微网概念和特征

随着我国经济增长速度的加快，电力需求也越来越大，大规模联网所带来的 问题逐渐显露出来，比如调度困难，安全性和可靠系数不高等。同时，能源危机 的加重也使我国这样一个以煤电为主要电力结构的发展中国家在环境治理上耗 费了大量人力、物力和财力。分布式发电以其灵活、环保等优势正在逐渐赢得广 大市场，而大量分布式电源的并网也给电力系统的保护、实时调度和电网可靠性 等各方面带来了一些问题，建立微型电网（微网）是目前解决这些问题较好的途 径。随着包括风电、光伏等可再生能源和高效清洁的化石燃料在内的新型发电技 术的发展，分布式发电系统（distributed generation system，DGS）日渐成为满足负 荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率和供电可靠性的一种有效途 径。DGS具有投资少、发电方式灵活、可与环境兼容等优点，在配电网中得到 广泛的应用，但是DGS的大规模渗透也产生了一些负面影响，如分布式发电单 机接入成本较高，控制较复杂。另外，从系统的角度来分析，DGS是不可控的 发电单元，因此系统总是试图采取隔离、切机的方式来控制微型发电系统，以消 除其对大系统的电压和频率的冲击。为整合分布式发电的优势，削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响，充分 发挥DGS的效益和价值，相关电力工作人员和专家提出了微网的概念。集中管理控制分布式电源，使其性能得到最大发挥，减少主干电网在峰荷时期所承受的 紧张情况，起到“削峰填谷”的作用；为中低压等级的用户企业，如CBD（中央经济商务区），高科技企业产发区、住宅小区 以及孤立、偏远地区用户提供高质量的电力供应；采用冷热电联产（CCHP），为用户提供综合能源解决方案；微源在负荷中心区附近，减少了输配电能量损耗，有例子表明同样是热电联产，传统的集中式供电的效益为71%，而以微型燃气轮机为微源的微网效益达到85% ；可把微网纳入现有电力系统的负荷侧管理（DSM），为电力企业提供紧急功率支持等服 务；提高整个电网的运行效率，同时还可以减少对环境的污染；2.2.1为电网的定义与结构目前，国际上对微网的定义没有统一的标准。美国电气可靠性技术解决方案联合会（CERTS）给出的微网定义为1：微网 是一种由负荷和微源共同组成的系统，它可向用户同时提供电能和热能；微网内 的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微网相对于外 部大电网表现为单一的受控单元，并可满足用户对电能质量和供电安全等方面的 要求。相应微网结构如图1所示，它采用微型燃气轮机和燃料电池作为主要的电 源，储能装置连接在直流侧与分布式电源一起作为一个整体通过电力电子接口连 接到微网。其控制方案相关研究重点是分布式电源的“即插即用”式控制方法。 到目前为止，他们不允许微网向大电网供电。图1美国微网结构图欧盟微电网项目（European Commission Project Micro-grids）给出的定义是2: 微网是一种小型电力系统，它可充分利用一次能源，提供冷、热、电三联供，配 有储能装置，所使用的微源分为不可控、部分可控和全控三种，使用电力电子装 置进行能量调节。他们的实验室微网结构如图2所示，光伏（PV）、燃料电池和 微型燃气轮机通过电力电子接口连接到微网，小的风力发电机直接连接到微网， 中心储能单元被安装在交流母线侧。微网系统采用分层控制策略，并且允许微网 作为电网中分布式电源的一部分向大电网供电。图2欧盟微网结构图美国威斯康辛麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)的R. H. Lasseter 给出的定义是：微电网是一个由负载和微型电源组成的独立可控系统，对当地提 供电能和热能。这种概念提供了一个新的模型来描述微电网的操作；微电网可被 看作在电网中一个可控的单元，它可以在数秒钟内反应来满足外部输配电网络的 需求；对用户来说，微电网可以满足他们特定的需求：增加本地可靠性，降低馈 线损耗，保持本地电压，通过利用余热提供更高的效率，保证电压降的修正或者 提供不间断电源。图3是威斯康新大学新能源实验室的微电网结构图。