微電網技術及其應用關鍵問題綜述

張群安

摘 要 電力系統運行過程中最受關注的問題是穩定性與安全性，由于分布式電源的不可控性以及隨機波動性，對電力系統的穩定性帶來很大影響，當前國際上通用的電力標準一般都對分布式電源進行限制和隔離，減少其對電力系統的沖擊與影響。微電網是一種能夠實現自我控制和保護的自動化系統，是一個完整的電力系統。本文對微電網技術的發展以及應用進行分析和探討。

關鍵詞 微電網技術；分布式電源；應用

中圖分類號 TM7 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）182-0092-02

分布式電源是電力系統中電源的一種，指的是在用戶現場或者靠近用電現場配置一個功率較小的發電機組，確保配電網的經濟運行。關于分布式電源當前并沒有統一的定義，一般都認為是為了滿足終端用戶的特殊用電需求而接載的一個小型供電系統。分布式發電技術的投資較小、環保性高，能夠利用一些可再生能源，并且能夠對未來的規模較大的電網提供充足的電力支撐，因此分布式電源在電力系統中的應用十分廣泛。盡管分布式電源具有很多優勢，但是分布式電源在使用過程中也存在一些問題，比如對分布式電源進行控制的難度較大，分布式電源本身就有不可控性，分布式電源的滲透率加高，這些問題的存在，會導致分布式電源對電力系統帶來較大的沖擊，如果系統出現了故障，則分布式電源一般都是立即退出的，不能與電網進行連接，因此分布式電源就不能發揮相應作用。微電網技術是對分布式電源和電網之間的矛盾進行解決的重要技術，微電網技術的優勢體現在自動控制和管理上，能夠有效地解決分布式電源存在的各種缺陷。

1 微電網概述

微電網是一種新型的電網結構，其關鍵字是“微”，即小型電網，與傳統的大規模電網相比較而言，其功能性不差，只是規模相對較小。微電網包括幾個主要部分，分別是微電源、負荷、儲能系統、控制裝置，可以實現自我控制、自我保護、自我管理，并且能夠和其他的電網實現并網運行，同時也能獨立于其他電網運行。在微電網中有多個分布式結構，能夠通過開關與常規的微電網進行連接，從而實現對整個電網的控制。在微電網中，就地控制器是一個十分關鍵的部分，包括分布式電源以及相應荷載，能夠實現對微電網的暫態控制，使得微電網的能量高管理變得更加穩定、安全。

從系統角度來看，微電網是一種現代電子技術，可以將各種設備、裝置組在一起。對于規模較大的電網來講，可以將微電網看成是一個可控制的小型電網單元，其反應制動靈敏性更高，能夠在較短的時間內就完成對其他裝置和設備的控制，并且能夠滿足外部元件的配電要求。當然，從用戶的角度來講，微電網則可以滿足用戶的一些要求，尤其是一個個性化需求，例如降低電能損耗、節約成本、提高電壓穩定性等，都可以通過微電網技術實現。

正是由于微電網可以與大電網并網運行也能實現獨立運行，因此當配電網出現故障的時候微電網仍然能夠正常運行，所以提高了電力系統的穩定性，防止由于電力故障導致各種電氣設備不能運轉。根據當前使用較多的一種關于微電網的定義得知，微電網中的電源可以實現同時提供電力和熱力，而且微電源大多是電子型的，具有一定的靈活性，能夠確保以一個集成系統運行，正是由于微電源的靈活性，使得整個微電網成為一個可以獨立運行的單元，能夠提高電器元件對電源的需求。另有學者在對微電網進行研究的時候認為，微電網與主電網之間的關系，是相互聯系也相互獨立的，當主電網出現故障的時候微電網獨立運行，但是當主電網恢復正常之后微電網要及時與配電系統進行連接，保證用戶的電力供應一直不間斷，提高供電可靠性。因此，微電網技術中避免了傳統的分布式電源對配電網帶來的負面影響，而且還能對接入了微電網的配電網起到支持作用。

當前我國微電網技術中，應用比較廣泛的是功率范圍在100kW以下的微型燃氣輪機，其轉速較高，采用空氣軸承，發出的電流信號頻率較高，經過交流、直流、交流變化之后可以形成50Hz的工頻交流電，并且供給相應的荷載單元使用。但是有一個問題需要注意，傳統微型燃氣輪機的燃料燃燒時會產生污染環境的氣體，因此要摒棄這種方式，可以采用燃料電池，具有高效、低排特點，尤其是對于一些高溫環境比較適用，但是燃料電池的價格比較貴，在實際應用中的經濟可行性不高，未來還應該要加強對這類電池的研究。

2 微電網的結構

相對于電力系統而言，微電網的獨立性更強，每一個微電源都可以實現自主控制，具有即拔即插功能，能實現實時控制，微電網中的每一個電源都能實現對微電網的電壓控制、潮流控制，并且能夠維持微電網運行的穩定性。在微電網中，配電網與微電網之間如果突然解除連接，則可能會對電網中的設備產生很大的沖擊，為了減少這種沖擊，則可以對微電網結構進行重新設計，對設備進行分別連接，例如將一些不是太重要的設備連接在同一條饋線上，將一些重要的或者比較敏感的荷載連接在另外的饋線上，對于連接了重要以及敏感荷載的饋線上裝設分布式電源、儲能元件及相應的控制、調節和保護設備。采用這種結構設計，當微電網與主電網解除連接的時候，隔離裝置可以發揮相應作用，確保重要的、敏感的荷載元件依舊可以正常運轉。微電網的控制能夠主要通過以下幾個部分實現。

