智能微電網保護和控制技術研究

舒薇

（懷化學院電氣與信息工程學院）

1 引言

以分布式為最主要特點的智能微電網是一種新型的電網系統，它可以以自身作為分散且獨立的供電系統，也可以與市政電網并聯形成統一的大電網系統。智能微電網的組成主要有電源模塊、電力轉換模塊、電力儲存模塊、輸送模塊、負載模塊和保護模塊幾個部分。智能微電網系統集合了發電和配電的職能，在為用戶提供電力之外，還可以為用戶進行供熱，進而延伸發展為能源系統[1]。

2 智能微電網簡介

智能微電網是規模較小的分散的獨立系統，是能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，既可以與外部電網運行，也可以孤立運行。它是將分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、相關負荷和監控、保護裝置匯集而成的小型發配電系統[2]。微電網主要組成結構見圖1。

圖1 智能微電網組成結構

智能微電網技術代表了未來分布式電力能源供應系統的發展趨勢，是未來智能配用電系統的重要組成部分，對推進節能減排和實現能源可持續發展具有重要意義。憑借微電網的運行控制和保護等關鍵技術，可以實現其并網模式運轉或孤島模式運轉，最大限度地利用分布式電源，提高供電可靠性和電能質量。近幾年，智能微電網成為國內外研究的熱點，這類電網可以有效就近消納分布式能源發出的電能，不需要遠距離長途輸配電，因此，可以大大提高電能的利用率，實現就近發電、就近用電，并且隨著分布式發電技術的不斷進步，微電網成為未來電網的一個發展趨勢。國家電網的“十三五”規劃中明確指出，分布式電源微電網的發展是未來能源變革的重要一環。以風力發電、太陽能光伏為主的分布式新能源開發主要本著“因地制宜，科學利用”的原則，從本質上講，就是在用戶側就近布置發電設備，就近使用，從而提高用電效率，減少輸電損耗與成本。可以預見，隨著我國電改的深入實施，現有供電系統中，政府職能與企業職能將逐步分開，發電與輸配電網徹底分離，發電側競爭市場機制的建立，從而為分布式能源系統的發展奠定了堅實的基礎。正在發生中的能源變革也為分布式電源在電網中應用提供了巨大機遇[3]。智能微電網有兩大優點。

1）發電側“智能化”

微電網要與大電網“友好相處”并支撐大電網，就需要以信息通信、能源調度等層面的智能功能為保障。當智能微電網并聯入大電網系統時，智能微電網可以輔助大電網進行電力峰谷的調節，在大電網進入用電高峰時，通過智能微電網為大電網系統補充供電，降低大電網的供電壓力；在大電網用電低谷時，可以由大電網的空閑負載為智能微電網供電，這樣就可以幫助降低大電網系統由于用電落差過大導致故障產生的機會，保障整個電網運行的穩定。同時，智能微電網也可以獨自以孤島模式來運轉，在遇到大電網故障或者負載不足的情況時，智能微電網可以自動識別并切斷與主網的連接，保證自身系統的穩定運轉[4]。

2）用電側“智能化”

即幫助用戶在不同時段實現科學用電，比如無人值守地控制智能充電樁的充電、放電等。智能微電網由許多獨立供電單元對用戶直接進行輸電，這樣系統就有足夠的靈活性調整能力，為不同電壓要求的用戶提供單獨調整。

隨著風力發電、太陽能等綠色新能源發電技術的普及，分布式發電系統滿足了日益提高的供電穩定性要求、用電負荷快速增長的要求、提高了新能源的綜合利用效果。不過分布式發電的微電網系統也有問題，比如節點接入的費用需求較高、系統控制難度大、對市政大電網存在電壓和頻率的沖擊等，影響了它的發展[5]。

3 智能微電網的運轉特點

3.1 并網模式下智能微電網的運轉特點

在并網模式下，智能微電網需要通過公共連接點并聯進入大電網系統。在并網過程中，如果智能微電網自身的分布式發電單元的電力無法達到使用負荷要求，就必須借助外部能量滿足負荷要求。如果智能微電網自身的分布式發電單元產生的電力在滿足使用符合要求后還有結余，那么這部分結余的電能就會被大電網吸收。在并入大電網后，智能微電網的自身功率需要借助大電網進行調節，其自身頻率也隨之變化，保持運轉的穩定。同時，智能微電網的電壓也要借由大電網系統支持。在智能微電網分布式發電單元中，定壓的穩定性只針對局部，因此對局部電壓的調整極為關鍵，容易導致分布式電源發生電壓偏移現象[6]。

3.2 孤網模式下智能微電網的運轉特點

智能微電網以獨立的模式運轉被稱作孤網運行。孤網運行一般還分為計劃內與計劃外兩種情況。在并網模式下遇到突發情況導致大電網無法滿足使用標準時，智能微電網自動切換到孤網模式，這種情況就叫作計劃外孤網運轉。計劃外孤網運轉可以保證智能微電網長期穩定運轉，提升了供電的安全性。在智能微電網孤網模式中頻率的控制至關重要[8]。傳統微電網的頻率控制主要基于旋轉體來完成，由于發電設備具有極強的慣性，這就導致頻率變化很大。智能微電網主要由電力轉換設備組成，主要設備沒有與旋轉體直接相連，在進行智能微電網頻率控制時，需要借助儲能設備或者頻率下垂等方式實現對頻率的控制[7]。

