微電網建設關鍵技術和特點

分布式能源在我國正處在一個飛速發(fā)展的階段，在政策和資本的助推下，“十三五”期間，我國分布式光伏項目將全面開花，進入加速發(fā)展的快車道。

開發(fā)可再生能源、構建可持續(xù)能源系統(tǒng)成為能源行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。分布式電源由于靠近電力用戶、實現(xiàn)電力的就近消納，可以節(jié)省輸變電投資和運行費用，減少集中輸電的線損；與大電網供電互為補充，減少電網容量，改善電網峰谷性能，提高供電可靠性；同時可以減少對環(huán)境的污染等優(yōu)點受到了廣泛關注，尤其是光伏和風力發(fā)電近年來得到了快速的發(fā)展。但由于可再生能源發(fā)電的不可控性和隨機波動性，隨著其滲透率的提高也增加了對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的負面影響。

為了適應分布式能源的迅速發(fā)展，近年來提出了一種新的分布式能源組織方式和結構——微電網。微網是由各種分布式電源、儲能電源、負荷以及監(jiān)控、保護裝置組成的集合。微網包含了分布式光伏、分散式風電、小型燃氣輪機和蓄電池等微型電源形式的各種電源，還配備了能量管理系統(tǒng)，通過數據采集并連接到能量管理系統(tǒng)，可解決電壓控制、潮流控制、保護控制等一系列問題。在微電網中有各種不同類型的負荷，需要采取不同的能源供應策略，并可同時滿足用戶對電能質量和供電安全等的要求。

此外，微電網相對于外部大電網表現(xiàn)為單一的受控單元，通過主隔離器和微電網連接，可以實現(xiàn)與主電網的并網運行，改善主網的電能質量。

根據微電網自身以及結合分布式電源，微電網主要有以下幾個特點：

（1）是一種新型能源網絡化供應與管理技術，將原本分散的分布式電源相互協(xié)調起來，保證配電網的可靠性和安全性，能夠便利可再生能源系統(tǒng)的接入、實現(xiàn)用戶需求側管理以及現(xiàn)有能源和資源的最大化利用；

（2）具有靈活的運行方式和可調度性能，能在并網運行和孤島運行兩種模式間實現(xiàn)切換，與大電網間靈活的并列運行方式能起到削峰填谷的作用，在協(xié)調大電網與分布式電源間的矛盾、充分挖掘分布式能源為電網和用戶所帶來的價值和效益等方面具有優(yōu)勢；

（3）實現(xiàn)能源的就地轉換和消納，提高發(fā)電效率，并減少由于長距離輸電帶來的損耗；

（4）通過相關控制裝置之間的協(xié)調配合，可以同時向用戶提供電、熱、冷、燃氣等多種形式的能源。

（1）電力電子技術

根據微網的特殊需求，需要研究適用的電力電子技術并研制一些新型的電力電子設備，例如變換器、靜態(tài)開關和電能質量控制器等裝置。

首先，變換器的出現(xiàn)，對分布式電源中電能進行變換、傳遞與存儲有著十分重要的意義。根據一次能源的使用情況不同能夠將分布式電源分為直流源型的分布式電源和需要整流的高頻交流源型的分布式電源，前者包括太陽能、蓄電池和燃料電池等等，后者包括微型燃氣輪機和風力發(fā)電機等等。這兩種分布式電源在使用過程的最后階段都要轉換成標準的工頻交流電對并網或者負荷進行供電，即都需要通過變換器（整流器、逆變器）才能與微網系統(tǒng)相連接。

由于變換器具有響應速度快、慣性小、過流能力強等特性，使得微網能源管理的控制理念與常規(guī)系統(tǒng)有很大的不同。同時，適用于微網的逆變器除了需要具備常規(guī)逆變器的功能以及能夠并聯(lián)運行之外，還需要根據微網系統(tǒng)的特殊需求具備一些控制功能，例如有功-頻率下垂控制和電壓-無功下垂控制功能。因而，逆變器的運行控制成為微網研究中的一個重要方面。

