微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

馮培磊，陳瀟雅，徐天奇

（1.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽省六安市 237000；2.云南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，云南省昆明市 650500）

0 引言

在各國飛速發(fā)展，人們生活水平快速提高的時(shí)代，各種大負(fù)荷用電設(shè)備不斷增多，這也使得電力系統(tǒng)輸電量不斷增大。傳統(tǒng)的大容量、集中式、遠(yuǎn)距離的高壓傳輸方式表現(xiàn)出運(yùn)營成本高、運(yùn)行難度大和調(diào)節(jié)能力差的弊端日益凸顯[1]。同時(shí)，環(huán)境污染和能源危機(jī)等問題也越來越受到世界人們的重視，因此分布式發(fā)電開始受到國內(nèi)外學(xué)者的不斷研究，其具有能源利用率高、環(huán)境污染少、供電操作靈活、投入成本低等特點(diǎn)是解決上述問題的有效途徑。然而，分布式電源接入電網(wǎng)時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊，為解決這一問題，因而提出了微電網(wǎng)的概念[2]。

微電網(wǎng)可以很好的把分布式電源連接起來，不但可以把電能直接傳輸給用戶，而且可以實(shí)現(xiàn)與大電網(wǎng)的完美并聯(lián)，即實(shí)現(xiàn)孤島、并網(wǎng)的運(yùn)行模式。然而微電網(wǎng)的許多技術(shù)并不成熟，近年來，許多國家都開展了微電網(wǎng)的各項(xiàng)研究工作，研究主要包括其可接入性、靈活性、可靠性等方面。微電網(wǎng)技術(shù)是將來分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)的代表，是未來電力系統(tǒng)配用電的重要組成部分，同時(shí)也起到能源節(jié)約，促進(jìn)能源可持續(xù)發(fā)展的作用[3]。

本文通過對(duì)微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用展開綜述，首先對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行概述，然后重點(diǎn)從微電網(wǎng)的控制策略、儲(chǔ)能技術(shù)、保護(hù)機(jī)制及規(guī)劃設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)研究，從而提出一些亟需解決的問題，并對(duì)微電網(wǎng)技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 微電網(wǎng)概述及特點(diǎn)

微電網(wǎng)，顧名思義，也就是小型電網(wǎng)的意思，它與傳統(tǒng)大規(guī)模的電網(wǎng)相比就是規(guī)模較小，然而功能并不差，微電網(wǎng)的概念沒有明確的統(tǒng)一，各國根據(jù)本國的實(shí)際情況提出了不同的微電網(wǎng)概念[4]。微電網(wǎng)一般都包括分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、控制裝置等幾個(gè)部分組成，并能實(shí)現(xiàn)孤島（直接連接用戶）、并網(wǎng)（連接大電網(wǎng)）兩種運(yùn)行模式，還可以在這兩種模式中平滑切換，微電網(wǎng)的組成和功能如圖1所示。同時(shí)微電網(wǎng)還具有微型、清潔、自治、友好四種基本特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了微電網(wǎng)具有電壓等級(jí)低、能源綜合利用率高、能夠?qū)崿F(xiàn)電力供應(yīng)的自平衡以及大大減少大規(guī)模分布式電源接入電網(wǎng)時(shí)帶來的沖擊等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 微電網(wǎng)的組成和功能Figure 1 Structure and function of microgrid

從系統(tǒng)層面上來看，微電網(wǎng)是一種把設(shè)備、裝置組合在一起的現(xiàn)代電力電子技術(shù)；從大規(guī)模的電網(wǎng)來講，微電網(wǎng)就是一個(gè)微型、可控制的小電網(wǎng)，其具有很高的靈敏性，能夠迅速的對(duì)其他裝置和設(shè)備進(jìn)行控制；從用戶的角度來說，微電網(wǎng)則可以滿足用戶的許多要求，包括降低電能損耗、節(jié)約成本、提高電壓穩(wěn)定性等，都可以通過微電網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)[5]。

