微電網技術在高原高寒地區配電網供電中的應用綜述

楊金東，楊延軍，吳萬軍

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217； 2.云南電網有限責任公司迪慶供電局，云南 迪慶 674400）

0 前言

高原高寒貧困地區是社會、經濟發展較為薄弱地區，其電網基礎設施相對落后，傳統能源難以保證當地經濟、社會發展的需求。加之地理環境復雜，自然災害多發，深度貧困，供電問題突出。且此類地區多處于配電網的末端，網架薄弱，對外單條輸電線路供電聯絡，不滿足N-1可靠性配置，因設備檢修、故障年度停電時長可達200 h以上。同時電壓不合格問題非常突出，由此帶來的電器損壞、客戶投訴、小水電棄水等現象嚴重，制約著當地的生產、生活發展。此外，這類地區生態脆弱，環保要求高，網架建設易破壞生態，受環保、地理、投資條件限制，短時間內難以通過電網規劃建設完善網架，使得供電與生態保護矛盾長期存在，亟待尋求兼顧供電可靠性、環保要求、電網收益的解決方案。

本文從高原高寒貧困地區配電網供電問題的常規技術出發，分析常規技術存在的局限性，引出采用微電網技術解決高原高寒貧困地區配電網供電問題的觀點，結合國內外微電網技術研究現狀，提出了適用于高原高寒貧困地區微電網典型模式，闡述了高原高寒貧困地區微電網規劃設計、控制、設備測試及選型和電能質量治理等關鍵技術及存在問題與考慮。為高原高寒貧困地區形成綠色可持續能源解決方案，探索智能配電網業務發展提供新的技術支撐。

1 現有技術手段及其局限性

解決高原高寒貧困地區配電網供電問題是一項涉及多專業、多維度的復雜系統工程，既與電網的運行、維護、規劃建設緊密相關，也與政府環保、林業等相關部門政策千絲萬縷。根據調查研究結果，目前解決高原高寒貧困地區配網供電問題的常規技術手段主要有生產技改、故障定位隔離、規劃建設和微電網技術4種，此外還有嚴格的配電網管理措施。

1.1 生產技改

在生產技改方面，主要是指運用新技術、新產品等高新技術，對電網進行局部的改造，提高配電網供電可靠性和對電壓偏差的耐受度[1]，例如對設備升級改造和更換，推廣帶電作業、無人機等方式，然而，生產技改只能局部改善網架，對于N-1供電問題，仍然無法解決。

1.2 故障定位隔離

在故障定位隔離方面，采用10 kV饋線配電自動化，但受限網架N-1問題，無法轉供電，安裝故障指示器，開展故障定位[2]，受產品功能及使用壽命限制，應用效果不佳，故障定位正確率不到20%，這些方法也無法從根本上解決高原高寒貧困地區供電問題。

1.3 規劃建設

在規劃建設方面，主要考慮高壓配電網規劃升級和建設改造，往往容易忽略中低壓配電網的規劃和建設改造，而恰恰中低壓配電網是鄉鎮發展不可或缺的重要支撐。中低壓配電網規劃建設時普遍存在單條線路供電聯絡，不滿足N-1可靠性配置，導致中低壓配電網網架薄弱、電力通信設施落后，電壓越限等電能質量問題突出，很難滿足鄉鎮發展要求[3]。

對于高原高寒貧困地區，地理條件更加惡劣、加之投資回報率低，環保限制明顯，通過新建線路、變電站等電網建設措施提升供電質量更加困難。

1.4 微電網技術

微電網是指分布式電源、用電負荷和儲能設備共同構成的微型配電網，支持并網運行和獨立自主運行[4]。目前采用含可再生能源的微電網技術解決供電問題是一種新的趨勢?？紤]高原高寒貧困地區的地理，經濟發展狀況，因地制宜開發利用可再生能源是可持續發展必然趨勢[5]?，F階段，多種可再生能源互補、分布式發電并網控制、微電網等技術已相對成熟，為解決高原高寒貧困地區供電問題提供了思路[6]。

