智能微電網(wǎng)研究綜述

郭權(quán)利+楊宇昕

摘 要：隨著新能源的快速發(fā)展以及智能化技術(shù)的日益成熟，智能微電網(wǎng)的研究越來(lái)越受到人們的重視。本文對(duì)智能微電網(wǎng)最新發(fā)展展開(kāi)了綜述，從智能微電網(wǎng)的概述及特點(diǎn)、智能微電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)以及控制技術(shù)等方面進(jìn)行了總結(jié)研究，并從電力市場(chǎng)背景下及新能源背景下進(jìn)行了智能微電網(wǎng)未來(lái)發(fā)展的展望，為智能微電網(wǎng)的實(shí)用化和應(yīng)用推廣提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：智能微電網(wǎng)；保護(hù)技術(shù)；控制技術(shù)；應(yīng)用展望

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.150

1 引言

智能微電網(wǎng)是由分布式發(fā)電技術(shù)組成的新型電網(wǎng)。智能微電網(wǎng)是由分布式電源、儲(chǔ)能單元、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷以及保護(hù)裝置等通過(guò)電力電子技術(shù)組合而成的發(fā)配用電系統(tǒng)。智能微電網(wǎng)系統(tǒng)不僅可以以大電網(wǎng)為依托構(gòu)建微型配電網(wǎng)系統(tǒng)，而且還可以構(gòu)建自我控制以及自我能量管理的孤立配電系統(tǒng)，智能微電網(wǎng)系統(tǒng)既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤島運(yùn)行。在某些情況下，智能微電網(wǎng)不僅能夠滿足用戶電能需求而且還能滿足用戶熱能的需求，在這種狀態(tài)下，智能微電網(wǎng)相當(dāng)于一個(gè)能源網(wǎng)。

本文對(duì)智能微電網(wǎng)最新發(fā)展展開(kāi)了綜述，從智能微電網(wǎng)的概述及特點(diǎn)、智能微電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)以及控制技術(shù)等方面進(jìn)行了總結(jié)研究，并從電力市場(chǎng)背景下及新能源背景下進(jìn)行了智能微電網(wǎng)未來(lái)發(fā)展的展望，為智能微電網(wǎng)的實(shí)用化和應(yīng)用推廣提供了理論參考。

2 智能微電網(wǎng)概述

智能微電網(wǎng)是獨(dú)立分散的供電系統(tǒng)。在智能微電網(wǎng)系統(tǒng)中，可以通過(guò)交流母線上公共連接點(diǎn)的靜態(tài)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)與交流大電網(wǎng)的鏈接與斷開(kāi)，即并網(wǎng)與孤島模式的平滑切換。智能微電網(wǎng)由于靠近用戶側(cè)，輸電線路短，減少了線路功率的損耗；同時(shí)，由于智能微電網(wǎng)能夠并離網(wǎng)切換運(yùn)行，增強(qiáng)了系統(tǒng)抵御大電網(wǎng)發(fā)生故障影響的能力，提高了智能微電網(wǎng)系統(tǒng)自身運(yùn)行的可靠性。綜上所述，智能微電網(wǎng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)[1]：

（1）并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式。在并網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)下，智能微電網(wǎng)在大電網(wǎng)中充當(dāng)削峰填谷的重要角色，降低因負(fù)荷峰谷差帶來(lái)的電力故障，保障了大電網(wǎng)運(yùn)行的暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)大電網(wǎng)接納能力有限或者發(fā)生故障時(shí)，智能微電網(wǎng)可以根據(jù)保護(hù)裝置迅速的與大電網(wǎng)隔離，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)孤島穩(wěn)定運(yùn)行，提高了智能微電網(wǎng)系統(tǒng)自身供電的可靠性。

（2）穩(wěn)定。通過(guò)合理的控制策略，智能微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行狀態(tài)下能夠保障系統(tǒng)有功功率平衡和電壓/頻率的穩(wěn)定和減小系統(tǒng)諧波以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，從而滿足用戶負(fù)荷電能質(zhì)量的需求。

