08未来电力系统的重要组成单元微型电网.docx

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08未来电力系统的重要组成单元微型电网

微型电网是为整合分布式发电的优势，削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响而提出的一种新的分布式能源组织方式和结构。

它通过整合分布式发电单元与配电网之间关系，在一个局部区域内直接将分布式发电单元、电力网络和终端用户联系在一起，可以方便地进行结构和配置以及电力调度的优化，结合热电（冷）联供方案，优化和提高能源利用效率，减轻能源动力系统对环境的影响，推动分布式电源上网，降低大电网的负担，改善可靠安全性，并促进社会向绿色、环保、节能方向发展。

微型电网提出后迅速受到各国相关部门和研究机构重视，美国能源部更是将微型电网视为未来电力系统的三大基石技术之一，并列入了美国Grid2030计划之中。

近年来，欧美等发达国家加强了对微型电网相关技术的研究，示范工程的步伐也逐渐加快，目前的一些研究工作显示，即使在没有分布式电源的情况下，微型电网加强了用户侧的电网管理，并为局部地区引入中小型储能环节提供了可能，预计在不久的将来会逐步成为美国等发达国家能源电力系统的重要组成部分和地区配电网络的基本构件。

一、微型电网的研究背景

随着全球经济的持续高速发展，能源问题越来越突出，以火电为主的电力结构给环境保护带来了沉重的压力；在另一方面，近年来用电负荷的不断增加，使得远距离输电线路的输送容量不断增大，受端电网对外来电力的依赖程度也不断提高，因此需要在受端电网和负荷中心建设一定容量的发电厂，以减少大功率输送和转移，减少输配电损耗，支撑本地电网，增强系统稳定。

在多方面因素的推动下，全球能源技术领域关注的研究热点转向分布于用户附近的以新能源、热电冷能联供等形式的分布式能源系统，欧洲发达国家如英、法、德等国已经基本停止审批建造燃煤火电厂和核电站，减少甚至已不再新建高压输电线路，而转向计划采用风电、太阳能以及以天然气为燃料的微型（小型）燃气轮机等分布式发电逐渐替代目前在运行的大规模火电厂和核电站，并作为未来主要的供电手段，提高能源利用效率，减少环境污染，履行京都协议。

但分布式发电也同时面对着许多技术和非技术的障碍以及质疑，因为处于电力系统管理边缘的大量分布式能源并网将有可能造成电力系统不可控制和管理的局面，并导致相应的安全性和稳定性问题，可能会对电网运行和电力市场交易带来很大的冲击和影响。

许多学者和研究机构都对这方面进行了深入研究，并制定了IEEEDraftStandard1547对分布式发电装置提出严格的要求，但是这也同时限制了分布式发电的运行方式，使其优势和潜能受到削弱，这些研究和规定也并没有解决分布式能源和可再生能源大规模并网问题。

因此如何清除分布式能源和可再生能源大规模并网的障碍，充分发挥分布式发电优势和潜能成为各国学者关注和研究重点。

二、微型电网的概念

为整合分布式发电的优势，削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响，美国TheConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolutions（CERTS）提出了一种能更好地发挥DG潜能的一种组织形式-微型电网（MicroGrid）。

CERTS将微型电网定义为一组负荷和微能源的集合，它们可以以一个单个系统的方式运行，提供热和电。

　　　　　　　　　　　　　　 图1CERTS微型电网概念图

图1只是微型电网结构的一种形式，其具体的结构随负荷等方面的需求而不同。

但是其基本单元应包含微能源、蓄能装置、管理系统以及负荷。

其中大多数微能源与电网的接口都要求是基于电力电子的，以保证微电网以单个系统方式运行的柔性和可靠性。

以这种方式组织分布式电源而形成的微型电网的重要优势来自于它对周围的配电网呈一个可自我控制的独立个体，并便于实现终端用户电能质量管理和能源的梯级利用。

它遵循电网规则，并能给电网提供更多的价值。

它可作为可中断或可控负荷，以减少网络拥塞和其他威胁。

可进入独立运行状态，保证微型电网内重要负荷和敏感负荷的供电安全性。

另外，微型电网能提供优良的电能质量和其他辅助性服务，如电压支撑、向外馈送电能甚至提供黑启动能力。

未来的电力系统将会是由集中式与分布式发电系统有机结合的供能系统。

其主要框架结构是由集中式发电和远距离输电骨干网、地区输配电网、以微型电网为核心的分布式发电系统相结合的统一体，能够节省投资，降低能耗，提高能效，提高电力系统可靠性、灵活性和供电质量，将成为21世纪电力工业的重要发展方向。