4 智能微電網的控制模式研究

與大電網不同，智能微電網是一個可控的獨立系統，其控制設備主要有負荷調節器、分布式電源控制設備、中央能量管理系統以及繼電保護裝置等。智能微電網中有多個電源和多處負荷，負載的變化、電源的波動，都需要通過儲能系統或外部電網進行調節控制。這些電源的調節、切換和控制就是由微網控制中心來完成的。微網控制中心除了監控每個新能源發電系統、儲能系統和負載的電力參數、開關狀態和電力質量與能量參數外，還要進行節能和電力質量的提高[8]。

智能微電網控制的主要目標：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，所有微型電流都需要保持快速響應狀態，這樣就可以降低用戶的負荷；基于系統的實際需求和運轉情況，實現平滑從主電網平滑的分離。

智能微電網的控制系統主要有主從控制模式、對等控制模式以及分層控制模式三種。

1）主從控制模式

智能微電網孤網工作時，主要采用主從控制模式，由于沒有大電網的支撐，孤網系統要控制電壓和頻率來滿足孤網系統中敏感符合的要求。通常選擇VF控制模式對分布式發電設備進行控制，所有從控制器都可以決定自己的運轉模式。根據主控制器的數量可分為單主從控制模式和多主從控制模式[9]。

2）對等控制模式

對等控制模式區別于主從控制模式，沒有主控制器占據主要控制地位，而是給予所有分布式發電單元相同的地位。這種平等特性賦予了智能微電網“即插即用”的能力，并且不影響系統的電源基礎，可以根據需求隨時加入分布式電源，微電網系統會智能進行調節來平衡系統負荷。“即插即用”的特性同時也方便了DG的接入，這樣就降低了通信費用的投入和電網建設的成本，同時智能微電網無論運行在何種模式下都不需要調整DG的控制模式，更便于平滑的切換系統[10]。

3）分層控制模式

分層控制是主從控制的一種。分層控制首先將需要管理的單元歸類為不同的層級，每一個層級設有一個控制單元。從整個系統層面考慮，管理控制的靈活性極為重要，通過分層控制模式可以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。分層控制模式一般只設有單獨的中央控制單元，它可以預測DG對負荷的要求，繼而根據要求來安排合理的運轉計劃，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（見圖2）。

圖2 智能微電網控制結構圖

5 智能微電網保護技術

智能微電網在并網和孤網兩種運行模式下如何判別是微電網內部故障或者主網故障，繼而在確定故障位置后如何及時、高效的進行保護是智能微電網保護技術的難點所在。智能微電網保護技術在保護方法和邏輯上均與傳統大電網不同，在實際保護工作中需要重視四個特點

①獨立孤網運行模式下的智能微電網產生的短路電流與并網運行模式下存在差異。

②智能微電網中包含了許多獨立的分布式發電單元，這些獨立的分布式單元在短路時產生的電流也有極大差別。

③基于“即插即用”的特性，智能微電網能比傳統大電網更加快速高效地修復故障，恢復穩定運行。

④智能微電網有許多復雜情況的拓撲構造[11]。

基于上述智能微電網的特點，要保障智能微電網保護措施有效開展需要在整個過程中優先解決以下問題。

①記錄整理已發生故障的特征信息模型，便于在發生故障時迅速查找、定位故障類型和解決方案。因為智能微電網中發電單元設備的參數不同，其電流、電壓暫態穩定特性不同，這樣就可以依據發生故障時產生的電流、電壓的在太穩定特性數據來整理故障排查數據庫。

②開發智能微電網有效性故障的鑒別、修復技術。智能微電網是由多種類型的分布式發電單元構成，他們在運轉模式、組織方式、控制模式方面各有特點，所以要開發出可以快速反應鑒別、修復電網復雜拓撲結構問題的技術。

③進一步加速新型智能終端設備與現有傳統設備的融合和升級，通過智能設備覆蓋智能微電網的控制和保護工作，完成微電網的智能化自動控制和保護[12]。

④要保證智能微電網高速通訊系統和線路的穩定性和安全性，智能微電網在進行自動化控制網絡切換和故障識別、修復等作業時，對傳感器信號的實時性要求極高，如果通訊收到延遲和阻斷就可能對電網穩定運行造成極大影響，所以通信系統要保證全年、全時段的穩定（見圖3）。

圖3 智能微電網保護策略

6 結語

綜上所述，智能微電網是不同于我國傳統電網模式的新型、智能電網系統和技術。智能微電網是目前發展最快的新型電能網絡系統，智能微電網與市政大電網進行電力交換，雙方互為備用，是實現主動式配電網的一種有效方式，這樣可以提高供電的穩定度。智能微電網在降低能耗、提高電力系統可靠性和靈活性等方面具有巨大潛力。智能微電網將成為今后我國電網技術發展的重要部分，其關鍵技術還需要不斷精進和完善。