對(duì)微電網(wǎng)的相關(guān)認(rèn)識(shí)

1 微網(wǎng)的背景與意義 　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度的加快，電力需求也越來越大，大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)所帶來的問題逐漸顯露出來，比如調(diào)度困難，安全性和可靠系數(shù)不高等。同時(shí)，能源危機(jī)的加重也使我國(guó)這樣一個(gè)以煤電為主要電力結(jié)構(gòu)的發(fā)展中國(guó)家在環(huán)境治理上耗費(fèi)了大量人力、物力和財(cái)力。分布式發(fā)電以其靈活、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)正在逐漸贏得廣大市場(chǎng)，而大量分布式電源的并網(wǎng)也給電力系統(tǒng)的保護(hù)、實(shí)時(shí)調(diào)度和電網(wǎng)可靠性等各方面帶來了一些問題，建立微型電網(wǎng)(微網(wǎng))是目前解決這些問題較好的途徑。 　　隨著包括風(fēng)電、光伏等可再生能源和高效清潔的化石燃料在內(nèi)的新型發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，分布式發(fā)電系統(tǒng)(distributed generation system，DGS)日漸成為滿足負(fù)荷增長(zhǎng)需求、減少環(huán)境污染、提高能源綜合利用效率和供電可靠性的一種有效途徑。DGS具有投資少、發(fā)電方式靈活、可與環(huán)境兼容等優(yōu)點(diǎn)，在配電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用，但是DGS的大規(guī)模滲透也產(chǎn)生了一些負(fù)面影響，如分布式發(fā)電單機(jī)接入成本較高，控制較復(fù)雜。另外，從系統(tǒng)的角度來分析，DGS是不可控的發(fā)電單元，因此系統(tǒng)總是試圖采取隔離、切機(jī)的方式來控制微型發(fā)電系統(tǒng)，以消除其對(duì)大系統(tǒng)的電壓和頻率的沖擊。 　　為整合分布式發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，削弱分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的沖擊和負(fù)面影響，充分發(fā)揮DGS的效益和價(jià)值，相關(guān)電力工作人員和專家提出了微網(wǎng)的概念。 　　利用微網(wǎng)技術(shù)可整合多種形式的分布式電源，并考慮當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)的特點(diǎn)，在一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)直接將分布式電源、電力網(wǎng)絡(luò)和本地用戶有機(jī)地組合在一起。微網(wǎng)可以方便地實(shí)現(xiàn)(冷)熱電聯(lián)供，并可以結(jié)合電蓄冷(熱)技術(shù)，緩解電網(wǎng)高峰用電壓力，實(shí)現(xiàn)用電的移峰填谷，優(yōu)化和提高能源利用效率，減輕能源動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，為將來智能電網(wǎng)(smart grid)的實(shí)現(xiàn)提供必備的技術(shù)基礎(chǔ)。 　　2 微網(wǎng)的定義與結(jié)構(gòu) 　　目前，國(guó)際上對(duì)微網(wǎng)的定義沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家(地區(qū))對(duì)微網(wǎng)率先進(jìn)行了深入研究，在微網(wǎng)的運(yùn)行、控制、保護(hù)、能量管理以及對(duì)電力系統(tǒng)的影響等方面進(jìn)行了大量研究工作，建立了一些可實(shí)際應(yīng)用的微網(wǎng)示范工程及微網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)。 　　微網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)：微網(wǎng)一般是由多條輻射狀饋線和負(fù)載群組成，輻射狀配電網(wǎng)通過固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(Static Transfer Switch)在公共耦合點(diǎn)(Point of common coupling)與主干配電系統(tǒng)相連。每條饋線具有斷路器和潮流控制器。 　　微網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)：微網(wǎng)的通信結(jié)構(gòu)是由三個(gè)基本層組成，首層是微網(wǎng)中央控制器(Microgrid Central Controller)，次層是負(fù)荷控制器(Load Controller)和微源控制器(Microsource Controller)，底層是可控負(fù)荷與可控微源。 　　2.1 美國(guó)的微網(wǎng)研究 　　美國(guó)電氣可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會(huì)(CERTS)給出的微網(wǎng)定義為：微網(wǎng)是一種由負(fù)荷和微源共同組成的系統(tǒng)，它可向用戶同時(shí)提供電能和熱能;微網(wǎng)內(nèi)的電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換，并提供必需的控制;微網(wǎng)相對(duì)于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電安全等方面的要求。