微网技术研究.docx

1、微网技术研究微网技术研究.txt今天心情不好。我只有四句话想说。包括这句和前面的两句。我的话说完了对付凶恶的人，就要比他更凶恶；对付卑鄙的人，就要比他更卑鄙没有情人味，哪来人情味拿什么整死你，我的爱人。收银员说：没零钱了，找你两个塑料袋吧！ 第 33卷第 9期电网技术 Vol. 33 No. 9 2009年 5月 Power System Technology May 2009 文章编号：1000-3673（2009）09-0014-05 中图分类号：TN72 文献标志码：A 学科代码：47040含分布式发电系统的微网技术研究综述黄伟，孙昶辉，吴子平，张建华（华北电力大学电气与电子工程学院，北

2、京市昌平区 102206） A Review on Microgrid Technology Containing Distributed Generation System HUANG Wei，SUN Chang-hui，WU Zi-ping，ZHANG Jian-hua（School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University， Changping District，Beijing 102206，China） ABSTRACT: Widespread application o

3、f distributed generation systems (DGS) will bring about new opportunities and challenges to power grid operation, control and electricity market. The microgrid technology that integrates DGS, energy storage element and loads will be an effective approach to solve the interconnection of large-scale D

4、GS with power grid. In this paper the concept relevant to microgrid, present research situation and advancement of microgrid technology in other countries are presented in detail; the features and superiority of microgrid technology in operation, control, protection and economy are overall expounded

5、. Combining with the feasibility and economy of microgrid technology, the development prospect and research direction of microgrid technology are analyzed in depth, and it is pointed out that the microgrid can provide more reliable power supply for sensitive consumers under islanded operation. KEY W

6、ORDS: microgrid；distributed generation system (DGS)；islanded operation；interconnected grid operation； reliability摘要：分布式发电系统的大规模应用将对电网运行、控制和电力市场等带来新的机遇和挑战，整合分布式发电系统、储能元件和负载的微网技术将是解决大规模分布式发电系统并网问题的有效途径之一。文章详细介绍了微网技术的相关概念、研究现状和进展情况，全面阐述了微网在运行、控制、保护、经济性等方面的特点和优势，并结合微网技术的可行性和经济性，深入探讨了微网的发展前景和研究方向，指出孤网运行下

7、的微网可以为重要负荷用户提供高可靠性的电能。关键词：微网；分布式发电系统 (DGS)；孤网运行；并网运基金项目：国家 863高技术基金项目(2008AA05Z216)。 The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2008AA05Z216).行；可靠性 0 引言随着包括风电、光伏等可再生能源和高效清洁的化石燃料在内的新型发电技术的发展，分布式发电系统(distributed generation system，DGS)日渐成为满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率和供电可靠

8、性的一种有效途径。 DGS具有投资少、发电方式灵活、可与环境兼容等优点，在配电网中得到广泛的应用，但是 DGS的大规模渗透也产生了一些负面影响，如分布式发电单机接入成本较高，控制较复杂。另外，从系统的角度来分析，DGS是不可控的发电单元，因此系统总是试图采取隔离、切机的方式来控制微型发电系统，以消除其对大系统的电压和频率的冲击。根据文献1，当电力系统发生故障时，DGS必须马上切机退出运行，但是这限制了分布式发电的运行方式，削弱了其优势和潜能1-2。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，充分发挥 DGS的效益和价值，相关电力工作人员和专家提出了微网的概念。本文将对微网的基

9、本概念和国内外的研究现状进行概括和总结，讨论微网的关键性问题和未来的研究方向。 1 微网的概念与结构 1.1 微网的概念为了减少 DGS对主网的不利影响，同时发挥其固有优势，一个合理有效的解决方案是采用系统方法，将发电装置和相应的负荷看成一个子系统，即微网。目前，国际上对微网的定义没有统一的标第 33卷第 9期电网技术 15 准。美国电气可靠性技术措施解决方案联合会 (consortium for electric reliability technology solution，CERTS)对微网的定义如下：微网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微网内部的电源主要是

