智能微電網研究綜述

郭權利+楊宇昕

摘 要：隨著新能源的快速發展以及智能化技術的日益成熟，智能微電網的研究越來越受到人們的重視。本文對智能微電網最新發展展開了綜述，從智能微電網的概述及特點、智能微電網的保護技術以及控制技術等方面進行了總結研究，并從電力市場背景下及新能源背景下進行了智能微電網未來發展的展望，為智能微電網的實用化和應用推廣提供了理論參考。

關鍵詞：智能微電網；保護技術；控制技術；應用展望

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.150

1 引言

智能微電網是由分布式發電技術組成的新型電網。智能微電網是由分布式電源、儲能單元、能量轉換裝置、負荷以及保護裝置等通過電力電子技術組合而成的發配用電系統。智能微電網系統不僅可以以大電網為依托構建微型配電網系統，而且還可以構建自我控制以及自我能量管理的孤立配電系統，智能微電網系統既可以并網運行，也可以孤島運行。在某些情況下，智能微電網不僅能夠滿足用戶電能需求而且還能滿足用戶熱能的需求，在這種狀態下，智能微電網相當于一個能源網。

本文對智能微電網最新發展展開了綜述，從智能微電網的概述及特點、智能微電網的保護技術以及控制技術等方面進行了總結研究，并從電力市場背景下及新能源背景下進行了智能微電網未來發展的展望，為智能微電網的實用化和應用推廣提供了理論參考。

2 智能微電網概述

智能微電網是獨立分散的供電系統。在智能微電網系統中，可以通過交流母線上公共連接點的靜態開關實現與交流大電網的鏈接與斷開，即并網與孤島模式的平滑切換。智能微電網由于靠近用戶側，輸電線路短，減少了線路功率的損耗；同時，由于智能微電網能夠并離網切換運行，增強了系統抵御大電網發生故障影響的能力，提高了智能微電網系統自身運行的可靠性。綜上所述，智能微電網應具有以下特點[1]：

（1）并網和孤島兩種運行模式。在并網運行的狀態下，智能微電網在大電網中充當削峰填谷的重要角色，降低因負荷峰谷差帶來的電力故障，保障了大電網運行的暫態和動態穩定性。當大電網接納能力有限或者發生故障時，智能微電網可以根據保護裝置迅速的與大電網隔離，實現系統孤島穩定運行，提高了智能微電網系統自身供電的可靠性。

（2）穩定。通過合理的控制策略，智能微電網在孤島運行狀態下能夠保障系統有功功率平衡和電壓/頻率的穩定和減小系統諧波以實現系統的穩定運行，從而滿足用戶負荷電能質量的需求。

（3）兼容。由于可再生能源具有隨機性和間歇性等特點，導致分布式電源的分布具有分散性。智能微電網可以將局部分散的分布式電源進行集中整合，從而實現多種分布式電源的兼容。

（4）靈活。智能微電網不僅可以作為一個微型受控單元實現 “即插即用”，而且通過手段實現不同電壓等級下用戶多樣化的用電需求。

（5）經濟。智能微電網作為可再生能源有效利用的重要形式能夠優化能源結構，減少污染排放，實現節能降耗的目標，提高可再生能源的利用效率。

3 智能微電網關鍵技術

在眾多的智能微電網的關鍵技術中，保護技術和控制技術是智能微電網能夠實現穩定運行的關鍵，開展智能微電網保護技術和控制技術的研究具有重要意義。

3.1 智能微電網的保護技術

與傳統大電網的保護策略不同，在進行智能微電網保護技術的設計時要注意以下問題：（1） 智能微電網內部的短路電流是雙向的；（2） 在并網和孤島兩種運行模式下，智能微電網的短路電流有明顯差異；（3）智能微電網系統中可能含有不同類型的分布式電源，各種分布式電源的短路電流差異較大；（4）更短的故障切除時間；（5） 微電網的拓撲結構會發生變化。

為確保智能微電網保護策略的成功實施，在進行智能微電網保護技術的設計過程中必須解決以下關鍵問題：（1） 建立智能微電網以及各分布式電源的故障特征模型。各類分布式電源以及同類型不同控制方法的電源故障電流和故障電壓暫態穩定性可能不同。因此，應根據智能微電網發生故障時電壓和電流暫態特性建立準確的故障特征模型。（2）研究有效性的故障識別處理算法。智能微電網的運行方式、運行狀態以及網絡結構具有多樣性的特點，因此，應研究能有效識別網絡拓撲結構和運行狀態的故障情況識別處理算法。（3）如何實現智能控制終端與傳統一次設備的可靠性集成。智能控制終端應能夠通過故障在線分析、智能控制和保護、通信等功能與傳統一次設備可靠性集成，從而實現智能微電網的智能化保護。（4） 智能微電網的保護策略應擁有足夠傳輸速率和可靠性的通信網絡。在智能微電網系統中，信號采集系統的暢通是現實保護控制的基礎。在智能微電網中央保護單元、分布式電源以及各個節點上應加入可靠的信號采集系統，以保證通信網絡的可靠性[2]。