图3威斯康新大学新能源实验室的微电网结构图 基本单元应包含微能源、蓄能装置、管理系统以及负荷。微网基本结构微网一般是由多条辐射状馈线和负载群组成，辐射状配电网通过固态转换开关(Static Transfer Switch)在公共耦合点(Point of common coupling)与主干配电系统相连。每条馈 线具有断路器和潮流控制器。微网通信结构：微网的通信结构是由三个基本层组成，首层是微网中央控制器( Microgrid Central Controller)，次层是负荷控制器(Load Controller)和微源控制器(Microsource Controller)， 底层是可控负荷与可控微源。图1中的微网包括3条馈线A、B和C，整个网络呈放射状。馈线通过 微网主隔离装置(一般是静态开关)与配电系统相连，可实现孤网与并网运行模式 间的平滑无缝转换。其中A和B为敏感负荷(重要负荷)，安装有多个DGS， 馈线A中含有一个运行于热电联产的DGS，该DGS向用户提供热能和电能。 馈线C为非敏感性负荷，孤网情况下微网内部过负荷运行时，可以切断系统对 C的供电。当外界大电网出现故障停电或电能质量问题时，微网可通过主断路 器切断与电网的联系，孤网运行。此时，微网的负荷全部由DGS承担，馈线C 继续通过母线得到来自主网的电能并维持正常运行。如果孤网情况下无法保证电 能的供需平衡，可以断开馈线C，停止对非重要负荷供电。当故障消除后，主断路器重新合上，微网重新恢复和主电网功角同步运行，保证系统平稳过渡到孤 网前的运行状态。在微网的这种结构下，多个DGS局部就地向重要负荷提供电能和电压支 撑，这在很大程度上减少了直接从大电网买电和电力线传输的负担，并可增强重 要负荷抵御来自主网故障影响的能力。微型电网 调度r11 1:,敏感负荷可调节负荷微网的基本拓扑结构2.2.2微电网功能与特点能源来源主要为可再生能源；发电系统类型可为微型燃气轮机(Micro-Turbine)、内燃 机(Gas-Engine、燃料电池(Fual Cell、太阳能电池(PV Panel、风力发电机(Wind Generator)、 生物质能(Biomass Energy)等;系统容量为20 kW-10 MW;网内的用户配电电压等级为380 V， 或者包括10.5 kV;如与外部电网进行能量交换，电压等级由微电网的具体应用等情况而定。基于分布式能源系统的微型电网具有三个独特功能：(1) 微源与负荷控制分布式发电和微电网利用分布式发电控制进行有功和无功的控制。当网压或负载发生变 化时，与DG耦合的功率和电压控制器能快速响应，无须与上级系统通信。(2) 微网中央控制微网中央控制器为每个微型电源的控制器设定工作点(功率和电压工作点以及微元控制 开关)，提供运行控制功能，其响应时间以分钟计算。(3) 电网保护：微电网内的保护通过电力电子技术实现与电网接口，实现配电网与微网间柔性、可控的 连接，确保微网在不同运行情况下灵活快速的切换，以及配电系统和微网的运行安全性、可 靠性、经济性。微电网具有以下特点3：（1）独立性。微网是由微型电源（微源）及负荷构成的小型电力系统，一 般通过单点接入大电网，即从电网端看进去微网是一个可控发电单元或者负荷。 在一定条件下可以独立运行，保障本地负荷的用电需求。（2）灵活性。能运行在并网模式和孤网模式。并网模式是微网的常态运行 模式，此模式下微网既可从主网吸收功率，也可在政策允许下向主网输送功率。 当主网发生故障时，微网自动进入孤网模式，故障清除后微网可自动恢复并网运 行。（3）交互性。微网在必要时可作为主网的后备电源，在紧急情况下帮助主 网大电厂进行黑启动。（4）经济性。微网内含有大量清洁电源，可根据制定的经济运行策略对各 微源出力进行最优分配，使微网整体经济效益达到最优。（5）安全及可靠性：调峰问题（与燃气互补）、备用问题，提高供电可靠性 和供电质量，防止大面积停电事故的发生，防灾害（战争、地震、恐怖活动等）。2.3微电网的研究现状各国研究机构和企业积极推广微网技术，并且已经取得了一定的进展1。正 在开展的研究工作主要包括分布式电源模型分析、微网控制、微网孤岛检测与保 护和微网经济性等方面2-9。