2 微電網(wǎng)控制策略

微電網(wǎng)的控制主要是對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行的控制，從而保證其穩(wěn)定安全的運(yùn)行，微電網(wǎng)系統(tǒng)都是采用有效的協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行分布式電源和負(fù)荷之間的穩(wěn)定運(yùn)行控制。微電網(wǎng)的控制策略通常包括主從控制和對(duì)等控制。在微電網(wǎng)的控制方法中主要用到變流器控制技術(shù)，它對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)能否孤島穩(wěn)定運(yùn)行以及能否實(shí)現(xiàn)快速并網(wǎng)起到關(guān)鍵性作用，常用的微電網(wǎng)變流器控制技術(shù)有PQ控制、恒壓恒頻V/F控制以及下垂控制[6]。

2.1 主從控制

主從控制就是各微電源運(yùn)用多種控制方法把PQ控制與V/F控制結(jié)合起來，使得分布式電源具有各種不同的職能，它由主控制器和從控制器組成，主控制器一般使用V/F控制，從控制器的運(yùn)行方式由主控制器來控制[7]。各微源間需要信號(hào)線來連接，實(shí)現(xiàn)信息的通信，如果通信系統(tǒng)出現(xiàn)問題，微網(wǎng)將難以繼續(xù)運(yùn)行。

不管是在孤島運(yùn)行模式還是在并網(wǎng)運(yùn)行模式下主從控制都表現(xiàn)出較好的優(yōu)勢(shì)，不過其主要運(yùn)行在孤島模式下。文獻(xiàn)[8]把經(jīng)過改進(jìn)的下垂控制和PQ控制通過結(jié)合運(yùn)用到微電源的主從控制中，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)兩種運(yùn)行方式之間的無縫切換，又通過Matlab的仿真，從而證明了主從控制的可行性。雖然主從控制大多需要微電源之間通過信號(hào)線連接而通信，但是通過一些技術(shù)的處理還是可以不依賴通信設(shè)備，比如文獻(xiàn)[9]提出將多個(gè)V/F控制的主電源設(shè)置在微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行中，該方法沒有通信設(shè)備，即可按照預(yù)期的裕度進(jìn)行運(yùn)行，具有很好的自適應(yīng)能力，同樣證明了微電網(wǎng)主從控制的合理性，為微電網(wǎng)運(yùn)行控制提供了有效的途徑。

2.2 對(duì)等控制

對(duì)等控制中的“對(duì)等”也有相同的意思，就是指微網(wǎng)中的所有微電源在控制上有著相同的地位，沒有主從之分。在對(duì)等控制模式下，每個(gè)分布式電源之間不需要互相通信聯(lián)系，就可以進(jìn)行輸出功率的自動(dòng)分配，從而實(shí)現(xiàn)“即插即用”的功能，不但提高了微電網(wǎng)的可靠性，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的成本。雖然對(duì)等控制有著許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于其在控制方面比較復(fù)雜，要求較高，則不易得到應(yīng)用，不過隨著微電網(wǎng)的不斷研究和規(guī)模的擴(kuò)大，這項(xiàng)問題將會(huì)有更多人去探索，是一個(gè)研究的趨勢(shì)。

在實(shí)現(xiàn)對(duì)等控制的方法中主要用到了下垂控制方法。文獻(xiàn)[10]利用有功頻率——無功電壓下垂控制公式來證明下垂控制只需要本地量測(cè)的信息，并不依賴于通信，比其他控制方法具有很大的優(yōu)勢(shì)。其公式如式（1）、式（2）所示。

式中w0，V0——系統(tǒng)的額定頻率與額定電壓；

pi，Qi——分布式電源實(shí)際輸出的有功和無功功率；

mi和ni——有功和無功下垂系數(shù)。

分布式電源在接入電網(wǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的電壓波動(dòng)，為解決該問題，需要分布式電源逆變器對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)整，這通常也用到對(duì)等控制下的下垂控制技術(shù)。文獻(xiàn)[11]中將分布式電源逆變器輸出阻抗設(shè)計(jì)成容性，又經(jīng)過數(shù)學(xué)建模后把它與感性和阻性的逆變器下垂控制特性作比較，從而得出輸出為容性的阻抗分布式電源逆變器更易于在公共的連接點(diǎn)處進(jìn)行電壓處理。文獻(xiàn)[12]提出在傳統(tǒng)的下垂方程中加入微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)，從而改進(jìn)了下垂特性的功率控制器，改善了逆變器的跟蹤性能，并降低了空載環(huán)流，同時(shí)提高了供電可靠性。

