微电网：对分布式能源组织形式的探索

开发可再生能源、构建可持续能源系统成为能源行业发展的必然趋势。分布式电源由于靠近电力用户、实现电力的就近消纳，可以节省输变电投资和运行费用，减少集中输电的线损；与大电网供电互为补充，减少电网容量，改善电网峰谷性能，提高供电可靠性；同时可以减少对环境的污染等优点受到了广泛关注，尤其是光伏和风力发电近年来得到了快速的发展。但由于可再生能源发电的不可控性和随机波动性，随着其渗透率的提高也增加了对电力系统稳定性的负面影响。

为了适应分布式能源的迅速发展，近年来提出了一种新的分布式能源组织方式和结构——微电网。微网是由各种分布式电源、储能电源、负荷以及监控、保护装置组成的集合。微网包含了分布式光伏、分散式风电、小型燃气轮机和蓄电池等微型电源形式的各种电源，还配备了能量管理系统，通过数据采集并连接到能量管理系统，可解决电压控制、潮流控制、保护控制等一系列问题。在微电网中有各种不同类型的负荷，需要采取不同的能源供应策略，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。

此外，微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，通过主隔离器和微电网连接，可以实现与主电网的并网运行，改善主网的电能质量。

根据微电网自身以及结合分布式电源，微电网主要有以下几个特点：

（1）是一种新型能源网络化供应与管理技术，将原本分散的分布式电源相互协调起来，保证配电网的可靠性和安全性，能够便利可再生能源系统的接入、实现用户需求侧管理以及现有能源和资源的最大化利用；

（2）具有灵活的运行方式和可调度性能，能在并网运行和孤岛运行两种模式间实现切换，与大电网间灵活的并列运行方式能起到削峰填谷的作用，在协调大电网与分布式电源间的矛盾、充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益等方面具有优势；

（3）实现能源的就地转换和消纳，提高发电效率，并减少由于长距离输电带来的损耗；

（4）通过相关控制装置之间的协调配合，可以同时向用户提供电、热、冷、燃气等多种形式的能源。

微电网建设关键技术

（1）电力电子技术

根据微网的特殊需求，需要研究适用的电力电子技术并研制一些新型的电力电子设备，例如变换器、静态开关和电能质量控制器等装置。

首先，变换器的出现，对分布式电源中电能进行变换、传递与存储有着十分重要的意义。根据一次能源的使用情况不同能够将分布式电源分为直流源型的分布式电源和需要整流的高频交流源型的分布式电源，前者包括太阳能、蓄电池和燃料电池等等，后者包括微型燃气轮机和风力发电机等等。这两种分布式电源在使用过程的最后阶段都要转换成标准的工频交流电对并网或者负荷进行供电，即都需要通过变换器（整流器、逆变器）才能与微网系统相连接。

由于变换器具有响应速度快、惯性小、过流能力强等特性，使得微网能源管理的控制理念与常规系统有很大的不同。同时，适用于微网的逆变器除了需要具备常规逆变器的功能以及能够并联运行之外，还需要根据微网系统的特殊需求具备一些控制功能，例如有功-频率下垂控制和电压-无功下垂控制功能。因而，逆变器的运行控制成为微网研究中的一个重要方面。

再就是静态开关。静态开关置于连接微网和主网间公共连接点处，在发生一些主网故障或者电能质量事件等扰动情况时，它能够自动地将该微网切换到孤岛/自主运行状态；当故障被排除后，它也能够自动实现微网和主网的重新连接。除了上述开关功能外，静态开关还需具备常规电力系统中继电器、DSP及其他的硬件组件等所提供的保护、测量及通信功能。

此外还需要相关的电能质量控制系统。任何分布式发电单元的接入都会对系统中的电能质量产生一定的影响，若控制不当，将会对电压波形、频率、功率因数产生不利，尤其是风光这样的波动性大的一次能源。并且，电子负载易受暂态、跌落、谐波、瞬间中断及其他扰动的影响。

（2）通信技术

微网的运行基于不同特性的分布式能源单元信息采集，在响应特性不同的设备间建立连接，通过配网级、微网级、单元级各控制器之间的相互通信来实现。以电力电子器件为接口的分布式能源单元与常规同步机的特性有很大的差别，因此对通信技术的可靠性和速度提出了更高要求。通信技术还直接关系到微网能否更快地提供辅助服务。

（3）监测与控制系统

为了能够与现有电力系统相融合，微网的正常运行需要在通信网络的支持下，通过以下三个层次的监测与控制系统之间协调合作来实现。

a.单元级：各个分布式发电单元及负荷的本地控制器，调节系统电压和频率，以利于微网系统的稳定运行。

b.微网级：微网中央控制器，是主网与微网间的接口，一方面与上层配网级控制器交互，一方面与下层的各本地控制器交互信息。

c.配网级：配电网控制器，用于控制包含一个或多个微网的区域；市场控制器，负责各个特定区域内电力市场的功能。这两种控制器属于微网上一层次的系统，实现主网配网级别的调度功能。

（4）故障检测与保护

微电网保护问题与传统配电网保护有着极大的不同，典型表现在以下几个方面：

a. 微电网在并网运行和孤岛运行两种运行方式下，短路电流大小不同且差异很大。

b. 微电网中电源及相关负荷的接地方式对故障电流的大小影响也很大。

c. 加入分布式能源后，微电网的双向潮流特性对微电网保护的方向判别也有新的要求。

d. 发生故障时，微电网与配电网的不同隔离策略需要与微电网保护相结合，这也是微电网保护的关键。

因此，在结合微电网与配电网隔离策略和不同接地方式的前提下，探寻一种新的微电网保护技术，使得无论在并网运行模式或孤岛运行情况下，都能快速感知微电网内外部故障，同时保证保护的选择性、快速性、灵敏性和可靠性，是对微电网保护的基本要求。

微电网的运行管理

微网的运行方式、所采取的电力市场和能源政策、系统内分布式能源类型、渗透率、负荷特性以及对电能质量的要求，与常规电力系统存在较大的区别。因而需要对微网系统内部各分布式能源单元间、单个微网与主网间、甚至多个微网间的运行调度和能源优化管理系统研究制定合理的控制策略，才能确保微网的安全性、稳定性和可靠性，从而高效经济运行。

微网系统处于并网运行状态时，如何与主网之间相互作用，与所采取的市场策略相关。一种市场策略是，微网利用内部的分布式能源单元来尽力满足网内的负荷需求，可以从主网吸收功率但不向主网输出功率；另一种是允许微网参与到开放的电力市场中，可以与主网间自由交换功率，并且除各分布式发电单元参与竞价外，需求侧也可以参与市场交易。

此外微网也可以参与辅助服务市场。微网在向主网提供能量的同时，可以提供调频、调峰、调压、备用、黑启动等辅助服务；或者以一个可控的负荷形式来运行，控制负荷量和功率因数，这对主网系统处于重载时具有重要意义。

参考文献：

分布式发电与智能电网。艾芊，郑志宇编著。