微电网发电技术综述

【摘 要】分布式发电具有经济性、环境友好性等优势，但一些分布式电源的间歇性和随机性制约了分布式发电的发展，一个比较好的解决办法就是微电网。微电网分为联网型微电网、独立性微电网两种。从典型微电网的结构、运行特性，微电网配电系统规划、控制和保护，微电网的优化等方面阐述了微电网相关关键技术，并对微电网技术的发展趋势作了综述。

【关键词】分布式发电；微电网；配电系统；电网；能量优化

一、概述

1、技术产生背景

2013年1月，国务院了《能源发展“十二五”规划》，提出要以分布式能源、智能电网等作为推动能源生产和利用方式变革的重点，大力推广新型供能方式，提高能源综合利用效率。

分布式发电（Distributed Generation，DG）指为满足终端用户的特殊需求、接在用户侧附近的小型发电系统。其优点是可利用丰富的清洁和可再生能源，具有经济性、环境友好性、能源利用的多样性、调峰作用、安全性和可靠性、可为边远地区供电等优势，接入方便，运行简单。缺点是一些可再生能源具有间歇性和随机性，大量可再生能源发电（风电/太阳能发电等）并入配电网，不仅改变了配电网的运行模式，同时其波动性对电网运行也会产生不利影响，对电网的运行调度提出了挑战。分布式电源特性中的不可调度性、功率波动、需要备用，以及双向潮流导致的电压调节、保护协调、能量优化困难等，都是分布式电源在并网运行时需要面对和解决的问题。这些缺点制约了分布式发电的发展。

为了降低分布式发电带来的不利影响，同时发挥分布式发电积极的辅助作用，一个比较好的解决办法就是把分布式发电、负载和储能系统一起，作为配电子系统，这就是微电网（Microgrid）。微电网是集信息技术、新能源技术、分布式发电技术等为一体的重要概念，有利于构建节能高效、绿色环保、安全可靠的电气系统，解决传统电网的安全、长距离输电的损耗以及化石能源所带来的环境污染等问题。同时，它还能够降低高峰负荷，降低电网网损，削峰填谷，降低电价，为分布式电源投资商带来收益。

2、微电网概念

2002年，美国电力可靠性技术解决方案协会（consortium for electric reliability technology solutions，CERTS）从结构、控制、经济等方面系统全面定义了微电网的概念：微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可以同时提供电能和冷/热能量；微电网内部电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必要的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等方面的要求。

微电网包括分布式电源、储能系统和可控负载三大部分。其中分布式电源包括小规模的风电、光伏、CCHP、生物质、水电等；储能系统包括电储能（储能电池、飞轮、超级电容、压缩空气等）、热储能（可实现CCHP热-电解耦，可改变负荷曲线形状等）等系统；可控负载如照明负荷、泵类负荷、加热负荷等。

微电网中包含有多个DG和储能系统，联合向负荷供电，整个微电网对外是一个整体，通过断路器与上级电网相联。微电网中的DG可以是多种能源形式（光电、风电、微型燃气轮机等），还可以以热电联产（combined heat and power，CHP）或冷热电联产（combined cold heat and power，CCHP）形式存在，就地向用户提供冷/热能，提高DG利用效率。

3、微电网分类

一般而言，微电网分为联网型和独立型两种。

联网型微电网具有并网和独立两种运行模式。在并网工作模式下，一般与中、低压配电网并网运行，互为支撑，实现能量的双向交换。在外部电网故障情况下，可转为独立运行模式，继续为微电网内重要负荷供电，提高重要负荷的供电可靠性。通过采取先进的控制策略和控制手段，可保证微电网高电能质量供电，也可以实现两种运行模式的无缝切换。

独立型微电网不和常规电网相连接，而是利用自身的分布式能源满足微电网内负荷的需求。当网内存在可再生分布式能源时，常常需要配置储能系统以保持电源与负荷间的功率平衡，并充分利用可再生能源。这类微电网更加适合在海岛、边远地区等地为用户供电。

二、微电网技术

1、典型微电网结构

微电网与外电网之间只有一个公共接点，可构成母线级、变电站级等不同规模的微电网，微电网可以独立、并联或嵌入式接入电网。典型的微电网结构有直流（如图1所示）、交流（如图2所示）和交直流混合（如图3所示）三种。

直流微电网的优势在于，由于DG的控制只取决于直流电压，无需考虑各种DG之间的同步问题，直流微网的DG较易协同运行，在环流抑制方面更具优势，且只有与主网连接处需要使用逆变器，系统成本较低。

在交流微电网中，DG、储能装置和负荷等，均通过电力电子装置连接至交流母线，通过对公共联接点处开关的控制，可实现微网并网运行与孤岛运行模式的无缝切换。

直流和交流微电网各具优势，交直流混合微电网具备两种微电网的优点：既有交流母线又有直流母线，易于向交/直流负荷供电。

2、微电网运行特性

由于微电网有多种能源输入（风、光、天然气、生物质、水电等）、多种产品输出（电、热、冷）、多种转换单元（风/电、光/电、热/电，AC/DC）、多种运行状态（独立、并网），并且一些电源如风电等，具有间歇性和随机性，因此微电网具有复杂的特性；微电网的分布式电源大多采用电力电子逆变装置，不具有自同步性；负荷波动对电源输出影响较大；运行状态多变，在状态转换时常要求无缝切换；规模一般不大，不同时间动态响应耦合性强；除关注安全稳定性外，还关注电能质量、经济性等问题。