10、由电力电子装置负责能量转换，并提供必须的控制；微网相对外部大电网表现为单一的可控单元，同时满足用户对电能质量和供电可靠性、安全性的要求3。欧盟微网项目对微网的定义如下：利用一次能源；使用微型分布式发电系统，分为不可控、部分可控和完全可控 3种类型，并可冷、热、电三联供；配有储能装置；使用电力电子设备进行能量转换和控制。实际上，对于公用电力企业，微电网可作为电力系统可控的“细胞”，这个“细胞”可以作为一个简单的可调度负荷，在数秒内做出响应，以满足系统的需求；对于用户，微网可以作为一个可定制的电源，以满足用户多样化的需求4-5。 1.2 微网的基本结构微网的基本结构如图 1所示，图中包含了多个 D

11、GS和储能元件，这些系统和元件联合向负荷供电，整个微网相对大电网来说是一个整体，通过一个断路器和上级电网的变电站相联系。微网内的 DGS可以含有多种能源形式，包括可再生能源 (风力发电、光伏电池 )、不可再生能源、微型燃气轮机发电系统，另外还可通过热电联产或是冷热电联产的形式向负荷用户供热或制冷，提高能源多级利用的效率。图 1中的微网包括 3条馈线 A、B和 C，整个网络呈放射状。馈线通过微网主隔离装置(一般是静态开关)与配电系统相连，可实现孤网与并网运行模式间的平滑无缝转换。其中 A和 B为敏感负荷(重分隔器潮流控制器保护协调器光伏电池敏感负荷热负荷能量 管理器微型电网 调度变电站 PCC

12、微型电网 主隔离设备静态开关可调节负荷燃料电池微型燃气轮机非敏感负荷 A B C电力传输线；信息流；保护信息传输线。图1微网的基本拓扑结构Fig. 1 The basic topological structure for microgrid要负荷)，安装有多个 DGS，馈线 A中含有一个运行于热电联产的 DGS，该 DGS向用户提供热能和电能。馈线 C为非敏感性负荷，孤网情况下微网内部过负荷运行时，可以切断系统对 C的供电。当外界大电网出现故障停电或电能质量问题时，微网可通过主断路器切断与电网的联系，孤网运行。此时，微网的负荷全部由 DGS承担，馈线 C继续通过母线得到来自主网的电能并维持正

13、常运行。如果孤网情况下无法保证电能的供需平衡，可以断开馈线 C，停止对非重要负荷供电。当故障消除后，主断路器重新合上，微网重新恢复和主电网功角同步运行，保证系统平稳过渡到孤网前的运行状态。在微网的这种结构下，多个 DGS局部就地向重要负荷提供电能和电压支撑，这在很大程度上减少了直接从大电网买电和电力线传输的负担，并可增强重要负荷抵御来自主网故障影响的能力。此外，在大电网发生故障或其电能质量不符合系统标准的情况下，微网可以以孤网模式进行独立运行，保证微网自身和大电网的正常运行，从而提高供电可靠性和安全性。因此，孤网运行是微网最重要的能力，实现这一性能的关键在于微网与大电网之间的电力电子接口处的控

14、制环节静态开关。该静态开关允许在接口处灵活可控地接受或输送电能。从大电网的角度看，微网如同电网中的发电机或负荷，是一个模块化的整体单元。另一方面，从用户侧看，微网是一个自治运行的电力系统，它可以满足不同用户对电能质量和可靠性的要求6-7。 2 微网的研究现状 2.1 概述随着经济的高速发展和能耗的日益增加，各国的电力工业面临着一系列前所未有的严峻挑战：能源危机、系统老化、污染问题、一次能源匮乏、能源利用率低以及用户对电能质量的要求高等。微网在 DGS的高效应用以及灵活、智能控制方面表现出极大的潜能和优势，成为很多发达国家发展电力行业、解决能源问题的主要战略之一。目前，北美、欧盟、日本等已加快进

