技术组成的新型电网。智能微电网是由分布式电源、储能单元、能量转换装置、负荷以及保护装置等通过电力电子技术组合而成的发配用电系统。智能微电网系统不仅可以以大电网为依托构建微型配电网系统，而且还可以构建自我控制以及自我能量管理的孤立配电系统，智能微电网系统既可以并网运行，也可以孤岛运行。在某些情况下，智能微电网不仅能够满足用户电能需求而且还能满足用户热能的需求，在这种状态下，智能微电网相当于一个能源网。

本文对智能微电网最新发展展开了综述，从智能微电网的概述及特点、智能微电网的保护技术以及控制技术等方面进行了总结研究，并从电力市场背景下及新能源背景下进行了智能微电网未来发展的展望，为智能微电网的实用化和应用推广提供了理论参考。

2 智能微电网概述

智能微电网是独立分散的供电系统。在智能微电网系统中，可以通过交流母线上公共连接点的静态开关实现与交流大电网的链接与断开，即并网与孤岛模式的平滑切换。智能微电网由于靠近用户侧，输电线路短，减少了线路功率的损耗；同时，由于智能微电网能够并离网切换运行，增强了系统抵御大电网发生故障影响的能力，提高了智能微电网系统自身运行的可靠性。综上所述，智能微电网应具有以下特点[1]：

（1）并网和孤岛两种运行模式。在并网运行的状态下，智能微电网在大电网中充当削峰填谷的重要角色，降低因负荷峰谷差带来的电力故障，保障了大电网运行的暂态和动态稳定性。当大电网接纳能力有限或者发生故障时，智能微电网可以根据保护装置迅速的与大电网隔离，实现系统孤岛稳定运行，提高了智能微电网系统自身供电的可靠性。

（2）稳定。通过合理的控制策略，智能微电网在孤岛运行状态下能够保障系统有功功率平衡和电压/频率的稳定和减小系统谐波以实现系统的稳定运行，从而满足用户负荷电能质量的需求。

（3）兼容。由于可再生能源具有随机性和间歇性等特点，导致分布式电源的分布具有分散性。智能微电网可以将局部分散的分布式电源进行集中整合，从而实现多种分布式电源的兼容。

（4）灵活。智能微电网不仅可以作为一个微型受控单元实现 “即插即用”，而且通过手段实现不同电压等级下用户多样化的用电需求。

（5）经济。智能微电网作为可再生能源有效利用的重要形式能够优化能源结构，减少污染排放，实现节能降耗的目标，提高可再生能源的利用效率。

3 智能微电网关键技术

在众多的智能微电网的关键技术中，保护技术和控制技术是智能微电网能够实现稳定运行的关键，开展智能微电网保护技术和控制技术的研究具有重要意义。

3.1 智能微电网的保护技术

与传统大电网的保护策略不同，在进行智能微电网保护技术的设计时要注意以下问题：（1） 智能微電网内部的短路电流是双向的；（2） 在并网和孤岛两种运行模式下，智能微电网的短路电流有明显差异；（3）智能微电网系统中可能含有不同类型的分布式电源，各种分布式电源的短路电流差异较大；（4）更短的故障切除时间；（5） 微电网的拓扑结构会发生变化。

为确保智能微电网保护策略的成功实施，在进行智能微电网保护技术的设计过程中必须解决以下关键问题：（1） 建立智能微电网以及各分布式电源的故障特征模型。各类分布式电源以及同类型不同控制方法的电源故障电流和故障电压暂态稳定性可能不同。因此，应根据智能微电网发生故障时电压和电流暂态特性建立准确的故障特征模型。（2）研究有效性的故障识别处理算法。智能微电网的运行方式、运行状态以及网络结构具有多样性的特点，因此，应研究能有效识别网络拓扑结构和运行状态的故障情况识别处理算法。（3）如何实现智能控制终端与传统一次设备的可靠性集成。智能控制终端应能够通过故障在线分析、智能控制和保护、通信等功能与传统一次设备可靠性集成，从而实现智能微电网的智能化保护。（4） 智能微电网的保护策略应拥有足够传输速率和可靠性的通信网络。在智能微电网系统中，信号采集系统的畅通是现实保护控制的基础。在智能微电网中央保护单元、分布式电源以及各个节点上应加入可靠的信号采集系统，以保证通信网络的可靠性[2]。

