微網技術綜述

葛志超，方念，楊凡凡，黃成思，陳丹霏

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

微網技術綜述

葛志超，方念，楊凡凡，黃成思，陳丹霏

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

介紹了研究微網的意義、微網的定義、微網的基本結構及特點，討論了研究微網的關鍵技術問題，包括控制技術、保護策略等。最后指出目前微網研究上的一些缺陷和不足，指出將來微網研究的方向，應該給微網作出統一定義，規劃統一結構，得出統一保護方案及配置，為前期微網的研究工作做好準備。

微網技術;控制;運行;保護

1 引言

進入21世紀以來，尋找高效環保的新能源已成為當今學者研究的主要課題之一。近年來用隨著經濟的發展，用電負荷的不斷增加，傳統電網的弊端也日益凸現，這使得電網運行的穩定性和安全性下降［1，2］，供電質量得不到很好的保障。在世界范圍內接連發生的幾次大面積停電事故更加凸顯了電力系統集中式發電的運行難度大、難以滿足用戶對電能質量的更高要求等弊端［3］，針對以上問題，發達國家如德國、日本、美國甚至包括一些發展中國家開始研究并應用多種一次能源形式結合、高效、經濟的新型電力技術——分布式發電技術DG［4－6］。分布式發電開始發展并受到重視，在這樣的背景下，美國威斯康辛大學的R．H．Lasseter于2001年在文獻［7］中首先提出微網的概念。

微網概念的提出主要是解決大規模、多樣化分布式電源并網在技術上、市場上和政策上帶來的問題，以發揮分布式發電技術在經濟、能源和環境中的優勢［3］，以便最大化接納分布式電源，更好的滿足電力用戶對電能質量和供電可靠性的要求。因此，微網的研究與發展是對分布式發電大量接入電網的必然選擇。與傳統的集中式能源系統相比，微網接近負荷，無需遠距離高壓或超高壓輸電，不僅可以減少線路損耗，而且節省建設投資和運行所需的費用。微網以非集中程度更高的方式協調分布式電源，因而可以減輕電網控制的負擔并能完全發揮分布式電源的優勢［8］。但是，微網的發展還有很多技術上的難題，例如微網的運行與控制、功率平衡問題，電能質量問題以及微網的保護等。很多學者對這些問題做了研究，但仍有許多工作需要完成，其中最有難度的工作是微網的保護問題［9，10］。由于 DG 的接入，傳統配電網的保護方法顯然無法適用，必須研究新的保護方法來適應微網。因此微網的研究具有很大的價值及意義。

2 微網研究的定義和微網的特點

目前對微網的研究正處于初步的前期階段。從微網的概念提出至今，國際上并沒有形成統一的標準。相對獲得學術界和工業界認可的定義主要有三種:美國電力可靠性技術解決方案協會(CERTS)給出的定義、歐盟微網項目(European Commission Project Microgrids)的定義及美國威斯康辛麥迪遜分校的R．H．Lasseter給出的微網概念，其中美國電力可靠性技術解決方案協會(CERTS)提出的一種微網定義是眾多微網概念中最權威的［11］:微電網是由微型電源和負荷一起組成的小型系統，它對用戶提供電能和熱量;微網內部電源的能量轉換大多由電力電子設備負責，同時要有控制設備對其進行控制;微網相對于大系統可看成為單一可控的單元，在滿足供電可靠性、安全性的要求的前提下，為用戶提供優質電能。從系統的角度出發，微網是將DG、各類負荷、控制裝置及儲能設備相結合，構成的單一可控又可獨立運行的單元。微網中電源稱為微電源，主要利用可再生能源進行發電，包括光伏發電、微型燃氣輪機、燃料電池、風力發電和生物質能等，它們接在用戶側，具有經濟效益好、電壓低、功率小和污染少等特點。與傳統配電網相比，微網更具靈活性、安全性、經濟性、可靠性。而其包容性、定制性、自治性等特點是微網重點發展的方向。

3 微網的基本構成

圖1所示為一種典型的微電網基本結構。該微網包括各種分布式電源、3條饋線和1條負荷母線，整體為輻射狀結構，整個微網通過一個斷路器和大系統相連，控制系統根據實際情況控制該斷路器實現微網的孤島運行或并網運行。圖中展示的分布式電源包括光伏發電、微型燃氣輪機和儲能電池等，其中一些接在熱力用戶附近，為用戶提供熱能。其中饋線A、B是敏感負荷，饋線C為非敏感負荷，饋線C可在孤島運行時內部過負荷情況下切除。當負荷發生變化時，微網中的潮流控制器會根據測量的頻率和電壓信息對潮流進行調節，相應增加或減少當地微電源功率輸出以維持功率平衡。此外，微電網采用了大量先進的現代電力電子技術，而傳統系統不具有這樣的技術水平。