（3）兼容。由于可再生能源具有隨機(jī)性和間歇性等特點(diǎn)，導(dǎo)致分布式電源的分布具有分散性。智能微電網(wǎng)可以將局部分散的分布式電源進(jìn)行集中整合，從而實(shí)現(xiàn)多種分布式電源的兼容。

（4）靈活。智能微電網(wǎng)不僅可以作為一個(gè)微型受控單元實(shí)現(xiàn) “即插即用”，而且通過(guò)手段實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)下用戶多樣化的用電需求。

（5）經(jīng)濟(jì)。智能微電網(wǎng)作為可再生能源有效利用的重要形式能夠優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，減少污染排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)，提高可再生能源的利用效率。

3 智能微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

在眾多的智能微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)中，保護(hù)技術(shù)和控制技術(shù)是智能微電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，開(kāi)展智能微電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)和控制技術(shù)的研究具有重要意義。

3.1 智能微電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)

與傳統(tǒng)大電網(wǎng)的保護(hù)策略不同，在進(jìn)行智能微電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)的設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下問(wèn)題：（1） 智能微電網(wǎng)內(nèi)部的短路電流是雙向的；（2） 在并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式下，智能微電網(wǎng)的短路電流有明顯差異；（3）智能微電網(wǎng)系統(tǒng)中可能含有不同類型的分布式電源，各種分布式電源的短路電流差異較大；（4）更短的故障切除時(shí)間；（5） 微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。

為確保智能微電網(wǎng)保護(hù)策略的成功實(shí)施，在進(jìn)行智能微電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：（1） 建立智能微電網(wǎng)以及各分布式電源的故障特征模型。各類分布式電源以及同類型不同控制方法的電源故障電流和故障電壓暫態(tài)穩(wěn)定性可能不同。因此，應(yīng)根據(jù)智能微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)電壓和電流暫態(tài)特性建立準(zhǔn)確的故障特征模型。（2）研究有效性的故障識(shí)別處理算法。智能微電網(wǎng)的運(yùn)行方式、運(yùn)行狀態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有多樣性的特點(diǎn)，因此，應(yīng)研究能有效識(shí)別網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)的故障情況識(shí)別處理算法。（3）如何實(shí)現(xiàn)智能控制終端與傳統(tǒng)一次設(shè)備的可靠性集成。智能控制終端應(yīng)能夠通過(guò)故障在線分析、智能控制和保護(hù)、通信等功能與傳統(tǒng)一次設(shè)備可靠性集成，從而實(shí)現(xiàn)智能微電網(wǎng)的智能化保護(hù)。（4） 智能微電網(wǎng)的保護(hù)策略應(yīng)擁有足夠傳輸速率和可靠性的通信網(wǎng)絡(luò)。在智能微電網(wǎng)系統(tǒng)中，信號(hào)采集系統(tǒng)的暢通是現(xiàn)實(shí)保護(hù)控制的基礎(chǔ)。在智能微電網(wǎng)中央保護(hù)單元、分布式電源以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)上應(yīng)加入可靠的信號(hào)采集系統(tǒng)，以保證通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性[2]。

由于智能微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式等與傳統(tǒng)電網(wǎng)差異較大，基于三段式過(guò)流保護(hù)策略的傳統(tǒng)繼電保護(hù)不能直接應(yīng)用于微電網(wǎng)。基于三段式過(guò)流保護(hù)理論，本文對(duì)智能微電網(wǎng)的保護(hù)策略重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)。智能微電網(wǎng)保護(hù)策略的實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

圖1 智能微電網(wǎng)保護(hù)策略實(shí)現(xiàn)方法

3.2 智能微電網(wǎng)的控制技術(shù)

智能微電網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)采用合理的協(xié)調(diào)控制方法實(shí)現(xiàn)分布式電源和負(fù)荷之間的穩(wěn)定運(yùn)行。智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制方法通常可采用主從控制、對(duì)等控制以及分層控制。其中，分層控制在智能微電網(wǎng)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