3 微電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)

在微電網(wǎng)分布式電源中會(huì)用到風(fēng)能、潮汐能、光伏能等清潔能源發(fā)電，然而這些能源發(fā)電會(huì)出現(xiàn)發(fā)電的不連續(xù)性或間歇性，這對(duì)電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定是不允許的。微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式的切換中，會(huì)出現(xiàn)功率的缺額，只通過電源發(fā)出的功率很難快速的進(jìn)行補(bǔ)償，因此在電網(wǎng)中安裝儲(chǔ)能裝置就可以較好的解決此問題。儲(chǔ)能系統(tǒng)具有功率雙向流動(dòng)、控制靈活的特點(diǎn)，因而對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化為微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到十分重要的作用。

3.1 一般儲(chǔ)能方式

現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)主要有四類，分別是蓄電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能。對(duì)于各種儲(chǔ)能方式的優(yōu)缺點(diǎn)許多文獻(xiàn)中都已涉及，這里就不在贅述，直接看表1列出了四類存儲(chǔ)技術(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比[13]。

表1 四種儲(chǔ)能技術(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)Table 1 Indexes of four kinds of energy storage technologies

由表1可以看出電池類的儲(chǔ)能方式能量密度、功率密度和效率都很高，而且年使用價(jià)格表現(xiàn)最低，但是電池使用壽命最短，響應(yīng)速度慢，只能用做緊急備用的電源。飛輪、超級(jí)電容和超導(dǎo)三種儲(chǔ)能方式表現(xiàn)功率密度大，使用壽命長，效率高，但是在存儲(chǔ)過程中自損耗較大，不宜長時(shí)間存儲(chǔ)，并且成本也很高。

3.2 復(fù)合儲(chǔ)能方式

在上述分析中可以看出各種儲(chǔ)能方式都存在一些缺點(diǎn)，因此在這種情況下各種存儲(chǔ)方式可以聯(lián)合起來，相互結(jié)合優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)缺陷，從而形成復(fù)合存儲(chǔ)模式。

對(duì)于復(fù)合性儲(chǔ)能的研究，更多的運(yùn)用到超級(jí)電容器和蓄電池的結(jié)合，主要是因?yàn)樗鼈冇兄嗨频膬?chǔ)能方式，同時(shí)超級(jí)電容有著高功率密度，再加上蓄電池具有高能量密度，則有著較好的配合使用條件，而且兩者在年使用價(jià)格上也表現(xiàn)出一個(gè)價(jià)格最低，一個(gè)較高，從而優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，由此表現(xiàn)了很好的經(jīng)濟(jì)效益，更適合相互結(jié)合使用。同時(shí)超級(jí)電容器儲(chǔ)能與飛輪儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能進(jìn)行比較，它在運(yùn)行時(shí)沒有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)部件，從而很少需要維修，因此穩(wěn)定性就很高，適合和其他儲(chǔ)能方式相互配合使用。文獻(xiàn)[14]提出運(yùn)用超級(jí)電容器和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，應(yīng)用在分光互補(bǔ)的微電網(wǎng)中，從而很好的提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。文獻(xiàn)[15]將超級(jí)電容器和蓄電池完美的結(jié)合起來，從而又設(shè)計(jì)了復(fù)合儲(chǔ)能裝置的控制方法，既可以單獨(dú)控制兩種儲(chǔ)能方式，又可以在電壓缺損條件下快速的供能，保持裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 微電網(wǎng)保護(hù)機(jī)制

微電網(wǎng)的保護(hù)是在微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，能夠快速準(zhǔn)確的切除故障并恢復(fù)微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的一種關(guān)鍵技術(shù)，其設(shè)備特性非常復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也樣式各異、運(yùn)行方式變換不定，這使得微電網(wǎng)的保護(hù)機(jī)制顯地尤為重要[16]。傳統(tǒng)的三段式過流保護(hù)已經(jīng)無法滿足微電網(wǎng)的運(yùn)行需求，現(xiàn)在新的保護(hù)策略主要有過流保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、距離保護(hù)、自適應(yīng)保護(hù)等[17]。

