主动式配网微电网技术探究

1构建主动式配电网的必要性

作为大容量、集中式发电的有效补充，分布式发电技术已日趋成熟[5]，在能源政策的有力扶持下，得到了越来越广泛的应用。然而，分布式电源(distributedenergyresource,DER)以风电/光电等间歇性能源为主，其高渗透率地接入配电网对电力系统的安全运行提出新的挑战。依靠灵活的网络结构和较大的容量裕度来应对负荷的不确定性，以保证电力系统的安全可靠性的传统配电网在面对高渗透DER的接入显得力不从心，主要表现在以下几方面[6-8]：①高渗透DER接入后，配电网从开环辐射状向闭环网状结构转变，而传统配电网的安全裕度规划，主要是针对某个特定工况运行条件的最优解，未考虑DER运行不确定性，无法满足所有电源的协调优化问题；②由于传统配电网是无源的，其无功电压控制模式简单，无法应对DER的间隙性和非线性运行特征，可能导致配电网中出现潮流反转，影响系统可靠运行；③现有的配电网保护设计时一般未考虑DER的接入，因此大量DER接入后会影响故障条件下的短路电流，从而导致保护误动和拒动，损坏电气设备。如含有DER的馈线在故障情况下，非同步的自动重合可能会对DER设备产生损害；④传统配电网不具备孤岛运行的条件，非常态孤岛运行会配电网电压和频率产生影响。为应对DER高渗透接入后带来的这一系列变化，确保电力系统的安全可靠运行，构建主动式配电网是未来电力系统解决这些问题的有效途径。

2微电网的技术优势

微电网作为输电网、配电网之后的第3级电网，具体电网框架见图1[9]。其由分布式电源、储能装置、电力电子换流装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以实现并网运行,也可以孤岛运行[10－11]。微电网技术作为主动式配电网的关键技术具有以下优势：①微电网是一个可控单元。从电网端看进去微电网是一个可控的发电单元或负荷，其可以充分利用分布式电源的互补性，能源利用更加充分，并且减少了直接接入后对配电网的影响；②微电网运行方式灵活，微电网具有并网和孤岛正常运行模式。在并网运行条件下，负荷既可以从上级电网获得电能又可以从微电网中获得电能，同时微电网既可以从上级电网获得电能也可以向上级电网输送电能。当电网的电能质量不能满足要求或发生故障时，微电网与上级电网断开运行，即处于孤网运行；③微电网具有即插即用的特点，微电网可以作为一个可定制的电源，以满足用户多样化的需求；④微电网具有较强的经济效益，从用户来看极大地提高能源利用效率(使用冷热电联产能源热效率能从35%提高到70%左右)；从投资者来说微电网更环保，投资成本和运行成本更低，更能适应终端用户能源需求变化。微电网的特点适应电力发展的需求与方向，具有广阔的前景。

3微电网相关问题及技术措施

3.1电能质量问题

1)出现高电压问题。配电网馈线上分布大量用电负荷，其节点电压通常沿线下降。当馈线接入分布式电源之后，注入系统的功率会抵消负载电流，从而引起系统电压降落减小，特别是当负荷减小时，分布式电源接入处的电压会出现波峰，甚至超过电压允许的波动范围。解决措施：在负荷需求低谷时期限制分布式发电系统(didstributedgeneration，DG)注入的功率或将富裕的电能储存于储能设备中；通过DG的电力电子接口装置调整其出口电压。2)谐波污染问题。微电网中大量电力电子器件的应用，不可避免地给系统带来大量谐波，谐波的幅度和阶次受发电方式以及转换器工作模式的影响，同时对电压的稳定性和电压的波形都产生不同程度的影响。解决措施：装设谐波补偿装置来补偿谐波；开发更好的电力电子器件控制算法。3)频率/电压闪变问题。在传统电力系统中，由于同步发电机具有较大的惯量，可通过频率的轻微变化满足负荷变动时的初始功率平衡，然后功率调节器使系统的频率恢复到额定值[12]；而在微电网中，由于大量DER的间歇性与不可控性，再加之大量电力电子器件的使用降低了系统惯性，在能量需求变化的瞬间DER无法满足负荷需求，对系统造成冲击和频率/电压闪变。解决措施：对分布式电源采用独立回路供电；采用静止型无功功率补偿装置；装设分布式储能装置。

