分布式能源與微網技術發展研究

曾樂才

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070）

我國可再生能源發展“十二五”規劃要新增發電裝機160GW，到2015年可再生能源發電量要達到20%，新能源大發展引發能源體系的根本性變革，分布式能源（Distributed Energy，DE）成為新能源技術領域的一個重要方向［1］，與之適應的智能電網及微網技術也將得到快速發展。

1 DE及其特點與優勢

1.1 DE系統的概念

傳統的集中式供能系統采用大容量設備、集中生產，然后通過專門的輸送設施（大電網、大熱網等）將各種能量輸送到較大范圍的眾多用戶。由美國于20世紀70年代最先提出的分布式供電概念是指將容量在幾千瓦到50MW的小規模發電系統以分散式的方式布置在用戶附近，可獨立地輸出電、熱或（和）冷能的系統。美國國家可再生能源實驗室目前對DE的定義如下：各種小型化、模塊化的發電技術，可以結合負載管理以及能源貯存系統，以提高電力供應的質量或可靠性。它們是“分布式”，因為它們就近安置在能量消耗處附近［2］。

廣義的DE則是直接面向用戶，按用戶的需求就地生產并供應能量，具有多種功能，可滿足多重目標的中小型能源轉換利用系統，見圖1。DE有時也被稱為分布式發電、現場發電、分散發電、嵌入式發電、分散式發電、分散式能源等［3］。目前隨著DE的發展，為系統提供能源的裝置已不再局限于燃氣輪機，它可以是內燃機、太陽能光伏或光熱系統、風力發電裝置、生物質能、地熱能等及其組合，與之相對應的系統形態也從微電網進一步向綜合能源網發展。

圖1 DE系統示意圖

1.2 DE的主要特點與優勢

DE的主要特點包括：① 直接面向當地用戶的需求，布置在用戶附近，簡化能源的輸送環節；② 系統受用戶需求的制約，相對于傳統的集中式供能系統而言均為中、小容量；③ 隨著新能源等技術的發展和成熟，可供集成的技術也日益增多；④通過選擇合適的技術，進行系統優化和整合，可以更好地同時滿足用戶的多種要求，實現多個功能目標。

DE系統在節省輸變電投資、提高供電可靠性、滿足特殊需求、節能環保、能源綜合梯級利用、可再生能源利用途徑等方面具有明顯的優勢［4］：① 分布式發電裝置直接安置于用戶近旁，由于輸電距離短，輸配電損耗很低，無需建設配電站，可避免或延緩增加輸配電成本。②DE系統的動力裝置相互獨立，用戶可自行控制，并與大電網并聯運行，可有效提高整個能源電力系統的運行可靠性；而且一旦電網發生故障，DE系統可基本保證用戶的供電不受影響。而當DE系統自身不能正常運行時，電網可以提供保障，維持重要用戶的供電。③ 滿足特殊用戶的能源需求，如無法架設電網的邊遠地區或分散用戶，供電安全穩定性要求較高的醫院、銀行等特殊用戶，能源需求較為多樣化的用戶等。④DE系統可以利用化石燃料能量轉化過程中產生的大量余熱，降低能耗；系統輸變電需求減少也相應地降低了電磁污染和噪聲污染。⑤ 當用戶不僅需要電力，還需要冷能和熱能時，DE系統可在所需范圍內實現熱、電、冷三聯產，既克服了冷能和熱能無法遠距離傳輸的困難，又為能源的綜合梯級利用提供了可能，具有較高的能源利用率。⑥ 可再生能源能流密度相對較低、分散性強，DE系統為可再生能源的利用和發展創造了條件。

2 智能微網是DE實現的主要技術形態

2.1 DE與微網

傳統電網發電側可控、按需發電、即發即用，而可再生能源具有間歇式、波動幅度大、難準確預測等特點，需按資源發電。智能電網的發展為新能源的接入提供了一個有效的途徑。通過智能電網聯結發電與用戶。智能電網一般包括智能輸電網與配電網，微網技術及相關的儲能技術、智能技術是構建智能電網的關鍵技術［5］。