對(duì)于微電網(wǎng)的保護(hù)方案是一個(gè)比較關(guān)注的問題，文獻(xiàn)[18]對(duì)上述四種新的保護(hù)策略進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并提出一套微電網(wǎng)繼電保護(hù)方案，由不同的保護(hù)對(duì)象，制定出不同的保護(hù)方案，從而來解決電網(wǎng)保護(hù)過程中故障雙向電流、不同運(yùn)行模式短路電流差異、故障切除必須迅速等難題。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了微電網(wǎng)保護(hù)策略的方法，如圖2所示，對(duì)微電網(wǎng)保護(hù)機(jī)制進(jìn)行了較全面的設(shè)計(jì)和總結(jié)。文獻(xiàn)[19]通過電流差分保護(hù)，提出在智能繼電器控制網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的微電網(wǎng)保護(hù)方案。增加環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使微電網(wǎng)在故障線路切除后最大限度地連接微電源個(gè)數(shù)，從而提高微電網(wǎng)供電的可靠性。

圖2 實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)保護(hù)策略方法Figure 2 Implementation of microgrid protection strategies

在微電網(wǎng)保護(hù)機(jī)制中提到的各種保護(hù)方法的成功實(shí)施都需要具有特殊的對(duì)故障處理安全有效的識(shí)別算法。微網(wǎng)和大電網(wǎng)一樣有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還有著兩種不同的運(yùn)行方式，因此要實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行就要研究出能夠解決微網(wǎng)故障的有效算法。文獻(xiàn)[20]提出低壓自適應(yīng)電流突變保護(hù)新算法，該算法可以記錄故障之前一段時(shí)間負(fù)荷的電流狀態(tài)，通過電流的大小來自動(dòng)調(diào)整保護(hù)的動(dòng)作，并能夠識(shí)別微電網(wǎng)的狀態(tài)，從該狀態(tài)的變化自動(dòng)調(diào)整保護(hù)定值。

5 微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)后續(xù)實(shí)施、運(yùn)行、維護(hù)等工作的前提，其目的是在考慮經(jīng)濟(jì)的合理性、環(huán)境的有好性及技術(shù)的可行性基礎(chǔ)上，結(jié)合特定的目標(biāo)和系統(tǒng)約束條件，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備配置，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及能源利用效率等指標(biāo)的優(yōu)化[1]。微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)是對(duì)多目標(biāo)的設(shè)計(jì)規(guī)劃，具有較大的隨機(jī)性和不確定性，其研究主要包括建模方案、可再生能源與負(fù)荷需求分析和優(yōu)化算法三個(gè)方面[21]。

在現(xiàn)今的文獻(xiàn)研究中，對(duì)于微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)更多的側(cè)重對(duì)算法和模型的優(yōu)化，對(duì)于可再生能源與負(fù)荷需求分析的文獻(xiàn)較少。其實(shí)總體來看，相對(duì)于前面幾種技術(shù)，在微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方面，較少有人涉及和研究。文獻(xiàn)[22]在微電網(wǎng)規(guī)劃中利用NSGA-II算法，并對(duì)該算法進(jìn)行了改進(jìn)，通過性能測(cè)試與其他常見的多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行比較，而NSGA-II算法表現(xiàn)出更多的優(yōu)越性，之后又運(yùn)用該算法對(duì)微電網(wǎng)模型進(jìn)行求解，最后經(jīng)過綜合評(píng)價(jià)得到最合適的微電網(wǎng)規(guī)劃方案。文獻(xiàn)[23]分析了微電網(wǎng)孤島和并網(wǎng)運(yùn)行模式的各種電源規(guī)劃模型，并通過各種模型的優(yōu)缺點(diǎn)，提出在兩種運(yùn)行模式下微電網(wǎng)電源規(guī)劃的思路，對(duì)后來的研究具有一定的借鑒作用。