相應(yīng)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它采用微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池作為主要的電源，儲(chǔ)能裝置連接在直流側(cè)與分布式電源一起作為一個(gè)整體通過電力電子接口連接到微網(wǎng)。其控制方案相關(guān)研究重點(diǎn)是分布式電源的“即插即用”式控制方法。到目前為止，他們不允許微網(wǎng)向大電網(wǎng)供電。 圖1 美國(guó)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖 　　2.2 歐盟的微網(wǎng)研究 　　歐盟微電網(wǎng)項(xiàng)目(European Commission Project Micro-grids)給出的定義是：微網(wǎng)是一種小型電力系統(tǒng)，它可充分利用一次能源，提供冷、熱、電三聯(lián)供，配有儲(chǔ)能裝置，所使用的微源分為不可控、部分可控和全控三種，使用電力電子裝置進(jìn)行能量調(diào)節(jié)。他們的實(shí)驗(yàn)室微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，光伏(PV)、燃料電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)通過電力電子接口連接到微網(wǎng)，小的風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接連接到微網(wǎng)，中心儲(chǔ)能單元被安裝在交流母線側(cè)。微網(wǎng)系統(tǒng)采用分層控制策略，并且允許微網(wǎng)作為電網(wǎng)中分布式電源的一部分向大電網(wǎng)供電。 圖2 歐盟微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖 　　3 微網(wǎng)的運(yùn)行與控制 　　微網(wǎng)有2種基本的運(yùn)行方式，即并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行。大多數(shù)情況下微網(wǎng)與主電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，此時(shí)微網(wǎng)中的負(fù)荷可以從微網(wǎng)或者主電網(wǎng)得到電力供應(yīng)。當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生各種故障、擾動(dòng)及電能質(zhì)量不滿足負(fù)荷要求時(shí)，微網(wǎng)將快速與主電網(wǎng)斷開并且平滑過渡到獨(dú)立運(yùn)行，以確保重要負(fù)荷不受影響。在這2種基本的運(yùn)行方式中，包括4種運(yùn)行階段：即①微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的暫態(tài)階段(并網(wǎng)的過渡過程);②微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)階段;③微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行的暫態(tài)階段(離網(wǎng)的過渡過程);④微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)階段。微網(wǎng)必須確保在這4種運(yùn)行階段下都穩(wěn)定可靠，且必須滿足相應(yīng)的入網(wǎng)要求。IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)近幾年來一直在進(jìn)行微網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定和完善工作。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋微網(wǎng)及含有分布式電源的孤立系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)為微網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理及微網(wǎng)與主電網(wǎng)的并網(wǎng)和離網(wǎng)運(yùn)行控制提供了技術(shù)依據(jù)。微網(wǎng)的控制系統(tǒng)需要滿足以下幾個(gè)要求： 　　1) 并網(wǎng)運(yùn)行方式中微網(wǎng)控制系統(tǒng)能快速檢測(cè)主電網(wǎng)的擾動(dòng)及電能質(zhì)量變化，作出迅速響應(yīng); 　　2) 微網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)快速無沖擊地并入主電網(wǎng)或者與主電網(wǎng)分離; 　　3) 有功和無功可以實(shí)現(xiàn)解耦控制; 　　4) 各種微電源的輸出功率通過相互協(xié)調(diào)可以與負(fù)荷需求動(dòng)態(tài)匹配，并可動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)與主電網(wǎng)之間潮流的定向、定量調(diào)整。在微網(wǎng)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等微電源受自然氣候影響，輸出功率具有波動(dòng)性、隨機(jī)性、間歇性。對(duì)此，可結(jié)合微網(wǎng)中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、微燃機(jī)、儲(chǔ)能裝置等，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)中的功率平衡調(diào)節(jié)，大大降低間歇式分布式電源對(duì)電網(wǎng)的隨機(jī)影響，增強(qiáng)功率調(diào)節(jié)的可控性。