由于智能微电网的网络结构、运行方式等与传统电网差异较大，基于三段式过流保护策略的传统继电保护不能直接应用于微电网。基于三段式过流保护理论，本文对智能微电网的保护策略重新进行了设计。智能微电网保护策略的实现如图1所示。

图1 智能微电网保护策略实现方法

3.2 智能微电网的控制技术

智能微电网系统通过采用合理的协调控制方法实现分布式电源和负荷之间的稳定运行。智能微电网系统的控制方法通常可采用主从控制、对等控制以及分层控制。其中，分层控制在智能微电网系统中得到广泛的应用。

智能微电网变流器控制模式是决定智能微电网系统能否孤岛稳定运行以及能否实现快速并网的关键技术。常用的智能微电网变流器控制模式有PQ控制、恒压恒频V/f控制以及下垂控制。

（1）PQ控制。PQ控制模式主要用于智能微电网的并网变流器控制中，通过PQ控制模式可使智能微电网变流器按照功率指令实现有功和无功功率的输出。PQ控制模式可通过电流控制或电压控制来实现。

（2）V/f控制。V/f控制模式常用于智能微电网孤岛运行模式。在孤岛运行模式下，V/f控制模式通过采用恒定的电压幅值和频率值来控制变流器输出的电压和频率的稳定，以满足负荷的需求。V/f控制模式智能微电网变流器表现为电压源特性。

（3）下垂控制模式。下垂控制模式是智能微电网变流器模拟同步发电机静态下垂外特性输出，以实现智能微电网系统电压幅值和频率的控制。下垂控制模式智能微电网变流器可以等效为理想电压源与可调输出阻抗的串联组合，既可以用于智能微电网并网运行状态，也可以用于孤岛运行状态。

一般情况下，在智能微电网并网和孤岛运行状态下变流器均可以采用下垂控制模式。在智能微电网并离网切换过程中，下垂控制模式的控制方式基本不发生变化，更有利于智能微电网系统的并离网刚切换[3]。

4 展望

智能微电网未来新能源发展的有效形式，随着新能源发电技术、智能控制技术以及柔性电力技术等方面的发展，智能微电网将在以下几个方面得以快速发展：

4. 1 大容量多级混合微电网技术

近年来，单一的智能微电网研究和应用已纯熟，但复杂的多级混合微电网仍还处于发展阶段，还无法满足基于智能微电网技术的区域性多级配电系统改造需求，随着智能控制技术、储能技术等领域的快速发展，大容量多级混合微电网技术必将得到广泛应用[4]。

4. 2 智能微电网与新能源

随着煤炭、石油等传统能源的日益短缺以及传统发电成本的不断上升，风电、光伏等可再生能源发电技术得到广泛重视。由于可再生能源具有分布广泛及无污染等特点，而逐渐被电力市场所接受。以新能源发电为核心的智能微电网也必将被电力市场所接受。

智能微电网作为信息和能源双重载体。未来智能配网、物联网业务需求对智能微电网提出了更高要求，以家庭、辦公室建筑等为单位的灵活发电和配用电终端、企业、电动汽车充电站以及物流等将在微电网中相互影响，分享信息资源。承载信息和能源双重功能的微电网，使得可再生能源能够通过对等网络的方式分享彼此的能源和信息[5]。

5 结论

本文对智能微电网最新发展展开了综述，从智能微电网的概述及特点、智能微电网的保护技术以及控制技术等方面进行了总结研究，并从电力市场背景下及新能源背景下进行了智能微电网未来发展的展望，为智能微电网的实用化和应用推广提供了理论参考。

参考文献：

[1]王国栋.智能微网研究综述[J].智能电网，2014（02）：34-38.

[2]周龙，齐智平.微电网保护研究综述[J].电力系统保护与控制，2015，43（13）：147-154.

[3]梁建钢.微电网变流器并网运行及并网和孤网切换技术研究[D].北京交通大学，2015.

[4]马艺玮，杨苹，王月武等.微电网典型特征及关键技术[J].电力系统自动化，2015，04（25）：168-175.

[5]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，2014，03（41）：57-70.