智能微電網關鍵技術探究

高吉榮

（山東理工職業學院，山東 濟寧 272067）

0 引 言

隨著經濟的快速發展，越來越多的能源出現短缺現象，環境保護也成為人們關注的重點。我國傳統的電網模式是距離遠、高壓強的大電網模式，安全性及可靠性都存在諸多問題。所以，可再生能源的出現和使用越來越受到人們的歡迎。分布式電源的特點是污染小、利用率高、安裝簡單等。但是，如果有大量的分布式電源接入配電網，就會直接對配電網造成極大的負面影響。此時，微電網技術的使用有效緩解了當前分布式發電存在的接入問題，合理優化了負荷的增長形式，在降低能耗的同時提高了電力系統的安全性與可靠性，在天氣惡劣的情況下仍然能夠不受影響為用戶提供電力，可以最大化滿足人們對電能質量的需求。

1 智能微電網簡介

微電網技術也被稱之為微網，所構成的發配電系統是由儲能裝置、監控、分布式電源、保護裝置以及負荷等共同組成的。微電網關鍵技術的提出是基于分布式電源靈活性、高效性的基礎上實現的，能夠有效解決形式、數量較為豐富多樣的電源并網問題。微電網在開發期間需要促進分布式電源與可再生能力實現大規模接入，可以為負荷多種能源而提供一定的可靠性。這是實現主動式配電網的一個重要手段，還能夠促進傳統電網平穩過渡至微電網[1]。

2 智能微電網的運行方式

2.1 并網運行方式下微電網的運行特性

在并網運行模式下，微電網必須依靠PCC點才能夠完成與大電網之間的連接。在完成連接期間，如果微電網內部分布式電源具備的電能無法滿足負荷需求，那么微電網需要通過外部能量的吸收進一步滿足負荷需求。如果微電網內分布式電源所具備的電能在滿足負荷需求的同時還有剩余，那么大電網會逐漸吸收這些電能。

并網運行期間，它所產生的內在功率需要經過大電網實現平衡調節，同時頻率會因為大電網的變化而隨之發生改變，以此不斷維持自身的穩定性。就電壓的角度來說，微電網是需要依靠外部的大電網維持電壓支撐的。由于分布式電源中定壓呈現的穩定性只針對局部，因此對局部電壓的調整極為關鍵[2]。如果局部電壓沒能得到有效控制，會導致分布式電源發生電壓偏移現象。

2.2 孤網運行方式下微電網的運行特性

微電網以獨立的方式運行被稱為孤網運行。通常情況下，孤網運行還包括計劃內與計劃外兩種。在孤網運行時，如果電網發生故障或者大電網的電能質量低于標準，微電網則可以實現獨立運行，這就是計劃外孤網運行。計劃外運行既能夠保證微電網的穩定運行，也能夠確保大電網正常運行，大幅提高了供電安全性。站在環保的角度上，微電網一般會主動脫離大電網實現獨立運行，這樣的行為是計劃內運行方式。

通常來說，在孤網運行期間，微電網的頻率控制非常重要。就傳統角度而言，頻率的控制是基于旋轉體控制的前提完成的，主要原因是發電機具備極強的慣性，所以頻率方面所發生的變化極大[3]。微電網的構成是以電力變換器件為主，大部分都沒有與旋轉體相連接。加上燃料電池的慣性非常小，所以在控制微電網頻率時，應該借助儲能設備或者頻率下垂等方式實現對頻率的控制。電壓方面的控制實際上是一個局部控制，所以無論是并網情況還是孤網情況都沒有太大差別。

3 智能微電網的控制模式

3.1 主從控制模式

當微電網呈現孤網運行時，是以主從控制為主的，而儲能裝置方面的控制也需要借助頻率或者電壓來實現。選擇U/F方式完成對DG的控制，而該控制器則被稱為主控制器，DG控制為從控制器。所有的從控制器都能夠按照主控器的方式決定自己的運行方式。

以主控制的數量為依據，可進一步細分為單主從或者多主從控制。并網運行時一般會選擇PQ方式展開控制，而孤網運行時則選用U/F的控制方法，其他電源以PQ進行控制，這樣可以確保兩種工作模式能夠實現可靠的運行[4]。

3.2 對等控制模式

實際上，對等控制在微電網中的含義是賦予所有分布式電源同樣的地位，而不是像主控制單元一樣占據了較為重要的地位。目前，在對等控制模式下的微電網都具有“即插即用”性能，且該性能并不會改變微電網的電源基礎，可以隨意接入分布式電源，而系統則會根據自身所具備的調節功能進行平衡。所以，將對等控制模式應用于微電網，簡單利用本地控制的手段平衡分布式電源就可以實現，可以選擇不同分布式電源建立通信。

對等控制與主從控制相比，分布式電源都能夠自動分配功率動態，便于智能電網實現“即插即用”的功能，同時也便于DG的接入，在節約通信費用的同時也節約了微電網成本。基于這樣的情況，微電網無論處于何種運行狀態，都不需要改變微電網對于DG的控制模式，很大程度上方便了切換的實現。

3.3 分層控制模式

分層控制是主從控制的一種。所謂分層控制實際上就是將管理組織細分為多個不同的層級，每一個層級都需要服從整體目標。站在整體目標的層面上，控制活動的獨立性很重要。加上選擇分層控制方式，可以充分利用電力系統的自身組織、體制和結構等調度各個層級，以職責、單位、任務等作為指標，展開對電源的有功功率、線路潮流以及無功電壓的控制與管理。

一般來說，分層控制通常具備一個中央控制器。這個中央控制器的作用是向微電網發送控制信號。一般來說，中央控制器可以通過預測方式了解DG對負荷的需求，從而根據其需求情況為其制定合理的運行計劃，通過采集電流、電壓等信息來適當調整計劃，在確保電網電壓穩定性的同時為系統提供保護。

