微電網關鍵技術及其相關問題的研究

華北電力大學科技學院 李 婷 陳英慧 商 淼

一、引言

微電網系統是由分布式電源、用電負荷、配電設施、監控和保護裝置等組成的小型發配用電系統（必要時含儲能裝置）。分布式發電(DG,Distrubuted Generation)發電技術是近些年來發展相對快速的一種供電技術，分布式發電接入的能源相對于火電來說是清潔的能源，可以減少對于煤炭，天然氣等不可再生能源的使用，并且分布式發電可以就近使用，減少了長距離供電帶來的線路損失。但是，分布式發電技術對于電網供電的可靠性和電網電能質量有很大的影響，可再生能源占比越大，電網越不穩定。為了提高供電的可靠性，可以使用微電網技術。微電網有以下兩點好處：（1）大量的可再生能源接入電網時，造成電網電壓的波動，影響電網供電的可靠性，而微電網具有的電壓的和功率都相對穩定，可以將可再生能源接入微電網再接入電網，減少對電網的沖擊；（2）微電網具有削峰填谷的作用，可以降低尖峰用電，合理安排用電的時間。

二、微電網的結構

微電網的典型結構包括分布式電源，儲能設備和負荷等幾部份，微電網分為交流微電網，直流微電網和交直流混合型的微電網。圖1是美國CERTS協會提出的微電網的基本結構。

圖1 CERTS提出的微電網的基本結構

該微電網包括一條母線，三條饋線。饋線通過PCC與配電網進行連接。圖中的分布式電源包括風電，光伏，小型的燃氣輪機。微電網中使用能量管理器對微電網進行綜合的控制，使用潮流控制器對內部的分布式電源進行優化調節。

三、微電網的關鍵技術及其難點

微電網的關鍵技術有三部分：（1）微電網的電力系統的控制和保護技術；（2）微電網相關的電力電子的技術；（3）微電網的運行和能量管理。

（一）控制和保護技術

微電網的控制主要目標是：保證內部的電壓和頻率的穩定，調節微電網內部的潮流，確保并網模式和孤島運行模式的平滑切換。其主要的控制策略有PQ控制策略、Droop控制策略和V/f下垂特性控制策略。文獻[1]在聯網運行使用恒功率的控制策略，在孤島運行模式時，使用恒電壓，恒頻率的控制策略。文獻[2]使用電壓－相角下垂控制策略，并且通過設計相應的電壓—相角同步控制器實現兩種運行模式的平滑切換。

微電網的保護主要問題有三方面：（1）接入電網運行，會改變電網的電流，從而會影響電網的繼電保護；（2）對于微電網內部由于負荷不大，其內部發生故障時，也需要對于內部的故障進行及時的切除，以保證電網的安全運行；（3）在電網發生故障，微電網需要與電網進行解列運行時，如何能夠平滑的過渡到新的穩定的狀態。所以微電網保護必須解決四個關鍵問題[6]：（1）微電網和DG故障時的故障特征；（2）具有高度適應性的故障處理的算法；（3）傳統設備和智能控制設備的集成；（4）能夠可靠傳輸大量數據的通信網絡。

（二）電力電子技術

微電網內部存在著大量的非線性負載，會導致微電網內部電能質量下降，同時微電網在孤島運行模式下，頻率會出現一定的偏差。在微電網內部使用電力電子技術將能夠提高微電網的電能質量，提高微電網的運行的效率，減小微電網的頻率偏差。文獻[3]使用雙向逆變器進行對有功、無功進行補償，能夠保證微電網內部電壓的穩定。文獻[4]使用儲能型雙向變流器，保證在不平衡負載的情況下，仍然能夠提供對稱的三相電壓。文獻[5]使用電力電子負荷參與微電網內部的頻率的控制，確保微電網內部頻率的穩定。

（三）運行和能源管理技術

微電網運行方式有兩種，一種是與配電網相連接的并網運行模式，另一種是脫離配電網運行的孤島模式。并網運行時微電網能量多余時，向配電網輸送電能，而能量不足時，由配電網向微電網輸送能量。孤島運行時，微電網內部的分布式電源向負荷提供能量。并且，要保證兩種運行模式的平滑過渡。

能量管理的對象主要有分布式電源，儲能系統，負荷系統。微電網的能量管理目標是在保證電能質量的前提下，如何獲得最優的經濟效益。對于上述目標是多目標下的優化問題，具體采用的方法可以使用遺傳算法，線性規劃的方法，蟻群算法等相關的尋優算法。文獻[7]使用進化多目標免疫的算法對分布式電源在可調節的范圍內進行管理，達到最優運行。文獻[8]使用針對微電網不同的運行模式使用不同的控制策略，提高系統的運行的穩定性和電能質量。

四、結論

自從微電網的概念確立以來，對于微電網各方面的分析，實驗和相關的技術在不斷的更新。本文總結了微電網的運行、控制、保護、能量管理和相關的電力電子的關鍵技術。作為分布式能源和大電網的連接的紐帶，微電網將會有更廣闊的發展前景。

[1]楊占剛等．可實現運行模式靈活切換的小型微網實驗系統[J]．電力系統自動化,2009,33(14)∶89-92．

[2]郜登科等．使用電壓－相角下垂控制的微電網控制策略設計[J]．電力系統自動化,2012,36(5)∶29-34．

[3]陳國呈等．電力電子在微電網、智能電網、智能社區中的應用動向[J]．電工電能新技術,2014,33(11)∶1-12．

[4]張先勇等．一種海盜分布式光伏發電微電網[J]．電力系統保護與控制,2014,42(10)∶55-61．

[5]丁廣乾．含分布式電源的微電網電能質量控制技術的研究[D]．山東大學,2016．

[6]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．

[7]王新剛等．含分布式發電的微電網能量管理多目標優化[J]．電力系統保護與控制,2009,37(20)∶79-83．

[8]張學等．多源/多負荷直流微電網的能量管理和協調控制方法[J]．中國電機工程學報,2014,34(31)∶5553-5562．