微网的综述.docx

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微网的综述

微网--大规模集成小型发电设备到低压配电网络

简介

分布式发电单元（DG）在客户端的安装应用的经济潜力关键在于利用局部的燃料发电时产生的余热机会。

因此，在发展小型，千瓦级和热电联供应用方面取得重大进展。

这些系统在欧洲北部国家的发电中发挥了重要作用，而光伏系统则期待在欧洲北部国家发挥更大的作用。

微型热电联供和光伏系统的应用提高了利用能源发电的效率，且实质上提高了有关碳排放的环境效益，考虑到满足京都议定书，而且，靠近需求侧的发电可以提高客服的服务质量。

从实用角度来看，分布式发电单元靠近负荷，减少了电流在输电网和配电网流动，这产生两方面的影响：

降低损耗和抑制输电网络的扩大。

因此，分布式能源的使用可以减少对输电和配电设施的需求，然而，对分布式能源的逐渐增加控制的不力给配电网的运行和控制增添了大的难度。

微网给用分散的方法协调分布式能源（DER）使用提供了可能性，因此表现为运行单一，整体控制。

从这点来看，分布式能源能可以提供充分的优势。

微网由低压配电侧的分布式电源，如微型燃气汽轮机组，燃料电池，光伏系统等，和储能装置，如飞轮，超级电容和蓄电池，以及可控负荷组成；具有很强的可控性。

微电网与中压配电网相连，当上游网络发生故障时，为电网能与主网隔离运行；因此，微电网在系统故障后的缓解拥挤和帮助恢复中提供网络支持。

从负荷侧来看，微网能满足当地电力和热负荷需求，提高供电可靠性，减少废气排放，通过提供电压支持、减少电压跌落等，改善电能质量，降低能源供应成本。

本文概述了关于微网的技术和经济运行的问题，提供了一些欧盟资助项目（微网—大规模集成小型发电设备到低压配电网络）的调查结果，欧盟合同ENK5-CT-2002-00610。

微网对服务质量的影响

当前分布网络的设计使得中压和低压网络的性能对客户端的服务质量产生主要的影响，然而高压输电和配电网络中的扰动将非正常的影响与低压和中压网络连接的客户的供电可靠性。

在大多数欧盟国家中，超过80%的用户扰动和短时停电都是中压和高压输电网的原因。

微网的主要好处之一是通过提供通常所需的备用容量来增加服务质量的潜能。

微网在孤岛模式的运行能力是可减轻上游网络故障时的影响。

为了能够隔离外部故障和提供稳定的自治运行环境，这个性能要求微网有精密的保护、控制系统和完备基础通信设施。

鉴于欧盟的每一个用户每年平均经历一次持续一个小时的停电事故，重要的是要回答，如果引进微网，可以在此基础上更合理。

分析结果显示，考虑典型资产的寿命和折扣率，小规模分布式发电单元（DG）的孤岛运行方式，如2KW的分布式发电单元供应一个家庭，将平均允许$45的开支来提升系孤岛运行，然而1MW的商业客户网络区域需投资$300000。

