對微電網(wǎng)的相關認識

1 微網(wǎng)的背景與意義 　　隨著我國經濟增長速度的加快，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，比如調度困難，安全性和可靠系數(shù)不高等。同時，能源危機的加重也使我國這樣一個以煤電為主要電力結構的發(fā)展中國家在環(huán)境治理上耗費了大量人力、物力和財力。分布式發(fā)電以其靈活、環(huán)保等優(yōu)勢正在逐漸贏得廣大市場，而大量分布式電源的并網(wǎng)也給電力系統(tǒng)的保護、實時調度和電網(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。 　　隨著包括風電、光伏等可再生能源和高效清潔的化石燃料在內的新型發(fā)電技術的發(fā)展，分布式發(fā)電系統(tǒng)(distributed generation system，DGS)日漸成為滿足負荷增長需求、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，在配電網(wǎng)中得到廣泛的應用，但是DGS的大規(guī)模滲透也產生了一些負面影響，如分布式發(fā)電單機接入成本較高，控制較復雜。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、切機的方式來控制微型發(fā)電系統(tǒng)，以消除其對大系統(tǒng)的電壓和頻率的沖擊。 　　為整合分布式發(fā)電的優(yōu)勢，削弱分布式發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊和負面影響，充分發(fā)揮DGS的效益和價值，相關電力工作人員和專家提出了微網(wǎng)的概念。 　　利用微網(wǎng)技術可整合多種形式的分布式電源，并考慮當?shù)嘏潆娋W(wǎng)的特點，在一個局部區(qū)域內直接將分布式電源、電力網(wǎng)絡和本地用戶有機地組合在一起。微網(wǎng)可以方便地實現(xiàn)(冷)熱電聯(lián)供，并可以結合電蓄冷(熱)技術，緩解電網(wǎng)高峰用電壓力，實現(xiàn)用電的移峰填谷，優(yōu)化和提高能源利用效率，減輕能源動力系統(tǒng)對環(huán)境的影響，實現(xiàn)能源的梯級利用，為將來智能電網(wǎng)(smart grid)的實現(xiàn)提供必備的技術基礎。 　　2 微網(wǎng)的定義與結構 　　目前，國際上對微網(wǎng)的定義沒有統(tǒng)一的標準。美國、歐盟、日本等發(fā)達國家(地區(qū))對微網(wǎng)率先進行了深入研究，在微網(wǎng)的運行、控制、保護、能量管理以及對電力系統(tǒng)的影響等方面進行了大量研究工作，建立了一些可實際應用的微網(wǎng)示范工程及微網(wǎng)測試系統(tǒng)。 　　微網(wǎng)基本結構：微網(wǎng)一般是由多條輻射狀饋線和負載群組成，輻射狀配電網(wǎng)通過固態(tài)轉換開關(Static Transfer Switch)在公共耦合點(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)通信結構：微網(wǎng)的通信結構是由三個基本層組成，首層是微網(wǎng)中央控制器(Microgrid Central Controller)，次層是負荷控制器(Load Controller)和微源控制器(Microsource Controller)，底層是可控負荷與可控微源。 　　2.1 美國的微網(wǎng)研究 　　美國電氣可靠性技術解決方案聯(lián)合會(CERTS)給出的微網(wǎng)定義為：微網(wǎng)是一種由負荷和微源共同組成的系統(tǒng)，它可向用戶同時提供電能和熱能;微網(wǎng)內的電源主要由電力電子器件負責能量的轉換，并提供必需的控制;微網(wǎng)相對于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可滿足用戶對電能質量和供電安全等方面的要求。相應微網(wǎng)結構如圖1所示，它采用微型燃氣輪機和燃料電池作為主要的電源，儲能裝置連接在直流側與分布式電源一起作為一個整體通過電力電子接口連接到微網(wǎng)。其控制方案相關研究重點是分布式電源的“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 美國微網(wǎng)結構圖 　　2.2 歐盟的微網(wǎng)研究 　　歐盟微電網(wǎng)項目(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行能量調節(jié)。他們的實驗室微網(wǎng)結構如圖2所示，光伏(PV)、燃料電池和微型燃氣輪機通過電力電子接口連接到微網(wǎng)，小的風力發(fā)電機直接連接到微網(wǎng)，中心儲能單元被安裝在交流母線側。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)結構圖 　　3 微網(wǎng)的運行與控制 　　微網(wǎng)有2種基本的運行方式，即并網(wǎng)運行和獨立運行。大多數(shù)情況下微網(wǎng)與主電網(wǎng)并網(wǎng)運行，此時微網(wǎng)中的負荷可以從微網(wǎng)或者主電網(wǎng)得到電力供應。當主電網(wǎng)發(fā)生各種故障、擾動及電能質量不滿足負荷要求時，微網(wǎng)將快速與主電網(wǎng)斷開并且平滑過渡到獨立運行，以確保重要負荷不受影響。在這2種基本的運行方式中，包括4種運行階段：即①微網(wǎng)并網(wǎng)運行的暫態(tài)階段(并網(wǎng)的過渡過程);②微網(wǎng)并網(wǎng)運行的穩(wěn)態(tài)階段;③微網(wǎng)獨立運行的暫態(tài)階段(離網(wǎng)的過渡過程);④微網(wǎng)獨立運行的穩(wěn)態(tài)階段。