要想可靠實(shí)現(xiàn)網(wǎng)中的各個(gè)組成單元(具有各種特性的微電源、儲(chǔ)能裝置等)作為一個(gè)有機(jī)整體正常運(yùn)行，必須要對(duì)其進(jìn)行某種程度上的集中控制或者分散協(xié)調(diào)控制。在集中控制模式下，控制中心對(duì)微網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采樣，并通過專門的快速通信網(wǎng)絡(luò)向各個(gè)微電源或者是那些起主導(dǎo)作用的微電源發(fā)出控制信號(hào)。這意味著各個(gè)微電源都服從統(tǒng)一調(diào)度、集中分配。在分散協(xié)調(diào)控制模式下，微網(wǎng)中每個(gè)單元都根據(jù)就地運(yùn)行情況各自進(jìn)行響應(yīng)。各個(gè)微電源及儲(chǔ)能裝置的響應(yīng)速度必須能夠確保微網(wǎng)的穩(wěn)定性要求。 　　微網(wǎng)靈活的運(yùn)行方式和高質(zhì)量的供電服務(wù)離不開完善的穩(wěn)定與控制系統(tǒng)。但微網(wǎng)中的微源個(gè)數(shù)太多，很難要求一個(gè)中心控制點(diǎn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)作出快速反應(yīng)并進(jìn)行相應(yīng)控制。所以，微網(wǎng)的控制應(yīng)該做到能夠基于本地信息對(duì)電網(wǎng)中的事件作出自主反應(yīng)，如對(duì)于電壓跌落、故障和停電等，發(fā)電機(jī)能夠利用本地信息自動(dòng)轉(zhuǎn)到獨(dú)立運(yùn)行方式，而不是像傳統(tǒng)方式一樣要電網(wǎng)調(diào)度統(tǒng)一協(xié)調(diào)。 　　微網(wǎng)的控制應(yīng)保證任一電源的接人不對(duì)系統(tǒng)造成影響;自主選擇運(yùn)行點(diǎn);平滑地實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的并網(wǎng)、分離;對(duì)有功、無功進(jìn)行獨(dú)立控制;具有校正電壓跌落和不平衡的能力。 　　目前，微電網(wǎng)的控制方法有以下幾類： 　　1)基于電力電子技術(shù)的“即插即用”與“對(duì)等”的控制方法，該方法簡(jiǎn)單、可靠，易于實(shí)現(xiàn)，但沒有考慮系統(tǒng)電壓與頻率的恢復(fù)問題，在微網(wǎng)遭受擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的頻率質(zhì)量可能無法保證，而且該方法只是針對(duì)基于電力電子技術(shù)的微電源問的控制，應(yīng)用范圍狹窄。 　　2)基于功率管理系統(tǒng)的控制，該方法可以對(duì)有功和無功分別進(jìn)行控制，而且還能夠滿足頻率質(zhì)量的要求，功率管理系統(tǒng)采用多種控制方法，增加了控制的靈活性并提供了控制性能，但該方法也只是討論了基于電力電子技術(shù)的機(jī)組間的協(xié)調(diào)控制，而沒有考慮它們與含有調(diào)速器的常規(guī)發(fā)電機(jī)間的協(xié)調(diào)控制。 　　3)基于多代理技術(shù)的控制方法，該方法將傳統(tǒng)的多代理技術(shù)應(yīng)用于微網(wǎng)的控制系統(tǒng)，代理的自治性、反應(yīng)能力及自發(fā)行為等特點(diǎn)正好滿足了微網(wǎng)分散控制的需要，但該技術(shù)目前還未深入到對(duì)微網(wǎng)的頻率和電壓控制方面。 　　4 微網(wǎng)的發(fā)展方向 　　1)微網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)運(yùn)行方式的不同以及微網(wǎng)與儲(chǔ)能元件的協(xié)調(diào)控制，使微網(wǎng)內(nèi)部存在多向、多路徑能量流動(dòng)與傳輸，因此，需要建立適合該特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)劃、設(shè)計(jì)及運(yùn)行等相關(guān)方面的理論。 　　2)針對(duì)含有風(fēng)電等可再生能源的DGS，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)、靈活的智能化分布式電源控制器和中央管理單元，以使其具有自愈、自治和自組織等復(fù)雜功能。另外，根據(jù)負(fù)荷的要求(敏感性重要負(fù)荷和非敏感性負(fù)荷)以及電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化完善，尤其是不同控制策略的整合、協(xié)調(diào)和平滑過渡，探索微網(wǎng)合適的運(yùn)行方式和管理策略。 　　3)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、灰色理論以及專家系統(tǒng)預(yù)測(cè)技術(shù)建立微網(wǎng)內(nèi)部隨機(jī)負(fù)荷模型，根據(jù)主網(wǎng)的調(diào)度計(jì)劃以及微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷容量和用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求，結(jié)合智能控制(人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制)及現(xiàn)代控制理論，建立微網(wǎng)內(nèi)部的隨機(jī)潮流優(yōu)化控制模型。 　　4)建立主網(wǎng)與微網(wǎng)的新型經(jīng)濟(jì)關(guān)系體系，妥善研究和制定微網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)準(zhǔn)則，特別明細(xì)孤網(wǎng)情況下運(yùn)營(yíng)商的微型分布式電源的運(yùn)行規(guī)范，進(jìn)一步研究微網(wǎng)技術(shù)的推廣對(duì)電力市場(chǎng)的影響。