圖1 微網結構圖

微電網可以對電力負荷集中區供電，這些負荷區可以是重要的工廠區、辦公區、校區，或者遠郊居民區等。因此，相對傳統的配電網，微網的結構十分靈活。微電網雖然也是分散供電形式，但它絕不是對電力系統發展初期的孤立系統的簡單回歸［12］。此外，微電網與大電網是有機整體，可以靈活連接、斷開，其智能性與靈活性遠在傳統孤立系統之上。從大電網的角度看，微網如同電網中的發電機或負荷，是一個模塊化的整體單元。另一方面，從用戶側看，微網是一個自治運行的電力系統，它可以滿足不同用戶對電能質量和可靠性的要求［13，14］。

4 微網的運行與控制

微網的運行方式有兩種，即并網運行方式和孤島運行方式。這兩種運行方式又包括4種運行階段:并網的暫態過程、并網運行的穩態階段、向孤島過渡的暫態過程和孤島運行的穩態階段。這就要求微網在這4種運行階段下都穩定可靠，且不能給大電網和用戶負荷造成影響。特別是并網的暫態過程和向孤島過渡的暫態過程，這兩個過程涉及多個DG相互協調，需要預防給大電網和微網自身帶來的影響。文獻［15］的微網實驗系統仿真實現了微網并網及孤島兩種運行模式的平穩過渡。

微網的安全穩定運行離不開靈活可靠的控制系統，使其能在4種運行階段不對大電網及微網自身造成影響。目前，微電網的控制方法有以下幾類:基于電力電子技術的“即插即用”與“對等”的控制方法。基于功率管理系統的控制。基于多代理技術的控制方法［16］。3種方法各有優缺點，但最終目的都是為了保證微網及大電網的安全:任一分布式電源的接入不對系統造成影響;自主選擇運行點;平滑地實現與電網的并網、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。

5 微網的保護技術

當分布式電源接入配電系統后，針對復雜的網絡結構，國內外學者對這種網絡的配電系統的保護研究已經高度重視，但是大部分還是停留在理論試驗階段。目前提出的主要有以下三種保護方案:一是配電網絡采用改進的傳統電流保護方案，這樣可以達到減少故障切除時間，提高保護的速動性和靈敏性，在一定程度上也能滿足分布式電源引入的要求;二是配電網采用輸電線路中成熟的保護方案，如縱聯保護、距離保護等等;三是配電網采用通信技術的集成式保護方案［1］。

應用于微網的保護策略要保證其在并網和孤島模式下都能安全運行。所以，必須充分研究微網自身的結構和故障特性，研究新的保護策略。前人得出的微網保護策略有的稱不需要通信，有的強調通信的重要性;有的參考文獻將微網并網和孤島保護策略分開討論，有的參考文獻采用微網兩種運行模式一致的保護策略。以下簡單介紹幾種微網保護策略:

文獻［17］提出了一種保護策略，即在微網中加入具有較高短路容量的電源。此策略的優點就是在微網的聯網和孤島兩種運行狀態下使用了相同的保護原理，對于包含有較大的中心儲能單元的微網，這種方法比較適用。文獻［18］提出一種保護策略:當微網發生故障時，并不斷開微網與配電網的連接，而依靠配電網提供的較大的故障電流和過流繼電器來有選擇性地清除故障;當配電網發生故障時，微網則斷開與配網的連接，作孤島運行;而當作孤島運行的微網內部發生故障時，被視為二次故障，為了避免出現危險的形勢，微網內的分布式電源在經過某個時間延時之后將斷開。文獻［19］的保護策略用電壓的改變作為尺度，來進行故障定位。文獻［20］針對微網的雙向潮流特性，提出在微網中設置開關站，將微源接入開關站并使用不依賴通信的差動保護。文獻［21］提出了一種可用于兩種運行模式下的低壓微網保護策略，所提出的方案主要用于以一種選擇性方式檢測和隔離對主網造成沖擊的故障。文獻［22］提出了一種基于自適應電流速斷保護的微網保護，該整定方法仍然能夠根據系統當前運行方式和微源的出力情況自適應地調整定值，而且不用借助通信手段。文獻［23］提出對配電網的饋線進行改造保護，以利用饋線間通信的實現故障區段定位，隨著通信和微處理技術的發展，廣域繼電保護方案［24－27］也越來越多的投入微網的保護研究中。文獻［28］則提出了一種基于故障電流的新型定位算法，對故障通道進行判斷搜索，然后利用搜索得到的與故障呈強相關狀態的節點構建故障信息矩陣，利用基爾霍夫定律及相位比較原理執行相應的矩陣算法，進行故障區段的準確定位。