15、行微网的研究和调试，并根据各自的能源政策和电力系统的现有状况，提出了具有不同特色的微网概念和发展规划8-10。 2.2 北美的微网研究 CERTS最早提出微网的概念，其也是所有微网概念中最具代表性的一个。CERTS对微网的主要思想和关键技术问题进行了详细地概述，说明 CERTS 16 黄伟等：含分布式发电系统的微网技术研究综述 Vol. 33 No. 9 微网有静态开关和自治微型电源 2个主要部件，并系统阐述了微网的结构、控制方式、继电保护以及经济性评价等相关问题。目前，美国 CERTS微网的初步理论和方法已在美国电力公司 Walnut微网测试基地得到了成功验证。由美国北部电力系统承接的 Ma

16、d River微网是美国第一个微网示范性工程，微网的建模和仿真方法、保护和控制策略以及经济效益在此工程中得到了验证，关于微网的管理条例和法规得到了完善，因此 Mad River微网成为美国微网工程的成功范例。同时美国能源部制订了 “Grid 2030”发展战略，即以微网形式整合和利用微型分布式发电系统的阶段性计划，详细阐述了今后微网的发展规划。此外，加拿大 BC和 Quebec两家水电公司已经开始开展微网示范性工程的建设，测试微网的主动孤网运行状况，旨在通过合理地安置独立发电装置(independent power producer， IPP)改善用户侧供电可靠性。 2.3 欧盟的微网研究从电

17、力市场自身需求、电能安全供给以及环境保护等方面综合考虑，欧洲在 2005年提出了“智能电网”的计划，并在 2006年出台了该计划的技术实现方案。作为欧洲 2020年及后续电力的发展目标，该计划指出未来欧洲电网应具有灵活、可接入、可靠和经济等特点。为此，欧洲提出要充分使用 DGS、智能技术、先进的电力电子技术等实现集中式供电与分布式发电的高效整合，积极鼓励独立运营商和发电商参与电力市场交易，快速推进电网技术的发展。微网必将成为欧洲未来电网发展的重要组成部分。目前，欧盟主要资助和推进“ Microgrids”和 “More Microgrids”2个微网项目，通过拓展和发展微网概念，增加微型发电装

18、置的渗透率，初步形成微网的运行、控制、保护、安全以及通信等基本理论，希腊、德国、西班牙等国家建立了不同规模的微网实验室。德国太阳能研究所建成的微网实验室的规模最大，容量达到 200kVA，该研究所还在其实验平台上设计安装了简单的能量管理系统。欧盟对微网的研究主要集中在可再生微型发电系统的控制策略和微网的规划、多微网管理运行优化工具的研发和技术、商业化规范的制定、示范性微网测试平台的推广、电力系统运行性能的综合评估等，这些可为 DGS和可再生能源系统大规模并入微网以及传统电网向智能电网过渡提供条件。 2.4 日本的微网研究日本根据本国资源日益缺乏、负荷需求增长迅速的发展现状，开展了微网的研究。目

19、前，日本已在国内建立了多个微网工程。近年来，可再生能源和新能源一直是日本电力行业关注的重点之一，新能源与工业技术发展组织大力支持一系列微网示范性工程，并鼓励可再生和分布式发电技术在微网的应用。日本在微网的网架拓扑结构、微网集成控制、热电冷综合利用等方面开展了一系列研究，为 DGS和基于可再生电源的大规模独立系统的应用提供了较为广阔的发展空间。 3 微网的关键技术 3.1 微网的运行微网系统有与外部电网并网运行和孤岛运行 2种运行模式。并网模式是指在正常情况下，微网与常规电网并网运行时向电网提供多余的电能或由电网补充自身发电量的不足。在微网实验平台得到的结果表明：采用合理的控制策略时，微网可以并

20、网或孤网运行，并可实现 2种运行状态的平滑过渡和转换。孤岛运行是指当检测到电网故障或电能质量不满足要求时，微网可以与主网断开形成孤岛模式，由 DGS向微网内的负荷供电。微网的孤网运行为系统提供了更高的供电可靠性和供电不可间断性。采用 PSCAD/EMDTD或 Matlab/Power Simulink等软件建立微网的动态模型，针对电磁暂态特性以及主动和被动隔离情况下的孤网运行状况进行可行性研究，结果表明上述 DGS和储能元件可以确保微网运行模式转化的平滑性，减少孤网运行时的暂态影响，保证功角稳定性和电压质量11-12。 3.2 微网的控制相对主网，微网可作为一个模块化的可控单元，对内部电网提供

