智能微電網研究綜述

劉文洲，李 寧，西燈考，劉 巡，邸學春

(1.長春工程學院電氣與信息工程學院，長春130012； 2.長春工業大學電氣與電子工程學院，長春130012；3.國網遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 綏中 125204)

智能微電網研究綜述

劉文洲1，李 寧2，西燈考2，劉 巡2，邸學春3

(1.長春工程學院電氣與信息工程學院，長春130012； 2.長春工業大學電氣與電子工程學院，長春130012；3.國網遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 綏中 125204)

隨著人們對能源危機和環境污染問題的關注，智能微電網作為多種清潔能源的載體，得到國家政策的支持，正在快速發展。介紹了智能微電網的發展由來，從分布式發電到微電網，最后到智能微電網。闡述了歐美及我國智能微電網的定義、特征、結構、分類，分析了智能微電網的關鍵技術:控制、保護、能量管理。結論部分給出了我國智能微電網關鍵技術未來的發展趨勢，為后續研究提供參考。

分布式發電；微電網；智能電網；智能微電網

0 引言

隨著社會經濟的迅猛發展，工業生產及居民生活對電力的需求量越來越大。而集中發電、遠距離高壓輸電的大規模電力系統，隨著電網規模的擴大，其弊端也日益凸顯，成本高、運行難度大，難以滿足用戶越來越高的可靠性及多樣化的用電需求。同時，能源危機、環境污染的問題已經成為世界關注的焦點。為了解決這些問題，國內外學者開始了對分布式發電的研究。

分布式發電供能是指利用各種可用的分散存在的能源，包括可再生能源(如小型風能、太陽能、生物質能、小型水能、潮汐能等)和本地可方便獲取的化石類燃料(主要指天然氣)進行發電。分布式發電系統既可發電，也可供冷、供熱，是一種高效的能源利用方式。[1]分布式發電具有能源利用效率高、污染小、安裝位置靈活、減少輸變電設備投入、降低尖峰負荷對電力系統的壓力等優點。但是分布式電源相對于大電網來說是一個不可控電源，給電力系統的穩定運行增加了不確定因素。

為了協調分布式發電與大電網之間的矛盾，并使分布式發電得到充分利用，微電網應運而生。歐美日等許多國家開展了對微電網的研究，基于各國的實際情況提出了自己的微電網概念和發展目標。經過10余年的努力研究，微電網在理論和實際應用上都取得了豐碩的成果[2-6]，并逐漸向智能化方向發展，即智能微電網。

1 智能微電網的概念及特征

1.1 微電網的概念

美國最早提出微電網的概念，隨后歐盟、日本、中國等國根據本國實際情況提出了不同的微電網概念。

我國將微電網定義為：以分布式發電技術為基礎，依靠分散型資源或用戶的小型電站為主，結合終端用戶電能質量管理和能量梯度級利用技術形成小型模塊化、分散式供電網絡[7]。

盡管各國對微電網的定義有所不同，但國際上對微電網的基本共識是：微電網是由各種分布式電源、儲能單元、負荷以及監控和保護裝置組成的集合；具有靈活的運行方式和可調度性，能在并網運行和孤島(自主)運行兩種模式間切換；通過相關控制裝置間的協調配合，可同時向用戶提供電能和熱能；根據實際情況，系統容量一般為數千W至數兆W，通常接在配電網中[8]。

1.2 微電網的結構

1.2.1 美國微電網結構

圖1是美國電力可靠性技術解決方案協會(CERTS)提出的微電網基本結構[9]。該系統由3條饋線組成：其中兩條饋線接有DG單元，且可孤島運行；第3條饋線仍與公共電網相連，但是在靜態開關處于閉合狀態且不向公共電網輸出電能的時候，該饋線可接收由微電源所生產的電能。CERTS微電網結構中包含兩個核心組件：靜態開關和自主控制的分布式電源。

圖1 CERTS的微網結構

1.2.2 歐盟微電網結構

圖2為歐盟微電網的結構圖，該系統中微網中央控制器(MGCC)是運行的核心，其與微電源、負荷相連接，通過向單元級的微電源控制器(MC)和負荷控制器(LC)提供設定值或監管協調單元級控制器的就地控制來控制微電源和負荷的運行。

1.2.3 中國微電網結構

中國微電網的研究工作是按照CERTS的理念，主要針對分布電源的聯網及其對配電網的影響展開的。圖3是合肥工業大學建設的多能源發電微電網實驗平臺結構圖，該系統包括三相光伏發電系統、三相風力發電系統、燃料電池發電系統、儲能蓄電池組、超級電容器組、小水力發電機組、火力發電機組以及各類負載。該微電網采用分層控制結構，系統控制器包括一個微網中心控制器和兩個本地控制器。[10]

