分布式智能微網技術及其應用研究

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摘要：隨著社會的發展，傳統的大型電網系統的弊端逐漸凸顯。作為未來一種重要的電能生產方式，分布式智能微網技術將改變電力系統在中低壓層面的結構與運行方式。本文從分布式發電、智能配電網、微型電網三個方面介紹了分布式智能微網的概況，對相關關鍵技術進行了分析，提出了現階段該技術四個可能的應用領域，對該技術的發展進行了進一步展望。

關鍵詞：智能配電網；分布式發電；孤島運行；微型電網

0 引言

隨著社會的發展，人們對電力供應的質量及其安全可靠性的要求越來越高，傳統的大型互聯電力系統大電網供電方式由于局部事故易擴散、集中式大電網不能靈活跟蹤電力負荷的變化等不足，以及在一些特殊地域不便架設電網等缺陷無法滿足人們的需求。在這種情況下，分布式智能微網系統（distributed smart micro grid system，DSMS）被世界上很多能源電力專家認為是能夠節省投資、降低能耗、提高系統安全性和靈活性的主要方法，是21世紀電力工業的發展方向[1]。

作為未來一種重要的電能生產方式，綜合了分布式發電技術、微網技術和智能配電網的分布式智能微網技術將改變未來電力系統在中低壓層面的結構與運行方式。這種方式以智能配電網為平臺，整合了分布式發電技術與微網技術，發揮它們各自的技術優勢，在實現電力系統的安全、可靠與高效運行的同時，提高了能源利用率，降低了成本。

1 分布式智能微網技術概況

分布式智能微網技術綜合集成了分布式發電技術、智能配電網技術，以及微網技術，本質上是實現自發自用、區域互聯的功能，下面將從這三個方面介紹分布式智能微網的概況。

1.1 分布式發電

隨著世界經濟的飛速發展和人口的持續增長，能源問題愈來愈成為世界各國面臨的一個嚴峻挑戰。隨著包括風電、光伏等可再生能源和高效清潔的化石燃料在內的新型發電技術的逐漸成熟，使得應用這些能源的分布式發電系統（distributed generation system，DGS）日漸成為滿足負荷增長需求、減少環境污染、提高能源綜合利用效率和供電可靠性的一種有效途徑[2]。DGS 具有投資少、發電方式靈活、可與環境兼容等優點，在配電網中得到廣泛的應用。但是，一些可再生能源間歇性和隨機性等特點，使得這些電源僅依靠自身的調節能力難以滿足負荷的功率平衡，為順利實現功能，通常還需要其他內部或外部電源的配合。目前，比較成熟的分布式發電技術主要有風力發電、光伏發電、燃料電池和微型燃氣輪機等幾種形式。

如圖1所示，分布式發電系統通常包括能量轉換裝置（即分布式電源）及控制系統，并通過電氣接口與外部電網相連。通過能量裝換裝置將自然能源（風能、太陽能、潮汐能等）轉化為電能，通過電氣接口將電能傳輸到外部電網中，整個過程在控制系統的監控下有序進行。

1.2 智能配電網

智能配電網（smart grid，SG）指一個完全自動化的供電網絡，其中的每一個用戶和節點都得到實時監控，并保證從電源到負載之間的每一點上的電流和信息的雙向流動。智能電網涉及發電、輸電、變電、配電、用電以及調度等6個環節，通過廣泛應用的分布式智能和寬帶通信，以及自動控制系統的集成，保證電力市場交易的實時進行和電網上各成員之間的無縫連接及實時互動，通過對信息進行整合分析，解決大量分散的分布式電源在配電網中的運行問題，實現降低成本，提高效率，提高整個電網的可靠性的目的，使電網的運行和管理達到最優化。

與發達國家相比，我國智能電網發展較為滯后，還沒有從國家層面制定智能電網的發展戰略，但一些研究成果已經為發展智能電網奠定了一定的基礎。2009年2月華北電網穩態、動態、暫態三位一體安全防御及全過程發電控制系統在京通過專家組驗收[3]。該系統首次將以往分散的能量管理系統、電網廣域動態監測系統、在線穩定分析預警系統高度集成，調度人員無需在不同系統和平臺間頻繁切換，便可實現對電網綜合運行情況的全景監視并獲取輔助決策支持。