21、满足负荷用户需求的电能。实现这些功能必须具有性能良好的微网控制和管理系统，主要控制设备有 DGS控制器、可控负荷管理器、中央能量管理系统、继电保护装置。在运行控制过程中，微网可以基于本地信息对电网中的事件做出快速独立的响应，当网内电压跌落、故障、停电时，微型分布式发电系统应该利用本地信息自动有效地转换到独立运行方式，不再接受传统方式的统一调度。微网控制的主要目标如下： 1）调节微网内的第 33卷第 9期电网技术 17 馈线潮流，对有功和无功功率进行独立解耦控制； 2）调节每个微型电源接口处的电压，保证电压的稳定性；3）孤网运行时，确保每个微型电源能快速响应，并分担用户负荷； 4）根据故障情况或

22、系统需要，平滑自主地与主网分离、并列或实现二者的过渡转化运行。目前，微网的控制方法主要有： 1）基于电力电子技术的即插即用控制(plug and play)和对等(point to point)控制13。该方法根据微网的控制目标，灵活选择与传统发电机相似的下垂特性曲线作为微型电源的控制方式，利用频率有功下垂曲线将系统不平衡的功率动态分配给各机组，保证孤网下微网内的电力供需平衡和频率统一，具有简单、可靠的特点。但是，该方法还没有考虑到系统电压与频率的恢复问题，即传统发电机的二次调频问题。因此，当微网遭受到严重的破坏或干扰时，系统很难保证频率质量。另外，该方法基于电力电子技术对微型分布式发电系统进

23、行控制，没有考虑传统发电机 (如小型燃气轮机、柴油机)与微网的协调控制。 2）基于功率管理系统的控制 14。该方法采用不同的控制模块分别对有功和无功功率进行控制，较好地满足了微网有功和无功功率、电压和频率等多种控制方式的要求，尤其是在调节功率平衡时，可采用频率恢复算法，很好地满足对频率质量的要求。另外，针对微网对无功功率的不同需求，功率管理系统采用了多种控制方法并加入无功补偿器，进而提高了控制的灵活性和控制性能。但该方法尚未考虑含有励磁系统和调速系统的常规发电机与含电力电子接口的 DGS间的协调控制。 3）基于多代理技术的微网控制 15-16。该方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微网控制系

24、统。代理的自治性、响应能力、自发行为等正好满足微网分散控制的需要。采用基于多代理技术的微网控制方法可形成一个能够嵌入各种控制且无需管理者经常参与的系统。典型的自治电力网 (autonomous electricity networks，AEN)3级控制结构及功能如下：1级控制结构保证微网可靠性运行，从而满足供需平衡；2级控制结构优化电能质量，并减少电压和频率波动；3级控制结构的目标是实现经济优化，即边际成本等值优化 17。但目前多代理技术在微网中的应用多集中于对微网中频率、电压等进行控制的层面，要使多代理技术在微网的控制中发挥更大的作用，还需进行大量的研究。未来微网控制系统的研究方向主要集中在

25、以下方面：1）不同微型分布式发电系统的运行和控制，包括间歇式、可控式、常规模式和变流器模式； 2）在独立运行模式与并网运行模式下，微网智能型频率、电压控制策略的可行性研究； 3）微网的分散控制方法以及多分散控制器的协调优化算法，要求每个 DGS根据自己局部的相关信息进行独立的电压调节和频率控制，按照特定的目标函数优化多个分散控制器的性能，使系统的总体性能最优，并满足各种运行环境下对电压和频率控制的要求。 3.3 微网的继电保护微网的保护方式与传统保护方式存在着根本不同：1）潮流的双向流通； 2）在并网和孤网运行情况下的微网，由于其馈线分布着多个 DGS，短路电流的大小有很大不同。因此，如何在