微電網由一組本地發電、儲能裝置和負荷構成。運行時通常連接到一個集中式大電網。微電網可以在唯一公共連接點處與大電網斷開而獨立運作。在微電網內部，發電裝置和負載通常以低電壓方式進行聯結，微電網覆蓋半徑一般不超過30～50km。對于電網運營商而言，連接的微電網是可控的整體。微網的運行主要涉及3個層次：配網級、微網、微源及負荷等單元，如圖2所示。它與帶有負荷的分布式發電系統的本質區別在于它同時具有并網和獨立運行能力［6］。

圖2 微網體系結構

微網是DE實現的技術形態，微網的高級形式是公用微網。在公用微網中，凡是滿足一定技術條件的分布式電源和微網都可以接入，它根據用戶對可靠性的要求進行負荷分級，緊急情況下首先保證高優先級負荷的供電。從本質上講，公用微網已經具備了智能配電網的雛形。

智能微電網即微網的智能化，是現代化、大型集中式的電力系統的小規模版本［5］。

2.2 微網技術發展面臨的挑戰

微網的最終目標是實現各種分布式電源的無縫接入。一般而言，大量的分布式電源通過微網接入到配電網中必將產生深遠的影響，為此，需要解決微網運行特性及與外部電網相互作用的機理、微網自身的保護與控制及微網經濟運行、能量優化管理等方面一系列復雜問題，具體包括以下內容。

（1）在可靠性與穩定性方面，微網作為可輸入、輸出功率的特殊電源分布于配電網中，微網間的相互影響將進而影響配電網運行的可靠性。揭示微網與微網、微網與配電網相互作用的機理是提高配電網運行安全性和穩定性的前提，需要探討新的穩定性分析理論與方法。

（2）在規劃設計方面，需考慮分布式電源、微網結構、微網接入位置以及配電網綜合優化等一系列新問題，要綜合考慮網絡中的冷、熱電負荷的需求，體現規劃工作的科學性和前瞻性。

（3）在系統控制方面，分布式電源大多通過電力電子逆變器并網，沒有自同步性；微網及配電網中的負荷波動對電源輸出影響較大；分布式電源的多樣性、間歇性與隨機性增加了電壓與頻率控制的難度，而實現多微網的協調控制則更加困難；此外，電能質量也是需要關注的問題。

（4）在系統保護方面，由于微網的潮流具有雙向性，在發生故障時首先保證整個系統的安全性和穩定性，而當配電網故障或非正常運行時，使分布式電源和微網得到保護，能夠做到不拒動、不誤動、快速反應和有選擇性。此外，不同的分布式發電技術可能對故障電流和保護判據有所不同，系統故障時的網絡重構也要求保護裝置具有自適應的整定功能。

（5）在調度運行方面，由于其復雜性，微網的有效調度與管理必須借助輔助工具，首先需要對微網建模、進行仿真，實現快速系統孤島保護與網絡重構算法，克服高滲透率下可再生能源的間歇性與隨機性對運行造成的影響，保證在故障及極端天氣條件下系統運行的安全性和穩定性。

2.3 微網發展路線

發展可再生能源是國家能源戰略之一。微網是接納可再生能源的有效載體，微網技術研究是應對分布式發電大規模接入的必然選擇。根據我國微網發展路線圖，近階段的主要目標是建立微網示范，完善關鍵技術，為進一步成為DE滲透的主要載體及智能電網的重要配電網模式進而實現大規模商業化運行奠定基礎。圖3為我國微網發展路線圖。