6 存在的問題及解決方法

對(duì)于微電網(wǎng)技術(shù)的研究已經(jīng)有不少的經(jīng)驗(yàn)積累，但是還存在著許多的問題需要進(jìn)一步的研究解決。

在控制策略方面。主從控制下用信號(hào)線通信的各微電源，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定性問題，在此情況下需要更好的把下垂控制、PQ控制和V/F控制進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，不管在孤島運(yùn)行還是在并網(wǎng)運(yùn)行下，都具有自適應(yīng)能力，以實(shí)現(xiàn)不需要通信的運(yùn)行；在對(duì)等控制下的分布式電源逆變器控制電壓穩(wěn)定時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分布式電源逆變器輸出為容性阻抗時(shí)則利于電壓的控制，但是輸出阻抗一般都是阻性，設(shè)計(jì)為容性使電路復(fù)雜，成本也更高，并不宜大規(guī)模的應(yīng)用，因此可以考慮把容性和阻性相結(jié)合的方法運(yùn)用到不同位置的逆變器中；下垂控制公式是從穩(wěn)態(tài)下推導(dǎo)的，然而在暫態(tài)下就不能得到保障，可以考慮把下垂特性設(shè)計(jì)為余切等函數(shù)曲線來改善系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。

在儲(chǔ)能技術(shù)方面。該方面較多用到超級(jí)電容器儲(chǔ)能和蓄電池組合的方式，雖然具有很大的優(yōu)勢(shì)，但是大規(guī)模的運(yùn)用還是會(huì)存在較多的污染問題。此時(shí)可以考慮把飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能相結(jié)合，兩者在能量密度、功率密度和使用壽命上都有著很高的水準(zhǔn)，并且沒有污染問題，年平均使用價(jià)格上也很低，因此兩者的結(jié)合具有很高的各方面效益，這可能是下一步的研究重點(diǎn)。

在保護(hù)機(jī)制方面。對(duì)一些有效的故障處理算法已經(jīng)有了較多的研究，但在設(shè)計(jì)出一套保護(hù)方案后，對(duì)故障的模型構(gòu)建還相對(duì)缺乏，由于各個(gè)分布式電源的控制方法不同，導(dǎo)致他們電源故障時(shí)出現(xiàn)的電壓和電流也有所不同，只有建立了對(duì)應(yīng)的模型，才能準(zhǔn)確的分析判斷，制作的保護(hù)方案才有效可行。

在規(guī)劃設(shè)計(jì)方面。對(duì)于這方面的研究很少，不是因?yàn)檫@方面不重要，而是微電網(wǎng)技術(shù)還算是一種新型的技術(shù)，發(fā)展不夠成熟，也沒有大規(guī)模應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中，在這方面的分工和任務(wù)并不太明確。因此對(duì)于這種情況需要鼓勵(lì)和支持更多的研究人員投入研究，比如提出規(guī)劃的具體內(nèi)容和流程，從而不斷完善微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的理論體系。

7 總結(jié)與展望

自從微電網(wǎng)的概念被提出以來，國內(nèi)外就展開對(duì)微電網(wǎng)技的不斷研究。通過對(duì)研究界較為關(guān)注的控制策略、儲(chǔ)能技術(shù)、保護(hù)機(jī)制及規(guī)劃設(shè)計(jì)四方面的微電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行綜述，指出微電網(wǎng)的一些未解決的問題，同時(shí)也提出了相應(yīng)問題的可能解決方法，并且還指出今后需要投入更多研究的方面。

全球能源危機(jī)、環(huán)境惡劣的背景下，微電網(wǎng)作為一種新能源發(fā)電模式，具有長久的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境和社會(huì)效益。越來越受到各國的重視，并會(huì)投入更多的研究，隨著微電網(wǎng)技術(shù)的不斷提高和體系的完善，微電網(wǎng)將會(huì)快速的發(fā)展下去，有著開闊的前景。以后微電網(wǎng)把各分布式電源相互連接起來，并得到大規(guī)模的應(yīng)用，越來越多的用戶也會(huì)由此而受益。