高原高寒地區智能分布式光伏微電網研究綜述*

王玉群

（西藏自治區能源研究示范中心，西藏 拉薩 850000）

隨著社會經濟的快速發展，城市集中化程度越來越突出，無論是工業的生產用電量還是市民的生活用電量均呈直線上升。因此傳統的集中型高壓遠距離輸電系統的規模也隨著用電需求量的不斷增大而提高，同時其建設成本高、運維難度加大、送電質量難以跟進、用戶不斷提高的多樣化用電需求等弊端也愈發突出。并且隨著能源危機的日益凸顯，環境污染問題的越來越嚴重，在盡量利用各種清潔能源進行分布式發電的基礎上，有機結合先進的通訊、測量、傳感等技術和先進控制方法的智能微電網系統成為了國內外專家學者研究的焦點［1］。智能微電網系統由于盡可能的以可再生能源（太陽能、風能、地熱能、潮汐能等）為主，當地方便可獲取的化石能源（天然氣等）為輔［2］，且就近分布于用戶側附近，因此智能微電網系統提高了用戶側供電的可靠性以及能達到能源階梯使用的目的。其供電網路中電量損耗小，具有能源利用率高、方便檢修等優點，因此逐漸得到了世界各國的關注。

文章主要綜述了智能分布式微電網的概念及特征，給出了世界各國在智能分布式微電網運用方面的結構現狀，以及分析了智能分布式光伏微電網系統的三大關鍵部分（能量管理、系統控制及系統保護）。

1 智能分布式微電網的特征

1.1 智能分布式微電網的概念

由于世界各國對于微電網的定義不同，因此世界各國的專家學者對于智能分布式微電網的定義同樣有所區別。Galvin Electriity Initiative認為智能分布式微電網系統就是傳統集中型、大型供電系統的小型化、現代化、智能化體現，其不僅能夠盡可能的滿足用戶多樣化用電的需求且能保證供電質量的可靠性和安全性，并最大限度的利用可再生能源及促使電網技術的不斷創新［3］。Valence Energy認為智能分布式微電網系統應該是在利用多種能源（包括：可再生能源及非可再生能源）進行耦合發電的同時，能夠通過末端用戶側進行智能化控制和管理，并在實現可持續發展目標的同時以求達到經濟效益的最大化［2］。中國專家學者認為智能分布式微電網系統即為微型電網系統表現出智能化，依靠小型、分散型資源為基礎，將分布式發電技術與末端用戶側用能管理及能量梯級利用技術相結合，從而形成分散式的小型模塊化送電網絡，并通過先進的通訊、測量、監控及控制等技術使微型電網滿足對未來電能質量、環境效益及經濟發展等方面的更高需求［4］。

雖然世界各國對于智能分布式微電網系統的定義有所不同，但對于智能分布式微電網的基本共識是：智能分布式微電網系統由各種分散式電能來源、電能存儲單元、負載、保護設備、智能監控及智能控制幾大部分組成。其具有靈活可調、智能監控、智能控制等特點，且擁有并網和離網兩種運行模式。根據電量使用量的實際情況，整個系統的電容量一般為數千瓦到數兆瓦不等［5］。智能分布式微電網系統不僅可為附近區域供電，在一定條件下，還可為附近區域供熱或制冷，并且與傳統市政電網一般是并聯的關系。表1給出了美國、歐盟以及中國高原高寒地區智能分布式微電網系統的發展目標。

表1 各國的智能分布式微電網系統的發展目標

1.2 智能分布式微電網的結構

1.2.1 美國智能分布式微電網結構。美國電力可靠性技術解決方案協會（簡稱CERTS）提出的智能分布式微電網基本結構如圖1所示。并且與美國電力公司合作，在Dolan技術中心建立了一個大規模的集監控、控制、保護設備和電能管理為一體的智能分布式微電網平臺［6］。該智能微電網系統主要由三條饋線構成：其中一條仍然與市政電網相連接，當該饋線上靜態開關處于閉合但不向市政電網送電的時候，該條饋線仍可將分布式電源產生的電能輸送至負載。另外兩條饋線連接DG單元，且可進行離網運行。CERTS提出的智能分布式微電網系統結構中主要由兩個核心元件組成：即可控制的微電源及靜態開關。