圖2 歐盟的微電網結構

圖3 合肥工業大學微電網實驗平臺結構圖

1.3 智能電網的概念及特點

智能電網就是電網的智能化，是指一個完全自動化的供電網絡,它是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，利用傳感器對發電、輸電、配電、供電等關鍵設備的運行狀況進行實時監控，并保證從發電廠到用戶端電器之間的每一點上的電流和信息的雙向流動，然后把獲得的數據通過網絡系統進行收集、整合，從而實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好，使運行和管理達到最優化。

智能電網的特點是：1)自愈，實現電網安全可靠運行；2)安全，能抵御自然災害、外力破壞和計算機遭到攻擊等對電力系統的傷害；3)兼容，既支持大電源的集中接入也支持分布式電源的接入；4)交互，電網運行與用戶設備行為進行交互；5)經濟高效，區域協調調度，提高利用率，優化電力系統運行。

1.4 智能微電網的概念及其優點

基于微電網的概念、智能電網的要求，發展形成了智能微電網。同微電網一樣，國際上對智能微電網的定義也有所不同。Galvin Electricity Initiative認為智能微電網是大型電力系統的現代化、小型化的形式,能夠提供更高的供電可靠性,更容易滿足用戶增長的需求,最大可能地利用清潔能源和促進技術的創新[11]。Valence Energy認為智能微電網是多種能源發電設備和終端用戶設備的智能優化和管理,能夠在實現持續發展目標的同時最大化投資效益[12]。中國學者認為智能微電網即微電網的智能化,通過采用先進的電力技術、通信技術、計算機技術和控制技術在實現微電網現有功能的基礎上,滿足微電網對未來電力、能源、環境和經濟的更高發展需求[13]。

智能微電網具有以下優點：1)促進電網接納多樣的分布式電源，大部分是清潔能源，減少了環境污染；2)實現不同類發電單元的優勢互補，提高了分布式能源的利用效率，減小單個分布式電源可能給電網造成的影響；3)降低因輸、配電網升級而增加的投資成本，降低輸電損耗；4)實現了自治，提高了電網抗災能力，提高了供電可靠性；5)推進智能電網的快速發展；6)滿足用戶多樣化的電能需求；7)實現偏遠無電地區供電，促進農村電氣化和配電網升級。

2 智能微電網的分類

根據不同的標準智能微電網的分類標準，可做以下分類。

1)根據能量傳輸類型分為直流智能微電網、交流智能微電網和交直流混合智能微電網。

①直流智能微電網系統中，分布式電源、儲能、負荷等均通過直流母線連接，直流網絡也可以再通過逆變器與大電網連接。

②交流智能微電網系統中，系統母線以交流電的形式運行，分布式電源和儲能直接或間接接入系統母線，智能微電網再通過對公共連接點控制，實現與大電網的通斷。

③交直流混合智能微電網系統中，交流母線與直流母線共存，分別向不同負荷供電，減少了單純交流智能微電網或直流智能微電網中使用電力電子變換器的數量，提高能源利用效率。

2)根據地理位置分為海島型智能微電網、偏遠地區智能微電網和城市片區智能微電網。

①海島型智能微電網用于解決居民的生活用電和海水淡化問題，避免了海底電纜的敷設和維護，節約成本。其微電源形式以風、光、柴、儲為主，大部分以孤網方式運行。

②偏遠地區智能微電網解決了偏遠地區無電、缺電、電能質量差的問題，充分利用了當地資源優勢，根據居民分布情況合理規劃智能微電網，為當地提供可靠、穩定的清潔能源。

③城市智能微電網一次能源以風能、太陽能為主，大部分以并網方式運行，為居民用電、道路照明、樓宇辦公提供綠色能源。

3 智能微電網的關鍵問題

3.1 智能微電網的控制

智能微電網的運行分為并網和孤島兩種運行狀態。

1)并網運行時系統公共耦合點不需要直接進行頻率/電壓控制，而是把指定有功/無功設定值作為功率參考值,其中功率設定值可由指定功率調度或負載及饋線的功率補償量來確定，微電源采用恒功率控制方式。

恒功率控制又稱P/Q控制，將有功、無功功率解耦，通過電壓空間矢量控制技術調節逆變器端的輸出電壓，從而調節線路電流，達到調節功率的目的，使微電源的輸出功率維持其參考功率恒定的輸出。