图2从分布式发电走向微型电网

继CERTS之后，美国劳伦斯伯克利国家实验室、美国电力科学院、欧洲、日本等国也相继提出适合各自国情和电力工业的微型电网概念。

这些不同的实验室和机构提出的微型电网的概念不完全相同，归纳起来有如下特点：

所有的方案一致认为微型电网应该具有独立运行能力，并且应能实现即插即用和无缝切换；大多数方案把联网运行列为必要条件，而其它方案也推荐能够联网运行；多数方案认为微型电网应该具有中央管理单元，能够实现本地管理自治运行，应该备有储能设备，具有可实现热电联供的能力。

除上述概念比较相同外，所提出的十一个方案在微型电网是否与公共电网单点连接、潮流是否双向流动等方面看法不尽相同。

三、微型电网的发展

微型电网概念提出后立即受到各国重视，将其视为分布式发电无缝集成到现有电力系统的重要组织方案和技术。

在美国，能源部和国家可再生能源实验室（NREL）资助威斯康星大学、橡树岭国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室等研究机构开展微型电网研究，并于2003年在威斯康星大学建成了一个小规模的微网实验室，总容量约为80kVA。

威斯康星大学实验和测试了在微型电网不同运行状态下的多种分布式电源控制器，从其结果来看，分布式电源控制器所需提供的这些理想功能大多仍停留在理论分析和实验阶段，未能够得到实现和应用。

橡树岭国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室则主要开展微网能量管理系统（EMS）的研究，研究内容集中在MGEMS的需求、热电匹配与建筑暖通空调系统（HVAC）管理、微网与公共电网能量交换、内部分布式电源效率最优化、最小化环境污染等方面。

在各州，相应能源机构也资助相关高校、研究单位以及电气集团如GE、DTEEnergy等参与微型电网研究。

2005年，美国能源部提出了微型电网研究发展的路线图。

图3CEC-DOE微型电网路线图

在欧洲，欧盟七个国家、十四个组织合作开展了MicroGrid计划，资助金额达4.5M欧元，该项目于自2002年启动至2005年结束后，继而开展了MoreMicroGrid计划，同时参与的国家增加到11个，组织达到22个，资助金额提高到8M欧元。

并且相继在希腊、德国、西班牙建立了不同规模的微网实验平台。

其中德国太阳能研究所（ISET）建成的微网实验室规模最大，容量达到200kVA，并在其实验平台上设计安装了简单的能量管理系统。

日本在TheNewEnergyandIndustrialTechnologyDevelopmentOrganization（NEDO）的组织下，日本将建设AkagiProject、SendaiProject、KyotoProject、AichiProject、HachinoheProject等微电网项目。