圖3 我國微網發展路線圖

3 微網關鍵技術

3.1 微網核心技術體系

微網包括發電、傳輸、存儲、分配和用電全過程，具有內部分布式電源種類和并網形式多樣、網形式多樣、獨立運行和聯網運行兩種模式等特點［7］。微網核心技術體系包括DE、并網與保護、儲能技術、信息與通信、優化控制與能量管理等，如圖4所示。具體關鍵技術、支撐系統與關鍵裝備如表1所示。

圖4 微網核心技術體系

表1 微網核心技術體系

3.2 并網與保護技術

并網等電力電子技術是各類可再生能源開發和分布式發電發展的關鍵技術之一［8］，需要根據微網的特殊需求研究適用的電力電子技術，并研制并網逆變器、靜態開關等一些新型的電能質量控制設備。

變換器具有響應速度快、慣性小、過流能力弱等特性，在微網中需要具備一些特殊控制功能，如有功－頻率下垂控制功能和電壓－無功下垂控制功能。太陽能、風能這些隨機性能源單元的接入將影響系統電能質量，如電壓波形、頻率以及功率因數，而且電子負載易受暫態、跌落、諧波、瞬間中斷及其他擾動的影響，因此保障電能質量相關的關鍵設備，如有源電力濾波器、動態電壓調節器、靜止無功發生器等的研發變得更為重要。

為保障微網平穩運行，需要完善監測系統，完善數據采集和處理技術，建立智能預警，實現微網保護及故障快速定位、隔離和恢復與網絡重構等。微網除過壓及欠壓保護外，需針對分布式電源制定包括反孤島和低頻保護等特殊功能。由于微網系統中潮流的雙向流通，且隨著系統結構和所連接的微電源單元數量的不同，故障電流級別差別很大，需要研發適應微網保護模式的檢測與控制系統。靜態開關置于連接微網與主網間的公共連接點處，在發生一些主網故障或電能質量事件時，靜態開關自動將微網切換到孤島運行狀態，并根據變化情況在滿足連接標準時自動恢復與主網的連接。

3.3 微網儲能技術

由于微網承受擾動的能力相對較弱，特別是在DE單元的滲透率較高的情況下，儲能系統的應用對平抑可再生能源和負荷需求的波動、維護系統的穩定運行有著重要的作用。

儲電技術包括機械儲能、電磁儲能與電化學儲能。由于儲能電池易規模制造、易安裝，適合再生能源并網與智能微網。在各種化學電池中，鋰離子電池、鎳氫電池、鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池技術相對成熟，其中鋰電池綜合性能好，生產已自動化，應用明顯增多，而液流電池則在大規模應用領域具有優勢與應用前景。儲能技術進入規模應用要求系統效率高、循環壽命長，并具備經濟性。美國儲能規劃主要技術指標見表2。根據美國儲能規劃［9］，5a內（近期）每千瓦時單次儲能循環成本要低于20美分，遠期目標要低于10美分。

表2 美國儲能規劃主要技術指標

美國近期規劃研發內容包括：確保有前景的新技術能進入研究和驗證的渠道；聚焦系統集成所需部件及設備水準；測試技術能確保設備可靠性得以提升，并在公用事業領域進入示范應用；與相關機構、大學合作探索發現新材料和化學物質；研發新的儲能技術，開發優化液流、鈉鹽、鉛碳、鋰離子電池，開發和優化電源技術。遠期研發內容主要包括：選擇有前景的技術，渠道暢通，推動創新；保持在研究階段確定的有前景技術的發展勢頭；在已發現的材料和化學物質的基礎上開發新技術，開發和優化電源技術。

