對微電網(wǎng)的相關(guān)認識

1 微網(wǎng)的背景與意義 　　隨著我國經(jīng)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(diào)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(jié)構(gòu)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(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(chǎn)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(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?shù)嘏潆娋W(wǎng)的特點，在一個局部區(qū)域內(nèi)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(jié)合電蓄冷(熱)技術(shù)，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(shù)基礎。 　　2 微網(wǎng)的定義與結(jié)構(gòu) 　　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(jié)構(gòu)：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(zhuǎn)換開關(guān)(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(jié)構(gòu)：微網(wǎng)的通信結(jié)構(gòu)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(shù)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(nèi)的電源主要由電力電子器件負責能量的轉(zhuǎn)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(zhì)量和供電安全等方面的要求。相應微網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(cè)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(guān)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(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)。他們的實驗室微網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(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(zhì)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(shù)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(zhì)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(diào)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(diào)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(jié)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(diào)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(diào)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(diào)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(diào)度、集中分配。在分散協(xié)調(diào)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(zhì)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(zhuǎn)到獨立運行方式，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(shù)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(zhì)量可能無法保證，而且該方法只是針對基于電力電子技術(shù)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(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(shù)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(diào)控制，使微網(wǎng)內(nèi)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(jié)構(gòu)規(guī)劃、設計及運行等相關(guān)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(diào)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(jīng)網(wǎng)絡、小波分析、灰色理論以及專家系統(tǒng)預測技術(shù)建立微網(wǎng)內(nèi)部隨機負荷模型，根據(jù)主網(wǎng)的調(diào)度計劃以及微網(wǎng)內(nèi)負荷容量和用戶對電能質(zhì)量的要求，結(jié)合智能控制(人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制)及現(xiàn)代控制理論，建立微網(wǎng)內(nèi)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(jīng)濟關(guān)系體系，妥善研究和制定微網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)運行技術(shù)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(shù)的推廣對電力市場的影響。