6 微網的發展方向

從R．H．Lasseter于2001年提出微網的概念至今，微網技術成了近幾年研究的熱點問題之一，微網以其安全可靠、清潔無污染、靈活多樣化等特點在歐美發得到了大力發展。我國也開始大力支持各高校科研院所在微網技術方面的研究工作。通過總結前人的理論及成果，今后微網的研究應建立統一技術標準和管理規范，其方向大致如下:

(1)各國科研人員及和學者應該給微網一個統一的定義。目前各國學者對微網概念定義不統一，這在一定程度上限制微網研究的發展，因此各國學者應統一微網的定義，方便交流。

(2)各國科研人員和學者應統一微網的結構。目前國際上對微網的結構也尚未統一，歐洲、北美及日本各有說法，因此各國需要建立適合微網特點的網絡結構規劃，得出一個統一的微網基本模型，在統一的模型基礎上可進行各自的研究工作。需要建立適合該特點的網絡結構規劃、設計及運行等相關方面的理論

(3)針對微網孤島和并網的不同運行方式，研究和制定兩種運行方式下的技術，制定統一的控制及保護策略，使其既不干擾大電網的運行，又能滿足微網自身的安全穩定運行，同時又具有自愈、自治和自組織等復雜功能，更具智能性及安全可靠性，滿足用戶用電需求。

(4)為更準確地預測微網內部的隨機負荷，根據大系統的調度計劃和微網內電力負荷和電能質量的要求，可運用人工神經網絡原理、小波分析理論、灰色系統理論以及專家系統預測技術隨機負荷模型，建立隨機潮流優化控制模型［29］。

(5)由于微網電能質量受到大系統和微網本身的影響，研究微網的電能控制技術，可將有緣濾波器與微電源相結合，研究電能質量調節器，控制電能質量，為用戶提供安全可靠的電能。

7 總結

微網本身具有的獨特的技術特點決定了微網技術將在國際上受到更廣泛的重視。但目前微網的研究還是處于初期階段。微網作為大電網的重要補充和可再生能源利用的有效形式，在我國也將得到快速發展。而微網大范圍接入會對電網規劃、運行、管理等方面產生諸多影響，應抓緊時機開展更多研究，建立統一技術標準和管理規范，使其能充分利用自身的優勢特點更好的發揮其價值。

［1］ 鐘清．智能電網關鍵技術研究［M］．北京:中國電力出版社，2011．

［2］ 盛鷗，孔力，齊智平，等．新型電網．微電網(Micmgid)研究綜述［J］．繼電器，2007，35(12):75 －81．

［3］ 王國棟．智能微網研究綜述［J］．中國電業技術版，2012，2:34－38．

［4］ 梁有偉，胡志堅，陳允平．分布式發電及其在電力系統中的應用研究綜述［J］．電網技術，2003，27(12):71 －75．

［5］ Morren J，de Haan S．W．H，Ferreira J．A．Distributed Generation Units Contributing to Voltage Control in Distribution Networks［A］．In:2004，39th International Universities Power Engineering Conference［C］．2004．789 －793．

［6］ Macken K．J．P．，Bollen M．H．J．，Belmans R．J．M．Mitigation of Voltage Dips Through Distributed Generation Systems［J］．IEEE Trans on Industry Applications，2004，40(6):1686 －1693．

［7］ Lasseter R．H．MicroGrids．Power Engineering Society Winter Meeting［J］，2002．IEEE，2002:305 －308．

［8］ 李蕾帆．含微網配電系統的保護問題研究［D］．西華大學，2012．

［9］ 王成山，李鵬．分布式發電、微網與智能配電網的發展與挑戰［J］．電力系統自動化，2010，34(2):10 －14，23．

［10］ 蘇玲，張建華，王利，等．微電網相關問題及技術研究［J］．電力系統保護與控制，2010，38(19):235 －239．

［11］ 洪峰，陳金富，段獻忠．微網發展現狀研究及展望［C］//中國高等學校電力系統及其自動化專業第二十四屆學術年會．中國北京，2008．

［12］ 魯宗相，王彩霞，閔勇，等．微電網研究綜述［J］．電力系統自動化，2007，31(19):100 －107．

［13］ Lopes JA P，Moreira C L，Madureia A G．Defining control strategies formicrogrids islanded operation［J］．IEEE Trans on Power Systems，2006，21(2):916－924．