儲熱（冷）主要利用物質的顯熱、相變潛熱或熱化學方法。顯熱儲熱依靠材料自身溫度變化進行熱量傳遞，易于建造與維護，但儲熱密度相對較小，放熱過程溫度變化較大，總體效率較低。需要進一步研究的問題包括固態顯熱材料的熱物理特性、熔鹽換熱流體的腐蝕性、高溫凝結等。熱化學儲熱是利用物質的可逆吸、放熱化學反應進行熱量的存儲與釋放，適用的溫度范圍比較寬，儲熱密度大，但工藝復雜，技術尚未成熟。相變儲熱材料儲熱密度大，放熱過程近似等溫，有利于設備的緊湊和微型化，但是相變材料的腐蝕性、與結構材料的兼容性、相變材料的熱化學穩定性、循環使用壽命等都需要進一步研究。復合結構儲熱材料可以結合顯熱與潛熱儲熱材料的優點，通過復合體的結構定型、相變材料的微封裝防腐、材料的導熱強化，達到儲熱材料的結構特性、導熱性能、儲熱性能的良好平衡［10］。

3.4 微網信息與通信技術

微網的運行需要采用先進的傳感技術、通信技術、計算機技術，實現復雜的信息交互關系［11］，如圖5所示。在采集不同特性的DE單元信息的基礎上，通過配網級、微網級、單元級各控制器間的通信來實現。

圖5 微網信息交互關系

寬帶電力線（Broadband over Power Lines，BPL）技術是利用現有交流配電網的中、低壓電力線路，傳輸和接入因特網的寬帶數據業務，是一種連接到家庭的寬帶接入技術。目前，該技術發展迅速，與無線傳感技術一起有可能成為未來智能微網通信中的重要技術方式。

在微網的運行控制與能量管理過程中，以電力電子器件為接口的DE單元對通信技術的可靠性和速度提出了更高的要求。在響應特性不同的設備間建立連接成為網關技術面臨的挑戰。對低消耗、高性能、標準型網關的需求和通信協議的標準化是能量管理系統開發中的一個重要組成部分。此外，通信技術還直接關系到微網能否提供更快的輔助服務。

3.5 微網運行控制與能量優化管理

微網系統承受擾動的能力相對較弱，尤其是在孤島運行模式下，考慮到風能、太陽能資源的隨機性，系統的安全性可能面臨更高的風險，因此系統運行的有效控制尤為重要。微網的正常運行需要實現3個層次控制系統間的協調合作（見圖6）。微網中央控制器（Microgrid Central Controller，MCC）是主網與微網間的接口，一方面與上層配電網控制器（Distribution Network Operator，DNO）及市場控制器（Market Operator，MO）交互信息，一方面與下層各就地控制器（Local Controllers，LCs）交互信息。根據MCC和LCs決策方式的不同，系統的控制可采用集中式和分散式2種控制方式。集中式控制由微網中央控制器協調整個層次控制系統，包含經濟調度等功能，目標是通過優化各DE單元的發電量及與主網間的功率交換，使微網得到最大化利用。分散式控制是要最大程度地實現微網內DE單元和負荷的自治，各LCs在搜集本地信息并與其他控制器、上層控制器交互信息的基礎上，各自進行就地決策，多代理系統移動代理服務器（Mobile Agent Server，MAS）是開發分散式微網控制的一個主要候選系統。

圖6 微網運行控制系統

為確保微網的安全、穩定、可靠及高效經濟運行，需要針對微網的運行方式、所采取的電力市場和能源政策、系統DE單元的類型和滲透率、負荷特性和電能質量的約束，對微網系統內部各DE單元間、單個微網與主網間、多個微網間的運行調度和能量優化管理研究制定出合理的控制策略。微網運行控制與能量優化管理應具備如下功能：為每個DE單元控制器提供功率和電壓設定點；確保滿足熱電負荷需求；確保微網能滿足與主網間的運行合同；使運行成本與系統網損最小，使DE單元的運行效率最高；提供微網故障情況下孤島運行與重合閘的邏輯控制方法。