2.1 微電源控制器

微電源控制器是微電網中的一個重要元件，微電網的控制功能主要依靠微電源控制器實現，通過微電源控制器可以對饋線電流、母線電壓級與主電網之間的并網和解網運行進行控制，而且微電源本身能夠實現即插即拔，主要是通過就地信號對設備進行控制的，反應時間是毫秒級，十分靈敏。

2.2 飽和協調器

飽和協調器在主電網的故障和微電網故障處理過程中都比較適用，當主電網出現故障的時候，飽和協調器可以將微電網中的一些重要荷載元件與主電網隔離開，在某些情況下，微電網中的一些重要的荷載元件可以暫時降低電壓，并且通過系統的一系列補償措施，使得主電網與微電網不分離。

2.3 能量管理器

能量管理器主要是對系統進行調度的元件，其調度的標準是預先對電壓和功率進行設置的數值。

3 微電網的控制與運行方式

3.1 微電網的控制技術

微電網的基本控制功能有：如果微電網中接入了新的電源，要確保原始設備工作情況的穩定，由于微電網本身能夠快速地與電網之間進行并網和解網，所以微電網的控制技術更加靈活，能夠帶來更加良好的控制效能。具體說來微電網控制技術主要有以下幾個方面：

第一，基本的有功和無功功率控制。微電網中的微電源大多是電力電子型，因此微電網對電網中的不同性質的功率是分開調節的，例如逆變器主要實現對無功功率的控制，而通過逆變器的電壓以及網絡電壓的相角則可以實現對有功功率的控制。

第二，基于調差的電壓調節。在一些規模較大的電網中，各個電源之間的阻抗較大，因此不會出現無功環流現象，但是微電網中的電壓整定值相對較小，如果微電網中有大量的微電源接入，而不能進行就地電壓控制，則可能會產生電壓以及無功振蕩，對電壓進行控制的要求就是要保證微電網中不會出現無功環流。

因此，要對微電網中微電源所發出的電流進行分析，看電流是屬于感性還是容性的，根據電流性質再確定電壓整定值，一般產生的電流為容性時，其電壓整定值要相應降低，而產生的電流為感性時，其電壓整定值要相應升高。

第三，快速負荷跟蹤和儲能。在一個規模較大的電網中，當接入一個新的荷載時，為了實現能量平衡，則主要是依賴于大型發電機的慣性，此時系統頻率略微降低，外界幾乎無法察覺，同時，由于微電網中的發電機的慣量相對較小，加上有的電源的響應時間較長，因此當微電網與主電網之間接觸連接，分別獨立運行的時候，微電網必須要借助蓄電池、超級電容器、飛輪等儲能設備，對系統的慣性進行增加，才能確保電網的正常運行。

第四，頻率調差控制。當微電網與主電網斷開連接獨立運行的時候，微電網中各個機組所承擔的荷載比例不相同，要通過頻率調差控制，對各個機組承擔的負荷進行調整，從而使得各個機組得到有效調配，對資源進行充分利用，防止某個機組荷載過大的現象。

3.2 微電網的運行方式

1）微電網的并網運行。微電網的并網運行指的是微電網與主電網進行并網連接運行的方式，要根據微電網中的荷載情況來確定具體的保護方案，同時要根據微電網中負荷對電壓變化的敏感度來設置相應的保護裝置，例如當配電網中出現故障的時候，要采用高速開關類隔離裝置，將微電網中的一些重要的敏感的元件隔離開。此時，微電網中的DR應該要保持閉合狀態，確保配電網出現故障之后依舊能夠給微電網中的一些重要的負荷進行供電。如果微電網中出現故障，除了進行隔離之外，還應該要及時做好與主電網之間的連接，一旦配電網恢復了正常運轉，則還應該要通過測量對電壓的幅值和角度進行確定，采用手動或者自動的方式將微電網重新接入主電網中。如果微電網中的微電源數量為一個，則可以采用手動方式重新接入，如果有多個微電源，則可以采取自動方式重新接入。

2）微電網的獨立運行。當微電網與主電網獨立的時候，為了使得微電網中隔離的故障區域更小，則要對微電網中的保護裝置進行有效地協調和分配，從而使得微電網能夠獨立運行，提高運行效率。當前微電網中的設備大多是電子型設備，當電網出現故障的時候，其發出的故障電流大小不強，不能有效地啟動電網保護裝置使其制動，對電網進行保護，為了解決這個問題，只能從改變微電網中的保護裝置和保護策略著手，例如在微電網中可以采用一些阻抗型、零序電流型、差分型保護裝置，對微電網進行保護，另外，還要做好微電網的接地設計，提高微電網繼電保護的穩定性與準確性。

4 結論

綜上所述，能源危機和環境問題促使我們要不斷開發新能源，分布式電源具有較大的空間和前景，但是分布式電源自身的限制決定了要對電網結構進行改善和調整。微電網是一種全新的電網技術，可以實現對多種荷載的電能供給，并且提高電網運行的穩定性，從而實現傳統電網向智能電網的過渡。

參考文獻

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