［14］ Pecas Lopes JA，Moreis A G．Control strategies formicrogrids emergency operation［C］．International Conference on Future Power system，2006．

［15］ Georgakis D，Papathanassiou S，Hatziargyriod N，et al．Operation of a prototypemicrogrid system based onmicro一sources equipped with fast-acting Power Electronics interfaces［C］2004 Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference，35th．Aachen，Germany，2004．

［16］ 王志霞，張會民，田偉．微網研究綜述［J］．電氣應用，2010，29(6):76－80．

［17］ Pedrasa M，Spooner T，A Survey of Techniques Used to Control Microgrid Generation and Storage During Island Operation，Proceedings of the 2006 Australian Universities Power Engineering Conference(AUPEC)，Melbourne，Australia，December 10 －13，2006．

［18］ B．Hadzi-Kostova，Z．Styczynski，R．Krebs．New Protection Concepts for Distribution Systemswith Dispersed Generation，Proceedings of the IEEE Power Tech Conference，St．Petersburg，Russia，June 27 －30，2005．

［19］ B．W．Min，K．H．Jung，M．S．Choi，S．J．Lee，S．H．Hyun．Agent-Based Adaptive Protection Coordination in Power Distribution Systems，Proceedings of the17th International Conference on Electricity Distribution(CIRED)，Barcelona，Spain，May 2003．

［20］ 趙上林，吳在軍，胡敏強，等．關于分布式發電保護與微網保護的思考［J］．電力系統自動化，2010(1):73 －77．

［21］ ZamaniM A，Sidhu TS，Yazdani A．A Protection Strategy and Microprocessor-Based Relay for Low-Voltage Microgrids［J］．Power Delivery，IEEE Transactions on，2011(99):1．

［22］ 孫景釕，李永麗，李盛偉，等．含分布式電源配電網的快速電流保護方案［J］．天津大學學報，2010，(2):102 －108．

［23］ 張艷霞，代鳳仙．含分布式電源配電網的饋線保護新方案［J］．電力系統自動化，2009，33(12):71 －74．

［24］ Tian-QiXu，Xiang-GenYin，Da-HaiYou，etal．PowerSystemProteetionand-Control［J］．Power System protection and Control．2009，37(03):93 －97．

［25］ 叢偉，潘貞存，趙建國，等．基于電流差動原理的J．一域繼電保護系統［J］．電網技術，2006，30(5):91 －95．

［26］ 肖健，文福拴．J一域保護及其應用［J］．電力系統及其自動化學報，2008，20(2):22 －35．

［27］ 蔡運清，汗磊，kipmorison，等．廠．域保護(穩控)技術的現狀及展望［J］．電網技術，2004，28(8):20 －25．

［28］ 吳寧，許揚，陸于平．分布式發電條件下配電網故障區段定位新算法［J］．電力系統自動化，2009，33(14):77 －82．

［29］ 黃偉，孫昶輝，吳子平，等．含分布式發電系統的微網技術研究綜述［J］．電網技術，2009，33(9):14 －18，34．

Overview on M icro-grid Technology

GE Zhi-chao，FANG Nian，YANG Fan-fan，HUANGCheng-si，CHEN Dan-fei
(China Three Gorges University，Hubei443002，China)

This article introduces the significance of studying themicro-grid，the definition，the basic structure and characteristics of themicro-grid．Discusses the key technical issues of studying micro-network，including control technology and protect strategies．At last，it points out the disadvantages of themicro-grid，points out the directions of themicro-grid research，we should come to a unified definition ofmicro-grid，plan a unified structure，come to a unified protection program and configuration，in order to get ready for the earlymicro-grid research．

micro-grid technology;control;operating;protection

TM71

B

1004－289X(2013)03－0001－04

2013－04－22

葛志超(1987－)，男，三峽大學電氣與新能源學院2011級碩士研究生，主要研究微網繼電保護;

方念(1990－)，男，三峽大學電氣與新能源學院2012級碩士研究生，主要研究微網繼電保護;

楊凡凡(1987－)，男，三峽大學電氣與新能源學院2011級碩士研究生，主要研究電力系統保護、運行與控制;

黃成思(1990－)，女，三峽大學電氣與新能源學院2012級碩士研究生，主要研究繼電保護;

陳丹霏(1990－)，女，三峽大學電氣與新能源學院2012級碩士研究生，主要研究繼電保護。