美国微网的发展重点是提高重要负荷的供电可靠性、 满足用户定制的多种电能质量需求、降低成本、实现智能化，美国电力可靠性技 术解决方案协会（CERTS）的微网中电力电子装置与众多新能源的使用与控制， 为可再生能源潜能的充分发挥及稳定、控制等问题的解决提供了新的思路。日本 立足于国内能源日益紧缺、负荷日益增长的现实背景，也展开了微网研究，但其 发展目标主要定位于能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力需求。 欧洲已初步形成了微网的运行、控制、保护、安全及通信等理论，并在实验室微 网平台上对这些理论进行了验证，其后续任务将集中于研究更加先进的控制策 略、制定相应的标准、建立示范工程等，为分布式电源与可再生能源的大规模接 人以及传统电网向智能电网的初步过渡做积极准备456。随着经济的高速发展和能耗的日益增加，各国的电力工业面临着一系列前所 未有的严峻挑战：能源危机、系统老化、污染问题、一次能源匮乏、能源利用率 低以及用户对电能质量的要求高等。微网在DGS的高效应用以及灵活、智能控 制方面表现出极大的潜能和优势，成为很多发达国家发展电力行业、解决能源问 题的主要战略之一。目前，北美、欧盟、日本等已加快进行微网的研究和调试， 并根据各自的能源政策和电力系统的现有状况，提出了具有不同特色的微网概念 和发展规划8-10。2.3.1北美的微网研究CERTS最早提出微网的概念，其也是所有微网概念中最具代表性的一个。CERTS对 微网的主要思想和关键技术问题进行了详细地概述，说明CERTS微网有静态开关和自治微 型电源2个主要部件，并系统阐述了微网的结构、控制方式、继电保护以及经济性评价等 相关问题。目前，美国CERTS微网的初步理论和方法已在美国电力公司Walnut微网测试 基地得到了成功验证。由美国北部电力系统承接的Mad River微网是美国第一个微网示范 性工程，微网的建模和仿真方法、保护和控制策略以及经济效益在此工程中得到了验证，关 于微网的管理条例和法规得到了完善，因此Mad River微网成为美国微网工程的成功范例。 同时美国能源部制订了“Grid 2030”发展战略，即以微网形式整合和利用微型分布式发电 系统的阶段性计划，详细阐述了今后微网的发展规划。此外，加拿大BC和Quebec两家 水电公司已经开始开展微网示范性工程的建设，测试微网的主动孤网运行状况，旨在通过合 理地安置独立发电装置(independent power producer，IPP)改善用户侧供电可靠性。2001年颁布了 IEEE P1547/D08关于分布式电源与电力系统互联的标准草案2003年美国电力可靠性措施解决委员会(CERTS)发布了分布式能源、资源集成的微 网概念，并在原标准下进一步提出IEEE1547.4补充标准电力系统中孤岛运行的分布式电 源设计、运行与并行条规2.3.2欧盟的微网研究从电力市场自身需求、电能安全供给以及环境保护等方面综合考虑，欧洲在2005年提 出了 “智能电网”的计划，并在2006年出台了该计划的技术实现方案。作为欧洲2020年 及后续电力的发展目标，该计划指出未来欧洲电网应具有灵活、可接入、可靠和经济等特点。 为此，欧洲提出要充分使用DGS、智能技术、先进的电力电子技术等实现集中式供电与分 布式发电的高效整合，积极鼓励独立运营商和发电商参与电力市场交易，快速推进电网技术 的发展。微网必将成为欧洲未来电网发展的重要组成部分。目前，欧盟主要资助和推进“Microgrids”和“More Microgrids” 2个微网项目，通过 拓展和发展微网概念，增加微型发电装置的渗透率，初步形成微网的运行、控制、保护、安 全以及通信等基本理论，希腊、德国、西班牙等国家建立了不同规模的微网实验室。德国太 阳能研究所建成的微网实验室的规模最大，容量达到200kVA，该研究所还在其实验平台上 设计安装了简单的能量管理系统。欧盟对微网的研究主要集中在可再生微型发电系统的控制 策略和微网的规划、多微网管理运行优化工具的研发和技术、商业化规范的制定、示范性微 网测试平台的推广、电力系统运行性能的综合评估等，这些可为DGS和可再生能源系统大 规模并入微网以及传统电网向智能电网过渡提供条件。微网计划（MICROGRID）是欧盟“可再生能源与分布式发电”研究系列计划中的一个重 要组成部分，它将调查，研发和展示微网的运行、控制、保护、安全和远程结构。