3.4 控制模式的比較與分析

一般主從控制在運行期間需要依賴PQ完成控制，原因是該控制模式是以風能和光能為主，具備極大的不確定性。例如：在孤網運行期間，微型燃氣輪機一般選擇恒頻恒壓的方式進行控制，以維持系統的穩定性。但是，該模式以一個DG作為主控制單元，在一定程度上要求DG之間應建立通信，成本增加的同時降低了可靠性[5]。此外，該種控制方法對于整個系統的依賴性較強，一旦主控制單位通信失敗，那么整個微電網就會徹底癱瘓。

對等控制方法在控制過程中不需要DG之間建立通信，因為所有分布式電源的地位高度相一致，展開控制的過程中冗余性的存在是必然。但是，該種控制方法沒有對電壓和頻率的恢復展開考慮，會導致發電機出現二次調頻問題，一旦微電網遭到破壞，將無法保證頻率的質量。

分層控制的特點是通信聯系并不要以強聯系的方式為主，而中心控制器能夠完成對微電網的管理，且隨著科技的快速發展又出現了多微電網概念，而在這樣的環境下分層控制成為了首選。Agent控制技術的優勢在于具備自發性、自治性和一定的響應能力，所以將其應用于微電網可以有效滿足其在分散控制方面的需求。

4 智能微電網關鍵技術

4.1 微電網的運行

就目前來說，微電網系統的運行方式分為兩種：一是同大電網相連實現并網運行；二是獨立孤網運行。

正常運行狀態下，微電網在并網模式下展開運行，可以與大電網展開能量交換，也能夠將多余的電能傳輸給大電網。如果微電網中發電量不足，大電網可以為其提供能量。在微電網試驗平臺中可以展開相關的驗證。在合理的控制手段下，微電網可以選擇并網運行或者孤網運行，并在兩種運行模式之下實現有序的轉換。

系統在監測期間如果發現主網中存在故障或者因電能過低無法滿足運行時，微電網則會自動切斷與大電網之間的連接轉換為孤網運行模式，同時微電網中的負荷或通過DG完成供電[6]。這樣的情況下，系統能夠有效為用戶以及負荷提供充足、可靠的電能，是孤網運行的意義所在。

4.2 微電網的控制

與大電網相比，微電網是一個可以控制的單元模塊，自身具備的電能可以有效滿足用戶對于負荷方面的需求，所以在實現功能的同時也要注意對微電網的控制和管理。一般的控制方式就是利用控制設備來完成。控制設備由可控制負荷管理器、分布式電源控制、中央能量管理系統以及繼電保護裝置等組成[7]。在微電網的控制過程中，一旦出現電力網絡故障，該控制系統應該在第一時間做出判斷和響應。需要先斷開與主電網的連接，并快速就微電網內部的發電裝置進行轉換，以此保證微電網順利轉換為孤島運行模式。

微電網控制的主要目標：能夠有效調節微電網內部的饋線潮流，分別控制無功和有功；針對每一個微型電源的接口處電壓展開合理調節，從而確保電壓的穩定性；微電網在孤網運行期間，每一個微型電流都應該保持快速響應狀態，以此減輕用戶的負荷；基于系統的實際需求和運行情況，利用平滑方式完成對主電網的分離。

4.3 微電網的保護

就微電網的保護角度而言，傳統形式下的保護方式與實際運行中的微電網保護方式之間存在很大的差異：饋電潮流是以雙向流通的方式為主；無論微電網處于何種運行方式，其內部所分布的饋線非常多，各種短路的電流之間也存在極大差別。

所以，微電網在兩種不同的運行情況下如何快速感知微電網內部故障或者并網運行時主網所發生的故障，當感知到故障后如何對其展開快速、有效的保護，是當前微電網的技術難點。在孤網運行期間，一般內部分布式電源發生故障而產生的故障電流非常小，而大電網中的保護裝置基本上感應不到其故障，因此需要選擇更加靈敏有效的故障診斷方式。

在微電網中能夠影響保護環節的部分包括分布式發電系統、微電網容量以及負荷類型等。因為分布式發電系統與儲能元件的類型不同，對于保護裝置帶來的影響也不盡相同。加上微電網處于不同的拓撲結構下都會對保護裝置造成影響，因此這些方面需要格外重視[8]。

4.4 微電網的經濟性

在推廣和不斷發展微電網技術的過程中，它所具備的經濟性極為重要。微電網處于經濟性運行期間，可以充分借鑒和應用大電網的電能交易或者資源配置方面的經驗，以此實現微電網的優化。微電網具備的優勢較多，如微電網可以按照客戶的實際需求為其提供相應的電能，具備極強的個人服務特色。目前，它的經濟性主要表現在兩個方面。一方面，運行方式與投資都得到了極大提升。就能量管理系統而言，可以有效滿足當地對電、熱、冷、電能質量等方面的需求，并以此為依據決定微電網中分布式發電系統運行和配網所需要的電能總量。另一方面，微電網的經濟效益需要完成量化與評估，這是促進微電網運行和加大投資的重要手段。但是，目前還沒有一套高效率且完善的方法能夠評估和量化微電網。

5 結 論

智能微電網技術上就是集分布式發電、儲能裝置以及用戶負荷于一體的組合，能夠使其形成一個相對微小且可控制的電力網絡，還能夠根據客戶的不同需求為其提供電能和熱能需求。這樣既妥善解決了分布式電能的接入問題，也可最大限度地利用分布式能源具備的節能性、高效性以及靈活性等優勢，促使微電網成為大電網的重要補充。