圖1 美國智能分布式微電網結構

1.2.2 歐盟智能分布式微電網結構。由雅典國立大學領導，并且與Siemesn、ABB、SMA、ZIV及I-Power等公司合作的歐盟第六框架計劃（2002-2006）項目［7］：Ad?vanced Architectures and Control Concepts for More Mi?crogrids”，其項目總投資為850萬歐元［7］。該項目主要研究的方向是智能分布式微電網系統的智能監控和控制策略，整個系統的協調管理和保護方案，以及該系統對市政電網的影響等［8］。歐盟的智能分布式微電網基本結構如圖2所示。整個智能分布式微電網的核心是與分布式電源及負載相連的中央控制器（簡稱MGCC）［9］，MGCC通過設定的初始值向分布式電源控制器（MC）及負載控制器（LC）提供信號，以達到控制分布式電源及負載匹配運行的目的。

圖2 歐盟智能分布式微電網結構

1.2.3 中國高原高寒地區智能分布式微電網結構。中國智能分布式微電網系統研究工作的開展，主要還是依照CERTS的基本理念，研究的方向主要針對的是智能微電網系統的并、離網運行模式，系統的智能化控制程度以及該系統對市政電網的影響等方面。且國家對于智能分布式微電網的研究工作也給予了大力支持，例如國家的“863”及“973”計劃中，均支持了智能分布式微電網系統的研究［10］。圖3是西藏自治區能源研究示范中心建設的用于辦公樓供電的智能分布式光伏微電網系統結構圖，該系統主要由：255Wp多晶硅光伏組件、240kWh儲能電池、58kW儲能變流器、配電柜以及智能通訊柜五大部分組成。該智能分布式光伏微電網系統主要運用的是分層控制體系，智能控制系統由系統中心總控制器（通訊柜）和兩個遠程控制器（儲能變流器和配電柜）構成。

圖3 中國高原高寒地區智能分布式微電網結構

1.3 智能分布式微電網的優點

1.3.1 智能分布式微電網對于市政電網。智能分布式微電網系統由于可以利用不同種類（太陽能、風能、潮汐能、天然氣等）的分散型能源進行耦合發電，因此其實現了多種能源的優勢互補，提高了分散型能源的能源利用率，且減小了由于單一分散型能源發電的不穩定性可能對市政電網造成的影響；智能分布式微電網系統由于采用的是就近發電的原則，因此其不僅降低了電路網絡的輸電損耗，還減小了由于市政電網升級而帶來的建設成本；由于智能分布式微電網系統的區域性集中型送電特征，因此其減小了市政電網的備用電需求量，降低了市政電網的用電高峰值。

1.3.2 智能分布式微電網對于用戶側。智能分布式微電網系統具有靈活的運行模式，因此可滿足用戶的多樣化用電需求；智能分布式微電網系統實現了用戶側用電自治，提高了區域性電網抵抗自然災害的能力，保證了區域性供電的可靠性；用戶側可通過智能化控制，有能力為自己提供更高質量的電能；智能分布式微電網系統可為缺電甚至無電地區提供配電網絡，實現村村通電的目標；智能分布式微電網系統由于大部分選擇的是可再生能源作為發電來源，因此其保障了能源的可持續利用，節能環保。

2 智能分布式光伏微電網的關鍵部分

2.1 用能管理

用能管理單元作為智能分布式光伏微電網系統中最核心的部分，其應具有以下五個方面的功能，即：人機交流、數據監控、信息分析、信息預測及控制優化［3］。用能管理單元通過利用先進的數據監控及數據采集設備，能夠得到用戶側的實時用電需求量和實時電價的波動情況等信息，并根據這些信息及智能分布式光伏微電網系統的運行條件從而進行預測分析，最后制定出經濟效益最高且系統運行最優的實施方案。圖4為西藏自治區能源研究示范中心的BMS通訊拓撲圖。