图1 直流微电网典型结构

图2 交流微电网典型结构

图3 交直流混合微电网典型结构

3、微电网及含微电网配电系统规划

微电网及含微电网配电系统的规划工作要考虑DG容量的优化、微电网结构的优化、接入位置的优化、配电系统的综合优化等问题；在技术上面临冷/热/电负荷的综合考虑、可再生能源的间歇性和随机性、DG的多样性、配电系统转变为电力交换系统等困难；要保证微电网建设与运行的经济性、供能的可靠性、环保效益；要有助于提升配电的经济性，使可再生能源尽可能多地接入配电网。

4、微电网及含微电网配电系统控制

微电网及含微电网配电系统的控制主要要解决几个方面：模式切换控制，保证各运行模式之间的平滑过渡；联络功率控制，减轻对电网的影响；电能质量控制，减小对用户供电质量的影响；稳压/稳频控制，保证系统运行的稳定；运行优化控制，保证系统的经济性。

并网型微电网只有能够灵活实现切换，才能发挥其优势。而独立型微电网必须能够长期独立运行。

微电网配电系统控制主要有两种策略：主从控制和对等控制。主从控制是以微电网中的某个分布式电源（主电源）为主控制单元，对电压和频率的控制起主导作用，这种情况下对主电源的要求比较高；或者以上层中心控制器作为主控制单元，对整个微电网进行控制。对等控制是利用下垂特性曲线，通过测量逆变器输出端口电压的频率和电压幅值，控制分布式电源的有功和无功功率（f-P和V-Q下垂控制）；或者利用下垂特性曲线，通过测量逆变器端口输出的有功和无功功率，控制其端口电压的频率和电压幅值（P-f和Q-V下垂控制）。

以一个分布式电源为主控制单元的底层分布式电源的主控制策略，由于其底层分布式电源之间需要强的通信联系，成本高，可靠性降低，且整个系统对主单元有很强的依赖性，主单元一旦控制失效或通信失败，整个微电网就会瘫痪，因此，这种底层分布式电源的主从控制方法还有待改进。而底层分布式电源之间的对等控制，各分布式电源之间不需要通信联系就能实现功率共享，不同分布式电源之间地位对等，控制具有冗余性，这种控制策略因而收到广泛关注。对于以中心控制器为主控制单元的主从控制策略，由于其通信联系不是强联系，中心控制器能起到管理微电网的作用，随着微电网的发展、多微网的出现，这种分层控制系统将是很好的选择。

5、微电网及含微电网配电系统保护

微电网的接入给配电系统的保护和自动化系统应用带来了挑战，。微电网配电系统的保护包括低电压加速反时限过电流保护、线路接地保护、孤岛检测及保护、低电压穿越能力的保护动作时需配合等等。

微电网及含微电网配电系统保护具有一些特性，如：导致配电线路中的潮流双向性、配电系统通讯系统远不如输电系统完备、保护数量多、保护区域有限、经济型要求高等等，这些方面需要在设计阶段就加以考虑并解决，以满足对保护系统可依赖性、安全性和速动性的要求。微网配电系统的保护原理与技术如图4所示。

图4 配电系统的保护原理与技术

6、微电网能量优化

微电网能量优化的目标在于研究微电网优化调度理论，使全系统能源利用效率最大化。具体来说，就是在满足运行约束条件下，最大限度利用可再生能源，保证整个微电网运行的经济性。在微电网高渗透率的情况下，通过对微电网输出的有效控制，降低配电系统的损耗。

孤立微网中常用的典型电源有常规发电机组（柴油发电机、微型燃气轮机等）和可再生能源发电机组（光电、风电等）。当可再生能源容量较大时，一般需要安装储能系统（如蓄电池），用于稳定系统运行电压和频率。目前，电池储能系统一般投资较大，且使用寿命较短，因此，合理利用储能电池以保证其使用寿命，是微电网运行控制策略选择的关键，其目的是在保证系统稳定供电的前提下，综合考虑各种分布式电源和储能设备的运行约束，提高系统全寿命周期的经济性。

并网型的微电网，既可以在并网模式下运行，也可以在外网出现故障时转入孤岛运行模式。在孤岛运行模式下，微电网运行的目标是尽可能保证一些重要负荷的供电，满足微电网内的功率平衡，能量管理比较简单。针对并网运行模式的能量管理，目的是实现微电网运行效益的最大化，包括经济效益和社会效益。并网运行模式下的能量管理，常用三种模式：联络线功率恒定模式、微燃机恒功率模式、微燃机功率时间・设定模式。目前，以微型燃气轮机为核心设备的冷/热/ 电联供（CCHP）技术发展十分迅速。CCHP整体燃料利用率在70%～90%之间，大大优于效率为30%～45%的大型发电厂，可实现能源的有效梯阶利用。

三、微电网技术发展趋势

微电网技术，总体来说是朝着多样化、智能化、扩大化、复杂化方向发展的。微电网的结构从简单到复杂，从用户微电网到公共微电网，从直流+交流的模式到混合式微电网，呈多样化发展趋势；微电网的控制，在能量互补、电源即插即用、可调度性、电能质量控制方面，越来越先进和智能化；微电网的概念，也朝着智能配电系统重要组成部分的外延扩大；微电网的功能越来越复杂，涵盖了供电/热/冷、直流/交流、定制电力、风/光/气/生物质/氢+储能（以电、热、冷等形式）等方面，微电网注定将成为综合的能源系统。