26、2种运行状态下，对微网内部故障做出响应，并在并网情况下快速感知主网故障，同时保证保护的选择性、快速性、可靠性与灵敏性，是微网保护技术的关键和难点。在孤网情况下，微网内分布式电源所能提供的故障电流大小仅为正常电流的 2倍或更小，传统的电流保护装置已不能做出正常响应或需要几十秒才能做出反应，这无法满足微网保护的要求，因此需要采用更先进的故障诊断方式。目前，针对单相接地故障与线间故障，文献18提出了对称电流分量检测的保护策略。该保护策略以超过一定阀值的零序电流分量和负序电流分量作主保护的启动值，并与传统过电流保护相结合，获得了很好的效果。对于微网主动孤网的情况，文献17提出了利用三相电压源变流器进行

27、主动式孤岛检测的技术。利用电压源电流控制器的 d轴分量或 q轴分量向系统注入一个扰动信号来进行检测，通过对 d轴注入信号调节电压的幅值，但是这种方法会使系统产生频率偏移。发电机和负荷的类型和容量、各种类型 DGS (传统小型发电机与基于换流器的微型电源 )、储能元件对保护的影响以及微网在 2种不同运行方式和不同拓扑网架结构下对保护的影响等均是未来微网保护策略中值得研究的问题。 3.4 微网的经济性微网的经济性是推广和发展微网技术的重要依据。在经济性运行方面，微网可以在调度原则、电能交易、资源优化配置等方面参考大电网运行的知识与经验，进行优化设计。更重要的是，微网本18 黄伟等：含分布式发电系统

28、的微网技术研究综述 Vol. 33 No. 9 身具有很多独特的优势，如针对网内不同用户要求，提供不同水平的电能质量和可靠性服务，向外馈送电能甚至提供黑启动等辅助服务等。从目前的研究来看，微网技术的经济性主要体现在以下方面： 1）微网本身的投资与运行优化。微网优化可以通过微网能量管理系统的优化运行来实现。能量管理系统使用局地信息来满足用户侧热、电、冷需求、电能质量标准、主网特殊要求以及需求侧管理要求等，从而确定微网内分布式发电系统的运行模式和配电网所提供的受电量。 2）微网经济效益评估和量化。微网的经济效益评估和量化是微网投资及运行优化的直接表现方式和衡量手段。目前，还没有有效的方法将微网对用

29、户、电力部门及社会的效益全面量化。随着微网研究的不断深入和发展，微网经济量化的不确定性将成为重要的研究课题。 3）微网中新的经济特性。微网的经济最优化问题和传统电网存在着很大的不同，微网中的分布式发电单元、电力电子控制设备和储能元件改变了配电网的网架结构和潮流特性，使微网规划不仅要满足电网规划的要求，还要考虑微网自身的特性。 4 微网的发展方向近几年，微网技术作为一个较前沿的研究领域，以其高可靠性、环保、灵活等特点在欧美发达国家得到了大力发展，我国“ 863”、“973”等国家重点研究发展规划也开始立项，以鼓励和支持各个高校和科研院所在微网技术方面开展研究。未来几年，微网理论及相关技术将会通过

30、示范性工程验证，进而得到广泛实践与应用。今后，微网研究的主要方向如下： 1）微网并网、孤网运行方式的不同以及微网与储能元件的协调控制，使微网内部存在多向、多路径能量流动与传输，因此，需要建立适合该特点的网络结构规划、设计及运行等相关方面的理论。 2）针对含有风电等可再生能源的 DGS，设计实时、灵活的智能化分布式电源控制器和中央管理单元，以使其具有自愈、自治和自组织等复杂功能。另外，根据负荷的要求(敏感性重要负荷和非敏感性负荷)以及电网的运行状况，对控制策略进行优化完善，尤其是不同控制策略的整合、协调和平滑过渡，探索微网合适的运行方式和管理策略。 3）利用神经网络、小波分析、灰色理论以及专家系统预测技术建立微网内部随机负荷模型，根据主网的调度计划