智能微電網(wǎng)變流器控制模式是決定智能微電網(wǎng)系統(tǒng)能否孤島穩(wěn)定運(yùn)行以及能否實(shí)現(xiàn)快速并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。常用的智能微電網(wǎng)變流器控制模式有PQ控制、恒壓恒頻V/f控制以及下垂控制。

（1）PQ控制。PQ控制模式主要用于智能微電網(wǎng)的并網(wǎng)變流器控制中，通過(guò)PQ控制模式可使智能微電網(wǎng)變流器按照功率指令實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的輸出。PQ控制模式可通過(guò)電流控制或電壓控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）V/f控制。V/f控制模式常用于智能微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式。在孤島運(yùn)行模式下，V/f控制模式通過(guò)采用恒定的電壓幅值和頻率值來(lái)控制變流器輸出的電壓和頻率的穩(wěn)定，以滿足負(fù)荷的需求。V/f控制模式智能微電網(wǎng)變流器表現(xiàn)為電壓源特性。

（3）下垂控制模式。下垂控制模式是智能微電網(wǎng)變流器模擬同步發(fā)電機(jī)靜態(tài)下垂外特性輸出，以實(shí)現(xiàn)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓幅值和頻率的控制。下垂控制模式智能微電網(wǎng)變流器可以等效為理想電壓源與可調(diào)輸出阻抗的串聯(lián)組合，既可以用于智能微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，也可以用于孤島運(yùn)行狀態(tài)。

一般情況下，在智能微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行狀態(tài)下變流器均可以采用下垂控制模式。在智能微電網(wǎng)并離網(wǎng)切換過(guò)程中，下垂控制模式的控制方式基本不發(fā)生變化，更有利于智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的并離網(wǎng)剛切換[3]。

4 展望

智能微電網(wǎng)未來(lái)新能源發(fā)展的有效形式，隨著新能源發(fā)電技術(shù)、智能控制技術(shù)以及柔性電力技術(shù)等方面的發(fā)展，智能微電網(wǎng)將在以下幾個(gè)方面得以快速發(fā)展：

4. 1 大容量多級(jí)混合微電網(wǎng)技術(shù)

近年來(lái)，單一的智能微電網(wǎng)研究和應(yīng)用已純熟，但復(fù)雜的多級(jí)混合微電網(wǎng)仍還處于發(fā)展階段，還無(wú)法滿足基于智能微電網(wǎng)技術(shù)的區(qū)域性多級(jí)配電系統(tǒng)改造需求，隨著智能控制技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，大容量多級(jí)混合微電網(wǎng)技術(shù)必將得到廣泛應(yīng)用[4]。

4. 2 智能微電網(wǎng)與新能源

隨著煤炭、石油等傳統(tǒng)能源的日益短缺以及傳統(tǒng)發(fā)電成本的不斷上升，風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電技術(shù)得到廣泛重視。由于可再生能源具有分布廣泛及無(wú)污染等特點(diǎn)，而逐漸被電力市場(chǎng)所接受。以新能源發(fā)電為核心的智能微電網(wǎng)也必將被電力市場(chǎng)所接受。

智能微電網(wǎng)作為信息和能源雙重載體。未來(lái)智能配網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求對(duì)智能微電網(wǎng)提出了更高要求，以家庭、辦公室建筑等為單位的靈活發(fā)電和配用電終端、企業(yè)、電動(dòng)汽車充電站以及物流等將在微電網(wǎng)中相互影響，分享信息資源。承載信息和能源雙重功能的微電網(wǎng)，使得可再生能源能夠通過(guò)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的方式分享彼此的能源和信息[5]。

5 結(jié)論

本文對(duì)智能微電網(wǎng)最新發(fā)展展開(kāi)了綜述，從智能微電網(wǎng)的概述及特點(diǎn)、智能微電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)以及控制技術(shù)等方面進(jìn)行了總結(jié)研究，并從電力市場(chǎng)背景下及新能源背景下進(jìn)行了智能微電網(wǎng)未來(lái)發(fā)展的展望，為智能微電網(wǎng)的實(shí)用化和應(yīng)用推廣提供了理論參考。

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