智能分布式光伏微電網系統的用能管理單元與傳統市政電網的用能管理單元主要有以下三個方面的區別：①智能分布式光伏微電網系統的用能管理單元不僅有電能管理單元，其往往還包含有熱能管理單元（針對嚴寒地區、冬季進行供熱或炎熱地區夏季進行供冷），用能管理單元中的電、熱管理單元需要相互協調工作；②智能分布式光伏微電網系統的用能管理單元能實現與市政電網的電量交換（即：能實現并、離網運行和富余電量上網）；③智能分布式光伏微電網系統的用能管理單元能實現用戶側的分級供電，例如在離網運行狀態且光照不足的條件下，此時系統的產電量不足以滿足整個用戶側的需求量，因此可以斷掉不重要的負載，優先保證重要負載的供電。

智能分布式光伏微電網系統在今后的發展目標：①提升系統的集中控制能力，使用戶側能更方便的控制整個系統；②提升系統的快速響應能力，使系統能實時反應電價情況；③提升系統的監控采集能力，使系統能高效準確的定位故障并處理各種信息；④提升系統的決策調度能力，使系統能提供最佳的運行方案。

2.2 系統控制

智能分布式光伏微電網系統的運行模式主要有并網運行和離網運行兩種狀態。

并網運行狀態：當智能分布式光伏微電網系統進行并網運行，其光伏電源采用恒功率的控制模式，即通過將有功功率和無功功率進行耦合求解，利用電壓空間矢量控制技術來調節變流器的輸出電壓，再調節線路電流的大小，最后達到實現恒功率的目的［11］。并網運行模式由于把有功功率和無功功率設定為參考值，因此光伏電源的輸出功率維持其參考值來輸出。

圖4 西藏自治區能源研究示范中心的BMS通訊拓撲圖

離網運行狀態：當智能分布式光伏微電網系統進行離網運行時，其光伏電源一般采用下垂控制或恒壓恒頻率的控制模式。其中下垂控制是將有功功率或無功功率的初始設定值定義為控制的參考值，再根據有功功率與頻率的線性關系及無功功率與輸出電壓的線性關系，利用下垂控制計算得到變流器的輸出頻率和輸出電壓（與發電機一次調頻類似）［12］。而恒壓恒頻率控制則是通過控制輸出電壓和頻率的大小，使其維持在參考值范圍內，進而來達到控制調節的目的（與發電機二次調頻類似）［12］。

2.3 系統保護

智能分布式光伏微電網系統由于是利用了太陽能作為電源的區域性有源網絡，因此其與市政電網的系統保護存在著巨大的差別。智能分布式光伏微電網系統的內部電流流動是雙向的，因此其必須安裝防逆流設備，以防止內部電流反向流向光伏組件。由于智能分布式光伏微電網系統在并網運行及離網運行的狀態下，其短路電流的大小相差很大，因此在設置電流保護值時應分開設定，以防止出現系統短路的情況。智能分布式光伏微電網系統的保護設定應能根據實時信息對整個系統中出現的故障作出高效準確的判斷，以達到市政電網保護系統所要求的：迅捷性、靈敏性和可靠性。并且該保護系統能同時適用于并網運行及離網運行兩種狀態，即當進行并/離網切換時，該保護系統不會出現失效的情況。

智能分布式光伏微電網的系統保護方法主要分為：過流保護、電壓保護、補償保護、適應保護及差動保護等［13］。其中蘇海濱等還通過數值模擬，提出利用安裝中央控制器（智能數值測量單元）來代替傳統繼電器的系統保護方法，其不僅可以降低系統的投資成本，還提高了系統的可靠性［14］。

3 結語

智能分布式微電網系統由于盡量利用了分散式的可再生能源，且采用了先進的監控、控制、通訊及計算機等技術，因此其不僅實現了節能減排、降低損耗的目的，還實現了電網系統智能化的目的，從而得到高度重視。但是隨著智能分布式微電網系統在整個配電系統中的比率上升，那么如何提高智能分布式微電網系統的人機交流能力、實時數據監控能力、分析預測能力、故障準確定位能力、群控能力、多能源協調能力等將成為智能分布式微電網系統的研究重點。并且伴隨智能分布式微電網系統的建設數量增多，可能會出現區域性虛擬電站的建設劃分、電量統一上網等問題，這些都需要國家來統一管理和協調。