再就是靜態(tài)開關。靜態(tài)開關置于連接微網和主網間公共連接點處，在發(fā)生一些主網故障或者電能質量事件等擾動情況時，它能夠自動地將該微網切換到孤島/自主運行狀態(tài)；當故障被排除后，它也能夠自動實現(xiàn)微網和主網的重新連接。除了上述開關功能外，靜態(tài)開關還需具備常規(guī)電力系統(tǒng)中繼電器、DSP及其他的硬件組件等所提供的保護、測量及通信功能。

此外還需要相關的電能質量控制系統(tǒng)。任何分布式發(fā)電單元的接入都會對系統(tǒng)中的電能質量產生一定的影響，若控制不當，將會對電壓波形、頻率、功率因數產生不利，尤其是風光這樣的波動性大的一次能源。并且，電子負載易受暫態(tài)、跌落、諧波、瞬間中斷及其他擾動的影響。

（2）通信技術

微網的運行基于不同特性的分布式能源單元信息采集，在響應特性不同的設備間建立連接，通過配網級、微網級、單元級各控制器之間的相互通信來實現(xiàn)。以電力電子器件為接口的分布式能源單元與常規(guī)同步機的特性有很大的差別，因此對通信技術的可靠性和速度提出了更高要求。通信技術還直接關系到微網能否更快地提供輔助服務。

（3）監(jiān)測與控制系統(tǒng)

為了能夠與現(xiàn)有電力系統(tǒng)相融合，微網的正常運行需要在通信網絡的支持下，通過以下三個層次的監(jiān)測與控制系統(tǒng)之間協(xié)調合作來實現(xiàn)。

a.單元級：各個分布式發(fā)電單元及負荷的本地控制器，調節(jié)系統(tǒng)電壓和頻率，以利于微網系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

b.微網級：微網中央控制器，是主網與微網間的接口，一方面與上層配網級控制器交互，一方面與下層的各本地控制器交互信息。

c.配網級：配電網控制器，用于控制包含一個或多個微網的區(qū)域；市場控制器，負責各個特定區(qū)域內電力市場的功能。這兩種控制器屬于微網上一層次的系統(tǒng)，實現(xiàn)主網配網級別的調度功能。

（4）故障檢測與保護

微電網保護問題與傳統(tǒng)配電網保護有著極大的不同，典型表現(xiàn)在以下幾個方面：

a.微電網在并網運行和孤島運行兩種運行方式下，短路電流大小不同且差異很大。

b.微電網中電源及相關負荷的接地方式對故障電流的大小影響也很大。

c.加入分布式能源后，微電網的雙向潮流特性對微電網保護的方向判別也有新的要求。

d.發(fā)生故障時，微電網與配電網的不同隔離策略需要與微電網保護相結合，這也是微電網保護的關鍵。

因此，在結合微電網與配電網隔離策略和不同接地方式的前提下，探尋一種新的微電網保護技術，使得無論在并網運行模式或孤島運行情況下，都能快速感知微電網內外部故障，同時保證保護的選擇性、快速性、靈敏性和可靠性，是對微電網保護的基本要求。

微網的運行方式、所采取的電力市場和能源政策、系統(tǒng)內分布式能源類型、滲透率、負荷特性以及對電能質量的要求，與常規(guī)電力系統(tǒng)存在較大的區(qū)別。因而需要對微網系統(tǒng)內部各分布式能源單元間、單個微網與主網間、甚至多個微網間的運行調度和能源優(yōu)化管理系統(tǒng)研究制定合理的控制策略，才能確保微網的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，從而高效經濟運行。

微網系統(tǒng)處于并網運行狀態(tài)時，如何與主網之間相互作用，與所采取的市場策略相關。一種市場策略是，微網利用內部的分布式能源單元來盡力滿足網內的負荷需求，可以從主網吸收功率但不向主網輸出功率；另一種是允許微網參與到開放的電力市場中，可以與主網間自由交換功率，并且除各分布式發(fā)電單元參與競價外，需求側也可以參與市場交易。

此外微網也可以參與輔助服務市場。微網在向主網提供能量的同時，可以提供調頻、調峰、調壓、備用、黑啟動等輔助服務；或者以一個可控的負荷形式來運行，控制負荷量和功率因數，這對主網系統(tǒng)處于重載時具有重要意義。