2)孤島運行時控制系統需直接調節公共耦合點電壓并穩定頻率，采用下垂控制或恒壓恒頻控制。

下垂控制是采用基于指定有功或無功設定值作為控制系統功率的參考值，根據有功和頻率的關系以及無功和電壓的關系，通過下垂控制計算出逆變器調制電壓與頻率，這與傳統的同步發電機一次調頻相似。

恒壓恒頻控制又稱V/F控制，通過控制維持電壓以及頻率，使其恒定在參考電壓值和參考頻率值，與傳統發電機的二次調頻相似。

3.2 智能微電網的保護

智能微網是一個集合了多種分布式電源和負荷的有源網絡，智能微電網保護與傳統保護的根本區別是：1)其內部潮流是雙向流動；2)并網和孤島運行狀態下的短路電流大小差異很大。因此其保護定值和機理發生了根本性變化。

智能微電網的保護要求其能夠基于本地信息對電網中的故障做出自主反應，實現傳統繼電保護所要求的可靠性、選擇性、速動性和靈敏性，而且同一套保護策略能夠適應孤島運行和并網運行兩種模式，且當微電網的拓撲結構發生變化時，保護策略不會失效。目前研究的智能微電網保護方法主要有：過流保護、差動保護、距離保護、自適應保護、故障電流補償保護和基于智能算法的保護，基于電壓量的保護。

文獻[14]主要依靠電流差分保護提出利用同步相測量和智能繼電器檢測所有類型故障。將智能繼電器安裝在每條饋線段兩端，配置合理的傳感器和斷路器，從而實現一個功能完善的保護方案，并用Matlab建模仿真，驗證了方案的可行性。最后還提出了提高可靠性和降低成本的改進方案，即設置中央控制器，用智能數字測量單元代替價格昂貴的繼電器，中央控制器與數字測量單元通過控制網絡連接能夠實現同樣的保護功能，其代價大大降低。

3.3 智能微電網的能量管理

智能微電網能量管理系統主要由4部分組成：人機交流、數據分析、預測、決策優化。能量管理系統作為智能微網的核心組成部分，通過智能電表等先進測量設備得到實時用戶需求和實時電價，并根據運行約束、市場信息等條件進行分析預測，決策出使系統最優化運行的方案。

智能微網能量管理系統與傳統能量管理系統的區別在于:1)智能微網包含了熱負荷和電負荷,能量管理系統需要管理熱能和電能相協調；2)能夠自由與電網進行能量交換；3)智能微網能量管理系統能夠提供分級服務,例如孤島運行且供能不足時，可以選擇切除不重要的負荷，保障重要負荷的供電可靠性。

智能微電網的發展要求：1)發展高級控制策略,協調用戶控制系統；2)基于實時電價的快速需求側響應；3)完善監測系統,包括智能預警和市場信息；4)完善數據采集和處理技術；5)快速故障定位、隔離和服務恢復技術；6)網絡重構和保護技術；7)綜合考慮環境效益、經濟效益的調度決策技術；8)決策可視化技術[13]。

4 結語

智能微電網通過采用先進的電力技術、通信技術、計算機技術和控制技術實現了微電網的智能化，成為智能電網的重要組成部分。智能微電網實現了節能、降耗和清潔能源的充分利用，對我國治理環境污染有重要的意義，因而得到高度重視。隨著智能微電網在配電網中滲透率的增加，如何實現對智能微電網復雜故障情況的可靠保護、智能微電網的群控、多能源協調控制的能量管理、多個智能微電網構成一個虛擬電廠技術、智能微電網競價上網等，將是未來我國智能微電網研究的重點。雖然我國的智能微電網發展較晚，在關鍵技術上與歐美還有一定差距，但是在國家政策的支持下，相信在不久的將來，中國智能微電網技術將快速發展，并達到國際先進水平。

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A Review Study on Smart Micro-grid

LIU Wen-zhou，et al.

(SchoolofElectrical&InformationEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

As people pay attention to the problems of energy crisis and environmental pollution，smart micro-grid as a carrier of a variety of clean energy，get the support of national policy，and is developing rapidly.This paper introduces the development process of smart micro-grid，from distributed generation to micro-grid，and finally to the smart micro-grid.It expounds the definition，characteristics，structure，and classification to smart micro-grid in Europe，the United States and China.The key technology of smart micro-grid has been analyzed，which is to make control，protection，and energy management.In the conclusion part，it gives the future trends of smart micro-grid key technology in China to provide reference for the following studies in this field.

distributed generation；micro-grid；smart grid；smart micro-grid

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.008

2016-11-05

吉林省科技廳項目(20150204005F)

劉文洲(1969-)，男(漢)，吉林長嶺，教授 主要研究風力發電控制技術及智能微網。

TM727

A

1009-8984(2016)04-0029-04