由于智能微電網的網絡結構、運行方式等與傳統電網差異較大，基于三段式過流保護策略的傳統繼電保護不能直接應用于微電網。基于三段式過流保護理論，本文對智能微電網的保護策略重新進行了設計。智能微電網保護策略的實現如圖1所示。

圖1 智能微電網保護策略實現方法

3.2 智能微電網的控制技術

智能微電網系統通過采用合理的協調控制方法實現分布式電源和負荷之間的穩定運行。智能微電網系統的控制方法通常可采用主從控制、對等控制以及分層控制。其中，分層控制在智能微電網系統中得到廣泛的應用。

智能微電網變流器控制模式是決定智能微電網系統能否孤島穩定運行以及能否實現快速并網的關鍵技術。常用的智能微電網變流器控制模式有PQ控制、恒壓恒頻V/f控制以及下垂控制。

（1）PQ控制。PQ控制模式主要用于智能微電網的并網變流器控制中，通過PQ控制模式可使智能微電網變流器按照功率指令實現有功和無功功率的輸出。PQ控制模式可通過電流控制或電壓控制來實現。

（2）V/f控制。V/f控制模式常用于智能微電網孤島運行模式。在孤島運行模式下，V/f控制模式通過采用恒定的電壓幅值和頻率值來控制變流器輸出的電壓和頻率的穩定，以滿足負荷的需求。V/f控制模式智能微電網變流器表現為電壓源特性。

（3）下垂控制模式。下垂控制模式是智能微電網變流器模擬同步發電機靜態下垂外特性輸出，以實現智能微電網系統電壓幅值和頻率的控制。下垂控制模式智能微電網變流器可以等效為理想電壓源與可調輸出阻抗的串聯組合，既可以用于智能微電網并網運行狀態，也可以用于孤島運行狀態。

一般情況下，在智能微電網并網和孤島運行狀態下變流器均可以采用下垂控制模式。在智能微電網并離網切換過程中，下垂控制模式的控制方式基本不發生變化，更有利于智能微電網系統的并離網剛切換[3]。

4 展望

智能微電網未來新能源發展的有效形式，隨著新能源發電技術、智能控制技術以及柔性電力技術等方面的發展，智能微電網將在以下幾個方面得以快速發展：

4. 1 大容量多級混合微電網技術

近年來，單一的智能微電網研究和應用已純熟，但復雜的多級混合微電網仍還處于發展階段，還無法滿足基于智能微電網技術的區域性多級配電系統改造需求，隨著智能控制技術、儲能技術等領域的快速發展，大容量多級混合微電網技術必將得到廣泛應用[4]。

4. 2 智能微電網與新能源

隨著煤炭、石油等傳統能源的日益短缺以及傳統發電成本的不斷上升，風電、光伏等可再生能源發電技術得到廣泛重視。由于可再生能源具有分布廣泛及無污染等特點，而逐漸被電力市場所接受。以新能源發電為核心的智能微電網也必將被電力市場所接受。

智能微電網作為信息和能源雙重載體。未來智能配網、物聯網業務需求對智能微電網提出了更高要求，以家庭、辦公室建筑等為單位的靈活發電和配用電終端、企業、電動汽車充電站以及物流等將在微電網中相互影響，分享信息資源。承載信息和能源雙重功能的微電網，使得可再生能源能夠通過對等網絡的方式分享彼此的能源和信息[5]。

5 結論

本文對智能微電網最新發展展開了綜述，從智能微電網的概述及特點、智能微電網的保護技術以及控制技術等方面進行了總結研究，并從電力市場背景下及新能源背景下進行了智能微電網未來發展的展望，為智能微電網的實用化和應用推廣提供了理論參考。

參考文獻：

[1]王國棟.智能微網研究綜述[J].智能電網，2014（02）：34-38.

[2]周龍，齊智平.微電網保護研究綜述[J].電力系統保護與控制，2015，43（13）：147-154.

[3]梁建鋼.微電網變流器并網運行及并網和孤網切換技術研究[D].北京交通大學，2015.

[4]馬藝瑋，楊蘋，王月武等.微電網典型特征及關鍵技術[J].電力系統自動化，2015，04（25）：168-175.

[5]楊新法，蘇劍，呂志鵬等.微電網技術綜述[J].中國電機工程學報，2014，03（41）：57-70.