微网除了发电的主要活动外，还能进行市场孤岛运营服务和开辟一个次要收入来源。

在目前的网络中，孤岛运行是昂贵的，因为需要支付发电厂、附加的自动化以及保护系统的成本，然而，在将来，大量的分布式发电单元能够被连接到高效管理的微网中。

微网扩展规划的影响

微网有能力推迟高压输电和配电网络的加固，因为分布式发电单元离负荷近，且发电厂和负荷之间有很大的关系。

而且，发电机的数量庞大以至于每个发电机单元的情况对整体的总产量不会产生大的影响。

显然，微电网在输电和配电网络的替代策略上将发挥关键的作用，微网对电网络资本输出方面影响的确切评价需要认真研究。

微网运行

微网的控制和运行对技术提出了巨大的挑战。

通过优化生产和对热量、气、电的消耗实现重大的经济效益的一个关键是能源的有效管理。

对采用分布式智能技术的微网，协调控制大量需求冲突的分布式资源和受限制的通信技术是一个挑战性的问题。

而且，在微电网的背景中，瞬时有功功率和无功功率平衡，潮流和网络电压概况提出了挑战。

传统来讲，通过能源提供的电网有旋转质量，这些对于内在稳定性的系统是必不可少的。

相反，惯性小的分布式电源需要通过电力电子变换器才能与微网相连接，但微网提供了一个更灵活的运行环境。

微网一个深层次的问题是低电压网络的高抗电抗率，这导致了有功功率和无功功率的强耦合性。

因此，电压和功率的控制不用再分开考虑。

微网的一个关键问题是当系统在发生故障和不同类型的扰动时，能确保系统稳定运行。

孤岛运行模式间连接的过渡状态可能引起发电机和负荷之间的不匹配，提出了一个严重的频率和电压控制问题。

存储技术，比如蓄电池，大容量电容器和飞轮可能成为微电网的重要组成部分，在网络扰动时保证系统稳定运行。

在孤岛运行模式时，维持系统稳定性和电能质量要求精细的控制策略和包含发电和负荷需求关系。

微网控制

正如简介中所述，为了实现微网运行的最大利益化，分布式电源与低压电网的结合，以及它们与中压电网上游网络之间的连接，有助于优化系统的运行。

如图1所示，为了实现这个目标，可以设想一个包含三个控制级别的系统控制结构[1]。

不同的控制水平包括：

•就地微发电机控制器（MC）和负荷控制器（LC）

•微网中央控制器（MGCC）

•配网管理系统（DMS）

图1微网控制结构

Fig.1Micro-Gridofcontrolarchitecture

微发电机控制器利用分布式电源的电力电子接口，能用智能设备得到不同程度的加强。

在过渡状态时，它使用就地信息来控制微网的电压和频率。

微发电机控制器须适应各种类型的分布式电源（光伏系统，燃料电池，微型燃气汽轮机组等），负荷的就地控制器安装在可控的负荷上提供负荷控制功能。

微网中央控制器的功能范围从监控分布式电源的实际有功功率和无功功率到承担通过发送分布式能源和可控负荷的控制信号来优化微网运行的责任。

连接配网管理系统馈线的微网看起来像集中负荷。

微网的自治与非自治运行问题以及相关的信息交换是新的重要的争议点。

微网断开和重新同步在故障期间和故障后需要估计。

显然，为了以协调方式运作微网，平衡来源于分布式能源和中压配电网馈线的电力需求和供给，重要的是提供或多或少的分散决策过程。

这几类的分散化水平适用于从完全分散化方法到根本上的集中控制变化范围，而集中控制由微网中央控制器和微发电机控制器和负荷控制器所确定。

这些分散化程度需要探讨和确定其相对优势。

孤岛和运行关联模式

在并网运行模式中，根据能量来源和能源价格，本地发电量是基于微网电网价值的最大化来决定。

网络的限制，也就是中压/低压变压器容量或者低压网络拥挤都应该纳入考虑范畴。

当中压或高压系统发生故障时，微网自动转化为孤岛模式运行。

从并网模式到孤岛模式的无缝过渡对于不间断的持续供电是非常关键的。

使用智能化配电方法，在孤岛运行条件下，微发电机控制器和负荷控制器作为独立的中间媒介，能充分使用就地能源维持系统运行。

如果系统扰动引起高压或中压网络上游的一般停电事故，使得微网没有被解列而继续运行于孤岛模式，且如果高压系统在特定时间内不能恢复操作，则微发电机控制器利用自身调节能力提供就地黑启动（大面积停电后的系统自恢复通俗地称为黑启动）功能。

而且，微网中央控制器支持黑启动过程中的重新连接，用这种方法帮助配网管理系统管理高压配电网络。

频率和电压的管理

在孤岛运行模式中，频率和电压控制是难题。

如图2所示，传统的电力系统采用常规的下垂方式。

原则上，为了提供负载共享能力，分布式发点单元的微发电机控制器采纳了这个思想。

然而，在微网中，由于有功功率和无功功率之间的强耦合关系，这个方法不能被直接的执行，例如，仅靠增加无功功率来控制电压是不可能的，除非有充足的可用无功功率。

图2显示，只要电压和频率有相同的下垂标志，该定义可被有效应运。

图2频率和电压的下垂控制

Fig.2FrequencyandVoltageControlviadroops

通信技术

通信技术在微网运行和控制中发挥了重要作用。

将来的分布式系统可能从任意的附属于电网的微发电机控制器和负荷控制器得到信息，比如其消耗了多少能量或产生多少能量。

此外，许多研发中的新技术甚至可使小的用户能对运行条件和电价做出响应。

连接嵌入式软件的互联网系统可以用于提供必要的信息。

在这样系统中任何位置的交换系统可利用嵌入式通信技术提供一个高度可重构的网络结构。

微网设计-标准化技术和商业化协议和硬件

为了促进微电网的大规模发展，发展标准化技术和商业化协议是非常必要的，这些将使具有即插即用功能的分布式能源安装简便。

微网中央控制器和负荷就地控制器应该被标准化，它们具有固有频率和电压控制能力，对频率变化、电压降低和故障电流期间的承受能力。

而且，灵活的电力电子接口使得微网在可变频率下运行成为可能，而经交直流逆变器变换，微网通过直流接口与整个电网连接并联运行。

安全和保护

微网的分布式能源和连接到公共网络的变压器接地，必须仔细分析和发展合适的规则，所以使传统系统达到统一安全水平。

用于安全评估的分析和设计的工具应该显示电网模型的接地和连接方式。

为了从主要的公用网络中尽可能快的隔离微网以保护其分布式发点单元和负荷，保护系统必须迅速响应。

这就需要开发和安装合适的电力电子静态开关，此外，微网设计和运行的特性对基本保护提出了新的要求。

微网内电力电子元器件的使用前景是一个相关的问题，例如，连接微网电源的限制短路电流的固态电路断路器。

微网的建模与仿真

微网包含一系列的发电机技术（微型发电机，燃料电池，光伏系统和风力涡轮机）和存储设备（电池，飞轮和超级电容等），大多数通过电力电子接口接入。

这些元件的模型在稳态和暂态情况下都已具体化，而且，微网可能使用单相电路和加载单相负荷，这些因素产生不平衡的情况，如感应电动机等的动态负荷的相互作用加剧了这种现象。

模拟这些影响时，要开发一个合适的分析工具，这个工具具有可代表三相系统、中性电阻、接地电阻、接地线和微电源的各种模型的图符。

结论

为了整个网络的运行和控制，分布式发电单元和储能装置在低压网络的结合是非常必要的。

这通过微网的运行可以实现。

本文提出了微网的好处和关键技术挑战，尽管明确的好处是不容置疑的，但是在量化方面还有很大困难。

最后，本文简要概述了微网运行和控制以及设计方面技术难题，简要介绍了一些研究成果和发展前景。

参考文献：

[1]MICROGRIDS–LargeScaleIntegrationofMicro-GenerationtoLowVoltageGrids,EUContractUNK5-CT-2002-00610,TechnicalAnnex,May2002

微网--大规模集成小型发电设备到低压配电网络

简介