2 微電網典型模式

高原高寒貧困地區存在大量無電或缺電情況，但此類地區多具有多種類型的可再生能源資源，如水能、太陽能、風能與生物質能等。因地制宜地利用多種可再生能源構建含可再生能源的微電網系統是解決高原高寒地區供能問題的重要途經。可再生能源微電網技術是一種普適性技術方案。由于不同地域可再生能源資源稟賦各異，可再生能源微電網技術模式多種多樣[7]。主要包括離網型、并網型、冷熱電聯供型和微電網群等模式。

2.1 離網型

如圖1所示，離網型微電網是由柴油發電機組，光伏、風電及其他分布式可再生能源發電，儲能和用電負荷組成。具備獨立供電及獨立儲能功能，柴油發電機或者儲能裝置采取電壓源模式提供穩定電壓進行供電，光伏、風電及其他分布式發電以電流源模式接入，結合柴油發電機和儲能裝置共同支撐負荷運行。離網型微電網多應用于遠離大電網的區域，例如海島、戈壁灘、偏遠農村和山區等地區[8]。

圖1 離網型微電網基本架構圖

2.2 并網型

如圖2所示，并網型微電網主要是由光伏、風電及其他可再生能源發電單元、儲能裝置、負荷單元和電網構成，區別離網型微電網之處在于，其直接并入大電網。具備并網運行和獨立自主運行能力，并網運行時，由電網提供電壓支撐，光伏、風電等分布式電源直接以電流源模式接入，結合儲能設備和負荷協調運行。獨立運行時，可斷開電網，由小水電機組、儲能等提供電壓支撐，光伏、風電等分布式電源直接以電流源模式接入，共同支撐負荷運行[9]。并網型微電網廣泛應用于大型區域供能網絡和電網覆蓋到的可再生能源資源豐富地區。

圖2 并網型微電網基本架構圖

2.3 冷熱電聯供型

如圖3所示，冷熱電聯供微電網是指由電力網絡和熱力網絡共同構成的微電網單元。電力網絡包括光伏、風電、水電等分布式發電單元、儲電單元和電力負荷等。熱力網絡由太陽能熱利用、熱電聯產裝置、儲熱單元和熱負荷構成。電能和熱能通過熱電聯產裝置構架聯系，共同支撐微電網協調運行。冷熱電聯供微電網主要運用于相對集中富裕地區及園區綜合能源服務方面[10]。

圖3 冷熱電聯供型微電網架構圖

2.4 微電網群

如圖4所示，微電網群是指多個微電網共同組成的微電網集群系統。主要強調各個微電網直接的相互聯系和協調運行。充分利用區域能源結構，因地制宜就地支撐負荷運行。同時微電網群間協調互補，最大化發揮可再生能源資源優勢。這勢必要求微電網更加智能化[11]。

圖4 微電網群架構圖

3 微電網關鍵技術及其考慮

隨著可再生能源發電技術和儲能利用技術的迅猛發展，微電網技術的研究與應用在全球獲得了廣泛關注。國外方面，美國和日本在微電網技術研究與應用方面處于領先地位，歐洲各國緊跟其后。他們主要針對微電網技術中的系統構成、控制、能量管理、保護、運維等方面進行了大量研究，并先后建設了一定數量的微電網實驗平臺和示范工程。美國發展微電網技術的主要目的為服務軍事基地，保障其供電可靠性同時達到緩解供電網絡高峰供電壓力。日本研究微電網技術主要服務于智能社區建設方面，提高居民生活品質。歐洲則更傾向于保護環境，降低用電成本，實現可再生能源最大化利用。目前，國外對微電網技術的研究大都集中于關鍵技術和示范應用，技術層面多為定性分析，量化分析較少，而示范工程又多應用于發達地區智能化供電，在高原高寒貧困地區由于其技術適用性差，基本無應用。