當微網由并網轉為孤島運行時，存在電壓和頻率的管理、能量供需間的平衡、電能質量等問題。相關控制技術包括：遵循對等和即插即用原則，采用單元功率控制模式與饋線潮流控制模式相結合的自主控制；基于低壓配電網的阻性特性，通過控制有功輸出調節電壓，控制無功輸出調節頻率的反向下垂控制；儲能裝置作為負荷跟蹤單元，其他微電源采用恒功率控制的多代理控制模式；儲能裝置和所有的微電源一起參與調節的純下垂控制；單／多個主逆變器模式控制；儲能裝置以同步電動機運行模式執行二次控制的基本能源控制。其中，基于電力電子技術的“即插即用”與“對等”的控制思想是根據微電網控制要求，靈活選擇與傳統發電機相類似的下垂特性曲線進行控制，將系統的不平衡功率動態分配給各機組承擔，具有簡單、可靠、易于實現等特點。但該方法僅針對基于電力電子技術的微電源間的控制，未考慮電壓和頻率的恢復問題。基于功率管理系統的控制采用不同控制模塊對有功、無功分別控制，很好地滿足了微電網多種控制的要求，尤其在調節功率平衡時，加入了頻率恢復算法，能夠很好地滿足頻率質量的要求。基于多代理技術的微電網控制方法將傳統電力系統中的多代理技術應用于微電網控制系統，提供了一個既能夠嵌入各種控制性能，又無需管理者經常出現的系統。電能質量和穩定性、儲能裝置的容量、對通信網絡的要求、微電源的類型及微網的所有權等因素都影響孤島運行策略的選擇。

在不允許微網向主網提供能量的情況下，微網作為負荷形式，可以調節負荷量和功率因數；在允許微網向主網提供能量時，可參與電力市場實時頻率穩定調節、功率平衡（負荷跟蹤）、電壓穩定調節、長、短期各種備用能力、黑啟動、網絡穩定性等。微網作為一種特殊的DE系統，在主網系統發生故障、引起電壓或頻率偏移時，可以充分利用其特性對解決故障問題提供多方面的支持。

對微網進行仿真研究，能夠預先校驗策略的合理性，以確保系統實際運行時的安全、穩定及可靠等，這需要對種類繁多、特性各異的DE單元、相關單元級控制器與系統級控制器及管理系統進行建模，建立系統整體運行控制和能量優化管理模型。微網系統級運行還需要開發各DE單元間的協調、系統的集成運行相應的控制及能量優化管理軟件，如短期／超短期能量預測和負荷需求預測、機組組合、經濟調度、實時管理等應用軟件。其中，電力電子變換器的控制是微網系統動態運行過程中需重點考慮的一個問題。此外，系統單／三相、電路線制、單／多點接地可能導致系統不對稱，需要進行系統穩態和動態仿真分析，如潮流分析、動態電壓控制、系統不平衡、不對稱的預測和評估、不同組成單元的動態交互及對系統穩定性的影響等。

微網系統的優化設計需要根據微網系統安置處的負荷和可利用能源的情況，考慮設備的響應特性、效率、安裝費用以及控制方法等，優化確定網絡結構及DE單元參數，提高整個系統的可靠性、安全性和經濟性。在系統各單元優化配置的基礎上，可進一步確定微網與主網間的能量交換合同及運行計劃。

3.6 微網相關前瞻性技術

為充分發揮微網的技術經濟潛力，提高微網的技術性能、拓展微網的應用空間，有必要研究前瞻性技術在微網中的應用及微網的前瞻性外延作用。

正在研發的電氣工程及其他領域的前沿性技術，在微網中新的應用模式和技術包括：新型微源及其綜合應用，網絡拓撲及供電形式多樣化，超導技術。微網自身對于大電網，或對電網之外的其他領域產生技術經濟性能影響的新應用模式和技術包括：可融入智能電網體系的智能微網，微網對電力市場的要求及其促進作用，微網對電網安全防御的地位及作用，微網改善能源結構、促進低碳經濟發展。

4 結 語

由于能應對新能源大發展，DE技術成為新能源技術發展的一個必然選擇，微網是DE實現的技術形態，儲能技術、優化控制與能量管理技術是構建智能微網的關鍵技術。

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