微电网关键技术及其相关问题的研究

华北电力大学科技学院 李 婷 陈英慧 商 淼

一、引言

微电网系统是由分布式电源、用电负荷、配电设施、监控和保护装置等组成的小型发配用电系统（必要时含储能装置）。分布式发电(DG,Distrubuted Generation)发电技术是近些年来发展相对快速的一种供电技术，分布式发电接入的能源相对于火电来说是清洁的能源，可以减少对于煤炭，天然气等不可再生能源的使用，并且分布式发电可以就近使用，减少了长距离供电带来的线路损失。但是，分布式发电技术对于电网供电的可靠性和电网电能质量有很大的影响，可再生能源占比越大，电网越不稳定。为了提高供电的可靠性，可以使用微电网技术。微电网有以下两点好处：（1）大量的可再生能源接入电网时，造成电网电压的波动，影响电网供电的可靠性，而微电网具有的电压的和功率都相对稳定，可以将可再生能源接入微电网再接入电网，减少对电网的冲击；（2）微电网具有削峰填谷的作用，可以降低尖峰用电，合理安排用电的时间。

二、微电网的结构

微电网的典型结构包括分布式电源，储能设备和负荷等几部份，微电网分为交流微电网，直流微电网和交直流混合型的微电网。图1是美国CERTS协会提出的微电网的基本结构。

图1 CERTS提出的微电网的基本结构

该微电网包括一条母线，三条馈线。馈线通过PCC与配电网进行连接。图中的分布式电源包括风电，光伏，小型的燃气轮机。微电网中使用能量管理器对微电网进行综合的控制，使用潮流控制器对内部的分布式电源进行优化调节。

三、微电网的关键技术及其难点

微电网的关键技术有三部分：（1）微电网的电力系统的控制和保护技术；（2）微电网相关的电力电子的技术；（3）微电网的运行和能量管理。

（一）控制和保护技术

微电网的控制主要目标是：保证内部的电压和频率的稳定，调节微电网内部的潮流，确保并网模式和孤岛运行模式的平滑切换。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。文献[1]在联网运行使用恒功率的控制策略，在孤岛运行模式时，使用恒电压，恒频率的控制策略。文献[2]使用电压－相角下垂控制策略，并且通过设计相应的电压—相角同步控制器实现两种运行模式的平滑切换。

微电网的保护主要问题有三方面：（1）接入电网运行，会改变电网的电流，从而会影响电网的继电保护；（2）对于微电网内部由于负荷不大，其内部发生故障时，也需要对于内部的故障进行及时的切除，以保证电网的安全运行；（3）在电网发生故障，微电网需要与电网进行解列运行时，如何能够平滑的过渡到新的稳定的状态。所以微电网保护必须解决四个关键问题[6]：（1）微电网和DG故障时的故障特征；（2）具有高度适应性的故障处理的算法；（3）传统设备和智能控制设备的集成；（4）能够可靠传输大量数据的通信网络。

（二）电力电子技术

微电网内部存在着大量的非线性负载，会导致微电网内部电能质量下降，同时微电网在孤岛运行模式下，频率会出现一定的偏差。在微电网内部使用电力电子技术将能够提高微电网的电能质量，提高微电网的运行的效率，减小微电网的频率偏差。文献[3]使用双向逆变器进行对有功、无功进行补偿，能够保证微电网内部电压的稳定。文献[4]使用储能型双向变流器，保证在不平衡负载的情况下，仍然能够提供对称的三相电压。文献[5]使用电力电子负荷参与微电网内部的频率的控制，确保微电网内部频率的稳定。

（三）运行和能源管理技术

微电网运行方式有两种，一种是与配电网相连接的并网运行模式，另一种是脱离配电网运行的孤岛模式。并网运行时微电网能量多余时，向配电网输送电能，而能量不足时，由配电网向微电网输送能量。孤岛运行时，微电网内部的分布式电源向负荷提供能量。并且，要保证两种运行模式的平滑过渡。

能量管理的对象主要有分布式电源，储能系统，负荷系统。微电网的能量管理目标是在保证电能质量的前提下，如何获得最优的经济效益。对于上述目标是多目标下的优化问题，具体采用的方法可以使用遗传算法，线性规划的方法，蚁群算法等相关的寻优算法。文献[7]使用进化多目标免疫的算法对分布式电源在可调节的范围内进行管理，达到最优运行。文献[8]使用针对微电网不同的运行模式使用不同的控制策略，提高系统的运行的稳定性和电能质量。

四、结论

自从微电网的概念确立以来，对于微电网各方面的分析，实验和相关的技术在不断的更新。本文总结了微电网的运行、控制、保护、能量管理和相关的电力电子的关键技术。作为分布式能源和大电网的连接的纽带，微电网将会有更广阔的发展前景。

[1]杨占刚等．可实现运行模式灵活切换的小型微网实验系统[J]．电力系统自动化,2009,33(14)∶89-92．

[2]郜登科等．使用电压－相角下垂控制的微电网控制策略设计[J]．电力系统自动化,2012,36(5)∶29-34．

[3]陈国呈等．电力电子在微电网、智能电网、智能社区中的应用动向[J]．电工电能新技术,2014,33(11)∶1-12．

[4]张先勇等．一种海盗分布式光伏发电微电网[J]．电力系统保护与控制,2014,42(10)∶55-61．

[5]丁广乾．含分布式电源的微电网电能质量控制技术的研究[D]．山东大学,2016．

[6]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．

[7]王新刚等．含分布式发电的微电网能量管理多目标优化[J]．电力系统保护与控制,2009,37(20)∶79-83．

[8]张学等．多源/多负荷直流微电网的能量管理和协调控制方法[J]．中国电机工程学报,2014,34(31)∶5553-5562．