伴隨著分布式發電迅速發展，微電網技術在該領域實現了高級拓展和應用，相較于美日等國，我國在微電網領域的研究起步較晚，但大量的學者開展了深入的研究，近幾年微電網控制優化、協調運行、電能質量提升等技術發展迅猛。文獻[12-13]分別從經濟性和穩定性角度出發，通過超短期預測技術和動態下垂控制策略給出了微電網運行優化控制方法。文獻[14]提出了基于小波分析和概率模糊集策略集合的馬爾可夫決策過程的微電網并網點功率優化控制方法，來實現微電網系統友好并網。文獻[15]基于三環控制策略提出了微電網并網/離網雙模式無縫切換技術，保障微電網穩定運行。文獻[16]考慮可再生能源的波動性和多市場博弈的復雜關系的前提下，提出了一種基于兩階段魯棒博弈模型的交直流混合微電網協調能量管理方法。文獻[17]從微電網主逆變器角度出發，提出了一種基于虛擬諧波阻抗的諧波抑制策略來提高微電網電能質量。文獻[18]運用電路疊加理論提出一種基于輸出電壓復合控制逆變器并網諧波電流抑制策略，降低并網逆變器向微電網注入的諧波電流?？梢钥吹絿鴥葘W者對于微電網技術研究主要側重于微電網的控制和優化、并離網模式無縫切換，交直流混合微電網和多微電網協同優化的運行、能量管理、電能質量治理等。但從實際需求出發，考慮經濟、可靠的適用于高原高寒貧困地區微電網技術的設計集成、能量管理和可持續發展模式還亟待研究。

3.1 規劃設計

在規劃設計領域已有眾多機構開展了研究，并開發了微電網規劃軟件[19]，如美國圣地亞國家實驗室的微電網設計軟件（MDT），其具備微電網選址定容功能；美國新能源國家實驗室的可再生能源互補發電優化建模（HOMER）軟件，其具備系統仿真分析功能，可進行微電網輔助設計[20]；美國能源局下屬的伯克利國家實驗室的分布式能源客戶選擇模型（DER-CAM）軟件，其可根據目標設定經濟性約束條件進行微電網設計[21]。中國科學院廣州能源研究所的熱冷電三聯產系統優化設計工具包（DCOT）軟件，其主要針對冷熱電3種供能方式進行組合規劃設計；天津大學的微電網規劃設計軟件（PDMG），可通過系統經濟性與技術性綜合考量來進行微電網規劃設計[22]。不同微電網規劃設計軟件具有不同優化目標和特征，上述軟件多數在實際微電網工程規劃設計中得到驗證，應用效果良好。但現有的微電網設計軟件多側重于微電網中供電系統的需求分析，如保證供電的可靠性、經濟性、靈活性，保障分布式發電設備安全接入等。而與之相關的其他能源規劃設計則考慮不足，技術方案相對簡單。此外，設計軟件還缺乏用于綜合分析各種能源需求的評價指標體系和評價方法，不具備方案自動生成、用戶自動比選和優化設計的功能，因此，規劃設計技術已成為制約微電網在可再生能源豐富的邊遠地區大范圍推廣應用的一個重要瓶頸，亟需解決。

3.2 運行控制

在微電網系統運行和能量管理控制方面，研究內容主要包括多微電網分層控制和各種形式微電網能量管理以及微電網多能協調控制運行等。

能量管理方面，目前國際上的主流能量管理技術為儲能單元與發電單元統一建模的能量平衡優化技術、基于多Agent的微電網能量管理技術等，通過對不同形式供/用能系統的聯合調度實現微電網系統經濟運行和環境效益最優化，例如美國可再生能源國家實驗室的HOMER能源系統軟件，該軟件包含能量管理相關策略與模型。日本松下電器公司的建筑能量管理系統、家庭能量管理裝置等產品，在日本藤澤、橫濱可再生能源小鎮中實現商業應用[23]。丹麥技術大學（DTU） 建立了Bornholm 島微電網控制系統，實現了多能互補系統的并離網穩定運行。奧爾堡大學在微電網分布式集群自治控制方面提出了分層控制算法，用于提高控制性能[24]。在國內，也有一些機構進行了能量管理控制技術相關研究。中科院電工所、天津大學等單位開發了含村級能量管理系統和家庭能量管理裝置的分層分布式能源管理系統，以及園區能量管理系統，并在青海、天津等地示范應用。