1.3 微型電網

微型電網（micro grid，MG）是一個完備的小型電力系統，由分布式電源、負載、控制單元和保護單元等組成。微型電網一般有兩種運行狀態，與主網連接時稱為“聯網運行”狀態，與主網跳開后獨立運行時稱為“孤島運行”狀態。如圖2中虛線框內所示，在圖2中，主隔離設備閉合時，微網處于聯網運行狀態，主隔離設備斷開時，微網則進入孤島運行狀態。

美國能源部將微型電網視為未來電力系統的三大基礎技術之一，并列入美國“ Grid 2030——電力下一個百年的國家展望”計劃中[4]。該計劃于2003年7月提出，是美國電力改革的綱領性文件，主要對美國未來電力系統進行展望，并確定各項研究開發工作的階段性目標，微型電網將成為美國未來配電網的重要組成部分。

2 關鍵技術

2.1 高效大功率儲能技術

在DSMS中，風電、光伏發電等可再生分布式電源的輸出功率，受自然環境制約，具有間歇性、隨機性的特點，再加上負載的擾動，使潮流大小和方向不斷變化，從而導致電網電壓質量下降、電網穩定性變差和供電可靠性降低等問題。具有快速功率調節能力的儲能裝置為解決這些問題，提供了一種可行的方案，成為DSMS必不可少的部分?，F階段DSMS中可利用的儲能裝置很多，主要包括超級電容器儲能、超導儲能、蓄電池儲能和飛輪儲能等。

儲能裝置作為微電網安全穩定運行必不可少的部分，其作用主要體現在：提供短時供電、用于能量緩沖和改善電能質量等方面。主要表現為，當DSMS中出現瞬時或短時的功率不平衡現象時，快速吸收剩余功率或注入功率缺額，從而實現模式間的無縫切換，提高系統的穩定性，為重要負荷提供優質的電能，保持不間斷供電[5]。

2.2 高效的電力計量技術

智能化電網需要電力調度機構（設備）了解得知用戶的用電規律，從而在需求和供應更好地實現平衡。由智能電表以及連接它們的通信系統組成的高效電力計量系統能夠實現對諸如遠程監測、分時電價和用戶端管理等的更快和準確的系統響應。作為美國 Intelligrid 項目的重要研究內容之一，用戶門戶（customer portal）技術研究致力于設計與目前用戶使用的提供“非能源服務”的協議相連接的接口。

分布式發電應用不同的能源進行發電，各種能源的成本、損耗等情況差別較大，一些能源（如風能、太陽能）等的季節性、地域性差異較大。如何根據實際情況，制定合理的電價方案，平衡投資與收益，使得DSMS用戶、投資方、服務商等相關方都能接受，成為需要進行深入研究與突破的重要問題。

2.3 電力智能調度與防護技術

電網的本質是發電與用電的平衡，智能調度是未來電網發展的必然趨勢，調度的智能化是指運用先進傳感技術、智能控制技術等，對現有電網調度控制中心（設備）進行的重大擴展[5]，從而真正實現物理、信息與應用系統的融合互動。調度智能化的最終目標是建立一個基于廣域同步信息的網絡保護和緊急控制一體化的新理論與新技術，協調電力系統元件保護和控制、區域穩定控制系統、緊急控制系統、解列控制系統和恢復控制系統等具有多道安全防線的綜合防御體系[6]。智能化調度的核心是在線實時決策指揮，目標是災變防治，實現大面積連鎖故障的預防。

此外還包括應急指揮系統以及高級的配電自動化等相關技術，其中高級的配電自動化包含系統的監視與控制、配電系統管理功能和與用戶的實時交互等功能（如負荷管理、計量和實時定價）[3]。

3 應用前景

相對于傳統的大功率傳輸電網，分布式智能微網技術具有發電方式靈活、環境兼容性好、收益投資比較高等原因，在一些不便架設電網的特殊地域或場所具有廣闊的應用前景。

3.1 離岸船舶及海洋工程平臺

船舶（海洋工程）電網是全部電纜電線和配電裝置以一定方式連接起來的組合體，是聯系電能的生產者（各種電源）和電能的消費者（各種用電設備）的中間環節，擔負分配和輸送電能的任務。船舶電網系統的特點是系統容量較小，電氣設備比較集中，電網較小，電氣設備工作條件惡劣。