3.2微电网控制及能量管理问题

1)并/离网控制问题。微电网合理控制是实现多种形式能源优势互补，最大程度利用能源的重要保证。微电网控制必须保证：系统在并网和孤岛运行方式下，都能维持系统各个节点的电压和频率稳定。平衡电源和负荷之间的暂时功率差额：按照系统需求平滑自主地实现与主网分离、并列或是两者的过渡转化运行。2)微电网能量管理问题。微电网能量管理系统对微电网的使用便利性和高效性起着重要的作用。早期微电网能量管理主要采用集中控制，随着技术的成熟，分散式控制逐渐成为了微电网能量管理控制结构的发展趋势，分散式控制使得分布式电源能够即插即用，大幅度提高了系统用电的灵活性；但由于微电网的特殊性，微电网的能量管理依然面临一系列挑战[13]：①微电网能量管理系统的设计需要考虑风电/光电等可再生能源的间歇性和可控负荷的时间和空间的不确定性；②单一的储能技术很难在技术性和经济性上满足微电网的需求，因此，通常需要多种储能技术来配合使用。多种储能技术的优化配合和联合调度将成为微电网能量管理的难点。

3.3微电网的保护

传统的配电网的保护系统相对较为简单，主要采用速断和过电流两种保护方式，含大量DER的微电网接入彻底改变了配电系统故障的特征，使配电网的故障无法及时、准确地切除，对配电系统稳定、设备健康状态造成破坏[14－15]。针对微电网的保护问题主要可归纳为3个方面：①微电网内的DER与原有配电网保护的配合问题；②微电网接入后对线路重合闸的影响；③孤岛检测和逆功率保护问题。

3.4微电网中的储能技术

储能装置在微电网系统中扮演着能量调节和后备电源的角色。微电网对于电能存储的要求主要有3个方面：①保证稳定可靠的供电，如电压补偿、不间断电源等；②提高新能源发电并网性能，如平抑风力，光伏发电等新能源发电输出功率的间歇性、波动性；③提高电能利用效率的优化能量管理。显然一种储能元件很难同时满足这些要求，因此在微电网系统中需要采用多元组合储能[16]。鉴于中国储能技术还处于起步阶段，研发快速高效低成本的储能电池与对复合储能系统的优化控制将是微电网领域的重要课题。

3.5微电网并网标准

微电网的接入改变了传统配电网的网络拓扑，并对接入点的电压、线路潮流继电保护以及网络可靠性等都将产生影响，且其影响程度与微电网的位置、容量、负荷特性等密切相关[17-18]；再加上国内微电网实际工程较少，微电网接入电网标准的制定相对滞后，因此研究制定微电网接入电网时的技术规定非常重要。

4智能电网下的机遇与挑战

在智能电网的建设背景下，高级量测体系(AMI)和通信技术的提升了分布式发电技术，对大量的DER通过微电网接入到配电网产生了深远的影响。这些影响主要体现在以下几个方面。1)提高了风电/光电等可再生能源的可预测性。风电/光电等可再生能源发电产业受环境、气象等不确定因素影响较为严重，单一的预测方法不再满足要求[14]，多种方式混合预测的方法将成为功率预测的发展方向。2)提高DER的稳定性与可控可调性。利用各种先进的管理技术和控制策略，对DER实施有效的调控措施，提高DER的可调可控性，如利用先进的能量管理系统技术，对微电网系统采取有效的在线监控、状态估计、出力预测、短期调度等能量优化控制和管理。3)改善用电设备的负荷特性。作为电力系统瞬时平衡的主动方，用电设备的负荷特性及用户的负荷需求很大程度上决定着电网的安全稳定性。利用需求侧管理的措施激励用户主动参与电网互动，改善负荷的时间特性和负荷的频率/电压特性，促使负荷曲线平坦，有效地降低损耗，提高系统的运行效率和稳定性。

5结语

作为主动式配电网的关键技术之一，微电网技术正处于刚刚发展阶段，文中首先阐述了主动式配电网构建的必要性，探讨了微电网建设过程中存在的技术难点和微电网接入后带来的系统问题，并结合智能电网建设的背景，提出了微电网技术的发展趋势。为实现低碳电力系统建设提供了一个良好的解决思路，对电力系统的安全、稳定、低碳运行具有重要的意义。

作者：董开松 谢永涛 贾嵘 沈渭程 单位：国网甘肃省电力公司电力科学研究院