微網(wǎng)必須確保在這4種運行階段下都穩(wěn)定可靠，且必須滿足相應的入網(wǎng)要求。IEEE標準委員會近幾年來一直在進行微網(wǎng)標準的制定和完善工作。該標準涵蓋微網(wǎng)及含有分布式電源的孤立系統(tǒng)。該標準為微網(wǎng)的規(guī)劃設計、運行管理及微網(wǎng)與主電網(wǎng)的并網(wǎng)和離網(wǎng)運行控制提供了技術依據(jù)。微網(wǎng)的控制系統(tǒng)需要滿足以下幾個要求： 　　1) 并網(wǎng)運行方式中微網(wǎng)控制系統(tǒng)能快速檢測主電網(wǎng)的擾動及電能質量變化，作出迅速響應; 　　2) 微網(wǎng)可以實現(xiàn)快速無沖擊地并入主電網(wǎng)或者與主電網(wǎng)分離; 　　3) 有功和無功可以實現(xiàn)解耦控制; 　　4) 各種微電源的輸出功率通過相互協(xié)調可以與負荷需求動態(tài)匹配，并可動態(tài)實現(xiàn)微網(wǎng)與主電網(wǎng)之間潮流的定向、定量調整。在微網(wǎng)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)等微電源受自然氣候影響，輸出功率具有波動性、隨機性、間歇性。對此，可結合微網(wǎng)中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、微燃機、儲能裝置等，實現(xiàn)微網(wǎng)中的功率平衡調節(jié)，大大降低間歇式分布式電源對電網(wǎng)的隨機影響，增強功率調節(jié)的可控性。要想可靠實現(xiàn)網(wǎng)中的各個組成單元(具有各種特性的微電源、儲能裝置等)作為一個有機整體正常運行，必須要對其進行某種程度上的集中控制或者分散協(xié)調控制。在集中控制模式下，控制中心對微網(wǎng)的運行狀態(tài)進行采樣，并通過專門的快速通信網(wǎng)絡向各個微電源或者是那些起主導作用的微電源發(fā)出控制信號。這意味著各個微電源都服從統(tǒng)一調度、集中分配。在分散協(xié)調控制模式下，微網(wǎng)中每個單元都根據(jù)就地運行情況各自進行響應。各個微電源及儲能裝置的響應速度必須能夠確保微網(wǎng)的穩(wěn)定性要求。 　　微網(wǎng)靈活的運行方式和高質量的供電服務離不開完善的穩(wěn)定與控制系統(tǒng)。但微網(wǎng)中的微源個數(shù)太多，很難要求一個中心控制點對整個系統(tǒng)作出快速反應并進行相應控制。所以，微網(wǎng)的控制應該做到能夠基于本地信息對電網(wǎng)中的事件作出自主反應，如對于電壓跌落、故障和停電等，發(fā)電機能夠利用本地信息自動轉到獨立運行方式，而不是像傳統(tǒng)方式一樣要電網(wǎng)調度統(tǒng)一協(xié)調。 　　微網(wǎng)的控制應保證任一電源的接人不對系統(tǒng)造成影響;自主選擇運行點;平滑地實現(xiàn)與電網(wǎng)的并網(wǎng)、分離;對有功、無功進行獨立控制;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)基于電力電子技術的“即插即用”與“對等”的控制方法，該方法簡單、可靠，易于實現(xiàn)，但沒有考慮系統(tǒng)電壓與頻率的恢復問題，在微網(wǎng)遭受擾動時，系統(tǒng)的頻率質量可能無法保證，而且該方法只是針對基于電力電子技術的微電源問的控制，應用范圍狹窄。 　　2)基于功率管理系統(tǒng)的控制，該方法可以對有功和無功分別進行控制，而且還能夠滿足頻率質量的要求，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的機組間的協(xié)調控制，而沒有考慮它們與含有調速器的常規(guī)發(fā)電機間的協(xié)調控制。 　　3)基于多代理技術的控制方法，該方法將傳統(tǒng)的多代理技術應用于微網(wǎng)的控制系統(tǒng)，代理的自治性、反應能力及自發(fā)行為等特點正好滿足了微網(wǎng)分散控制的需要，但該技術目前還未深入到對微網(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)運行方式的不同以及微網(wǎng)與儲能元件的協(xié)調控制，使微網(wǎng)內部存在多向、多路徑能量流動與傳輸，因此，需要建立適合該特點的網(wǎng)絡結構規(guī)劃、設計及運行等相關方面的理論。 　　2)針對含有風電等可再生能源的DGS，設計實時、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、自治和自組織等復雜功能。另外，根據(jù)負荷的要求(敏感性重要負荷和非敏感性負荷)以及電網(wǎng)的運行狀況，對控制策略進行優(yōu)化完善，尤其是不同控制策略的整合、協(xié)調和平滑過渡，探索微網(wǎng)合適的運行方式和管理策略。 　　3)利用神經網(wǎng)絡、小波分析、灰色理論以及專家系統(tǒng)預測技術建立微網(wǎng)內部隨機負荷模型，根據(jù)主網(wǎng)的調度計劃以及微網(wǎng)內負荷容量和用戶對電能質量的要求，結合智能控制(人工神經網(wǎng)絡、模糊控制)及現(xiàn)代控制理論，建立微網(wǎng)內部的隨機潮流優(yōu)化控制模型。 　　4)建立主網(wǎng)與微網(wǎng)的新型經濟關系體系，妥善研究和制定微網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)運行技術準則，特別明細孤網(wǎng)情況下運營商的微型分布式電源的運行規(guī)范，進一步研究微網(wǎng)技術的推廣對電力市場的影響。