为推动微电网在电力系统中的发展，欧美国家在微型电网项目示范方面也做了大量工作，目前建成和在建的部分微电网示范主要情况如表2。

表2目前国外建成和在建的微型电网示范

微型电网

资助和运行机构

时间

地理位置

说明

MadRiverPark

NPS（20%）；NREL（80%）

2003.11-

2005.09

Vermont,US

6个商业和工业厂区，12个居民区，280kW、100kW发电机，30kWMT，PV。

接入7.2KV配网。

即可孤岛运行，也可联网运行。

SandiaNationalLaboratories

SandiaNationalLaboratories

2005.10-

2007.03

amilitarybase

以某个军事基地作为示范，然后推广到全美军事和民用场合。

KythnosIslandMicrogrid

ISET；

MunicipalityofKythnos；

CRES

2002-2004

Kythnos，Greece

提供12户岛上居民用电，400V配网，包含6台光伏发电单元，共11kW，1座5KW柴油机，1台3.3KW/50KWh蓄电池/逆变器系统。

目前只能可孤岛运行。

Continuon'sMV/LVfacility

Germanos

EMforce

2003-2005

Continuon,Netherlands

用于度假村，共四条380V馈线，每条长约400m。

以光伏发电为主，共装335kW光伏发电单元。

即可孤岛运行，也可联网运行。

ManheimMicrogrid

MVVEnergie

2006.8-

Manheim,

German

位于居民区，包含六台光伏发电单元，共40kW；计划继续安装数台微型燃气轮机。

图4希腊Kythnos微型电网示范系统

四、微型电网面对的挑战和未来的前景

展望微型电网的未来，我们首先就要面对许多技术与非技术的挑战。

首先也是最重要的是克服传统电力系统固有的观念和方法造成的惯性。

这就需要尽可能地利用现有设施包括使用寿命长的设备、系统规划与运行人员在大系统方面的成熟经验，同时将新的思想和理念逐渐注入，并形成新的运行方式。

其次，许多关键的微型电网先进设备并没有达到实用化标准或是做好市场化准备，包括用于分布式电源的联网设备、分散的智能控制系统、储能系统、适于双向潮流的保护设备、故障辨识与定位技术等。

这些装置技术难度和价格过高，大部分仍处于实验阶段，且对其没有形成统一的标准，在性能、可靠性、耐用性等方面尚未得到验证。

这就需要进一步的开发克服技术难题，降低造价，改进电力电子设备的可靠性，包括逆变器、固态电流限制器和静态电压调节器等。

用户侧、关键馈线和变电站都需要更低成本的储能设备。

在微型电网运行方式上，各国学者同样存在多种争议，其焦点集中在如何在不影响现有系统运行的前提下构建智能自动化体系结构，寻找到微型电网合适的运行方式，以使得分布式发电/分布式能源通过微型电网完全整合到地区配电网络中运行，并发挥出其最大效能。

这就需要实时的、灵活的、智能的分布式控制器和中央管理单元，以能够完成微型电网的自愈、自治和自组织等复杂功能，并探索微型电网合适的运行方式和管理策略。

在技术上也存在人力方面的限制，微型电网需要更多的培训和工具来安装与维护其智能系统，现有的配网计算机仿真系统和分析工具不足以提供微型电网功能需要的信息，并使其参与进入输电与发电市场决策。

这就需要进一步的工作来开发更加灵活的控制系统，需要通信规约和标准以便建立微型电网运行的体系结构，使之能够涵括用户行为和输电发电市场。

同时需要加快培训“下一代”配网工程师和技术员，使其能够进行完全的先进设备的设计、安装和维修。

尽管微型电网目前仍面对上述诸多挑战，但是不管从国家能源战略和能源市场方面，还是用户需求和电力市场来看，微型电网均提供了一种理想的技术和市场整合方案，因此在国外发达国家无论是政府、研究机构，还是商业公司，均对微型电网商业化和规模化持乐观态度，其应用范围和电压等级也在不断扩大，已从原来MW级以下的单建筑微型电网发展到5-10MW的多建筑商业区或工业园微型电网，并开始探索向10-30MW级馈线、30MW级以上的变电站以及地理范围更大的农村配网发展，如图5、图6即为研究中的商业区级和变电站级微型电网。

　　　　　　　　 图5美国新泽西州韦恩市（Wayne）微型电网构图

　　　　　　　　　　图6美国夏威夷卡哈拉岛（Kohala）微型电网构图

由此可见，未来的电力系统应该是由集中式与分布式发电系统有机结合的供能系统。

其主要框架结构应该是由集中式发电和远距离输电骨干网、地区输配电网、以微型电网为核心的分布式发电系统相结合的统一体，微型电网将成为分布式发电在区域配网内渗透的主要载体形式，而成为地区配电网络制式和电力系统的基本构件。

集中发电与分布式微型电网相结合可以节省投资和减少投资的风险，降低能耗，提高能效，提高电力系统可靠性、灵活性和供电质量，将成为21世纪电力工业的重要发展方向。