船舶電站是由原動機、發電機和附屬設備（組合成發電機組）及配電板組成的，是船舶電網中提供電能的裝置。為使船舶在各種不同工況下，如航行、作業、停泊、應急等情況下，都能連續、可靠、經濟、合理地進行供電，船舶上常配置主電站、停泊電站、應急電站、特殊電站。船舶航行的海域，以及海洋平臺作業的海域常具有豐富的風能資源，是分布式智能微網技術實際應用的重要場合。

圖3 分布式智能微網技術在船舶和海洋工程平臺上的應用

3.2 西北部牧區

我國新疆、青海、西藏、內蒙古等西、北部廣大牧區有不少牧民采用游牧的方式進行生產活動。他們隨水草遷徙，居無定所，四海為家。由于距離遠，消費者少，耗電量小等原因，在這些區域不適合架設大規模電力網絡。然而這些地區普遍具有豐富的風能和太陽能，通過應用分布式智能微網技術，以較少的投入就能夠滿足大多數牧民日常生活對電力的需求，是新型電力技術應用的重要領域。

3.3 遠離大陸的海島

為了有效維護海洋權益，我國近年來在南沙群島大興土木進行吹沙填海造島工程，計劃以這些海島為支撐點，建成軍民兩用的南海資源管理體系，切實行使國家主權。為便于島上官兵和人民的生活，島上必將建設電網，然而這些海島距離大陸距離太遠，相互距離也很遠，鋪設電纜將面臨成本高、建設周期長、安全性不足，用電量較少等問題。然而，這些海島上豐富的風能資源、太陽能資源、周圍海域的油氣資源為分布式智能微網技術的應用提供了廣闊的發展空間。

3.4 地震、暴風雪、洪水、颶風、恐怖襲擊、戰爭等意外區域

近幾十年來，我國進入地震頻發期，隨著社會經濟的持續快速發展、城市化進程的加速，城鎮人口密度加大、建筑物抗震能力普遍偏低的現狀將長期存在，防震減災形勢不容樂觀。2008年5月12日我國發生了震驚世界的汶川大地震，震區電網受損嚴重，影響了搶險救援工作的開展。此次災害提醒我們：完善電力應急保障機制，加強電力系統抗災能力建設以最大限度地減少自然災害造成的損失，是我們面對的重要研究課題。利用微型電網能夠獨立組網、自治運行的特點，在負荷中心建立微型電網模式的新型終端電網，所有負荷可以由就地分布式電源分擔[5]，將就地電源和負荷結合起來進行協調控制，是近年來關于分布式發電并網的一種新思路。這使微型電網在大電網崩潰或發生地震、暴風雪、洪水、颶風、恐怖襲擊、戰爭等意外災害情況下能夠維持對重要用戶的供電，從而避免大面積停電帶來的嚴重后果。

4 結語

分布式智能微網技術是未來一種重要的電能生產方式，它綜合了分布式發電技術、微網技術和智能配電網技術，將改變未來電力系統在中低壓層面的結構與運行方式。相對于傳統的大功率傳輸電網，分布式智能微網技術具有發電方式靈活、環境兼容性好、收益投資比較高等優點，現階段在牧區、災區、遠離大陸的海島、船舶與海洋工程鉆井平臺及災區等不便架設傳統大型輸電網的地區和場所具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]趙宏偉，吳濤濤.基于分布式電源的微網技術[J].電力系統及其自動化學報，2008（1）：121-128

[2]黃偉，孫昶輝，吳子平，張建華.含分布式發電系統的微網技術研究綜述[J].電網技術，2009（7）14-18

[3]魯鴻毅，應鑫龍，何奔騰.微型電網聯網和孤島運行控制方式初探[J].電力系統保護與控制，2009（11）28-31

[4]伍磊，袁越，季侃，顧欣欣.微型電網及其在防震減災中的應用[J].電網技術，2008（16）32-36

[5]劉寶泉，王先為，周運劍，卓放.微型電網中蓄電池儲能系統的控制策略[J].電子電力技術，2012（6）1-3

[6]嚴俊，趙立飛.儲能技術在分布式發電中的應用[J]安徽電力，2006（3）：55-57

作者簡介：

吳小東（1983-8），男，國網甘肅省電力公司武威供電公司，畢業于東北電力大學電氣工程及其自動化專業。