该项目的 目的旨在通过微网概念的延伸和推广提高微型电源在配电网中的普及率和渗透率，计划内容 包括了可再生微型电源的控制策略研究，多微网管理运行的新设备研发以及负责制定技术标 准和商业规程。2.3.3日本的微网研究日本根据本国资源日益缺乏、负荷需求增长迅速的发展现状，开展了微网的研究。目前， 日本已在国内建立了多个微网工程。近年来，可再生能源和新能源一直是日本电力行业关注 的重点之一，新能源与工业技术发展组织大力支持一系列微网示范性工程，并鼓励可再生和 分布式发电技术在微网的应用。日本在微网的网架拓扑结构、微网集成控制、热电冷综合利 用等方面开展了一系列研究，为DGS和基于可再生电源的大规模独立系统的应用提供了较 为广阔的发展空间。日本方面十分重视分布式供能系统与大电网相互关系，制定了分布式供能与大电网互联 的分布式电源并网技术导则，并且日本新能源与工业技术发展组织（NEDO）分别在 Aomori，Aichi和Kyoto开展了示范性工程，取得良好效果。2.3.4中国的微网研究2005年上海市电力公司和上海市燃气（集团）公司联合编写了分布式供能系统工程技 术规程（试行）。2005年北京电力公司和清华大学电机系共同完成了北京市分布式能源运行分析报 告。我国南方国电网公司即将启动建设一个实际的冷热电联供微网并网运行示范工程，工程 的最终目标是保证微网与主网长期互联运行的可靠性、经济性与实用性。2.4微电网的发展方向1）微网并网、孤网运行方式的不同以及微网与储能元件的协调控制，使微 网内部存在多向、多路径能量流动与传输，因此，需要建立适合该特点的网络结 构规划、设计及运行等相关方面的理论。2）针对含有风电等可再生能源的DGS，设计实时、灵活的智能化分布式电 源控制器和中央管理单元，以使其具有自愈、自治和自组织等复杂功能。另外， 根据负荷的要求（敏感性重要负荷和非敏感性负荷）以及电网的运行状况，对控制 策略进行优化完善，尤其是不同控制策略的整合、协调和平滑过渡，探索微网合 适的运行方式和管理策略。3）利用神经网络、小波分析、灰色理论以及专家系统预测技术建立微网内部随机负荷 模型，根据主网的调度计划以及微网内负荷容量和用户对电能质量的要求，结合智能控制（人 工神经网络、模糊控制）及现代控制理论，建立微网内部的随机潮流优化控制模型。4）建立主网与微网的新型经济关系体系，妥善研究和制定微网并网、孤网运行技术准 则，特别明细孤网情况下运营商的微型分布式电源的运行规范，进一步研究微网技术的推广 对电力市场的影响。1 R. Lasseter, A. Abbas, C. Marnay, and et al. Integration of distributed energy resources: The CERTS MicroGrid conceptR. California Energy Commission, 2003.2 A. Arulampalam, M. Barnes, A. Engler, and et al. Control of power electronic interfaces in distributed generation MicroGrids J. International Journal of Electronics, 2004, 91: 503-523.3牛铭.基于不同结构的微网运行控制策略研究D.华北电力大学,20114 M. Barnes, J. Kondoh, H. Asano et al. Real-world MicroGrids - an overviewC.IEEE Interna -tional Conference on System of Systems Engineering, USA, 2007: Z535-Z5425 N. Hatziargyriou, H. Asano, R. Iravani et al. An overview of ongoing research, development, and demonstration projects J. IEEE power & energy magazine, 2007: 78-946张建华，黄伟.微电网运行控制与保护技术M.北京：中国电力出版社， 2010:1-229