在微電網系統多能協調控制策略研究方面，綜合考慮集中式控制體系與分散式控制體系的優缺點，國內外研究學者提出了一種基于網絡控制理論的分布式控制體系及相應的控制方法?？紤]微電網系統中物理環境的分布性與復雜性，研究人員以傳感網為通信媒介，針對微電網系統分布式控制體系開展了相應的分布式協同控制方法研究，如利用分布式協同控制技術構建了分布式電源無功出力和無功補償設備的協同控制策略，以解決海量分布式電源的協同控制。但受微電網規模、結構、控制目標、約束條件等的多種因素影響，目前微電網系統的分布式協同控制問題研究還具有挑戰性。目前的研究主要考慮通信對于控制性能的影響，控制目標比較單一，僅針對局部優化控制問題，且約束條件中對通信和計算力因素缺乏考慮。與分布式控制類似，分層控制體系也是一種綜合集中式控制與分散式控制優點的控制體系，但與分布式控制僅能夠處理物理特性完全相同的設備不同，分層控制可以用來控制具有不同物理特性的、互相連接的設備，即同時對分布式發電系統、儲能系統、負荷等不同類型的設備進行協調控制，實現微電網系統的靈活管理和運營。同時增加信息監控與安全管理功能，從而降低通信網絡干擾、中斷威脅等對系統可靠性的不利影響。

3.3 設備選型

直至今日，國內電力電子設備的設計及應用標準對使用環境的要求都是海拔不超過2000 m，超過2000 m大多需降額運行，以滿足其本身的功能和性能。究其原因，一則有關我國西部特殊環境條件下的基礎國家標準長期處于空白狀態，相應的電力電子產品標準嚴重缺乏，二則過去相當長一段時間內，高海拔偏遠地區應用電力電子變流裝置的工業較少，導致使用需求不多。雖然我國相關研究機構制訂了部分高原環境的電力電子設備標準，并開發了部分高原型產品。但這些研究機構的研究對象主要以材料為主，對于電力電子整機設備測試方法和內容涉及甚微。

高海拔貧困地區具有較惡劣的自然氣候條件，主要表現為空氣壓力或空氣密度低、空氣溫度低、溫度變化大、空氣絕對濕度較小、大陽輻射照度較高等。在高原地區，設備測試選型需考慮高海拔環境因素對電氣設備運行所造成的不良影響，選型時須注重提高電氣設備可靠性和安全性，此外需要考慮降額配置。筆者認為設備選型時需要從以下幾個方面考慮消除高海拔影響：①設備選型時電氣設備電氣間隙盡量大于高海拔校正因數；②開關設備要注重其開斷滅弧能力；③注重電氣溫升處理能力，可做降額配置；④提升電氣設備耐低溫能力。

為突破高海拔地區儲能和電力電子設備測試技術，筆者認為應首先分析高海拔地區特性，例如氣壓低、溫差大、濕度小和輻射高等，對電力電子設備的影響機理。并開展多方面測試實驗研究，如絕緣性能測試、產品溫升測試、電弧性能測試、電氣間隙測試、絕緣材料的熱老化壽命測試、機械熱應力測試、絕緣材料的加速老化測試等研究，然后基于現有相關適應高海拔地區的規范和標準，針對系統運行、系統設備及其電氣特性，開展高海拔地區特性實驗序列的研究，形成高海拔低地區針對光伏/儲能等電力電子設備測試的多環境因子實驗序列。通過測試單項測試實驗、單個環境因子之間的相互影響關系來設計不同序列的實驗方法，最后建立高海拔地區氣候和多環境因數的電力電子設備測試方案，為高海拔地區設備選型提供支撐。

3.4 電能質量治理

高原高寒貧困地區微電網通常存在電壓越限、三相不平衡和諧波諧振等電能質量問題，嚴重影響了微電網供電可靠性。由于國家精準扶貧政策的推動，新能源發電以區域形式爆發性的增長，給脆弱的農村配電網帶來嚴重的諧波超標和電壓偏差問題。伴隨著大規模高密度、分布式的電源多點接入，農村配電網已呈現潮流復雜，運行控制困難等問題。加之，農村配電網供電能力本身較弱，線路阻抗大，基本以單相負荷為主，用電負荷分布不均，用電高峰期呈現嚴重的三相不平衡，導致某個單相電壓過低、諧波增大。這更加劇了農村配電網電壓越限、三相不平衡，以及諧波電流增大且呈現隨機分布問題，極易造成配電設施和用戶設備損壞[25]。

為了滿足電網末端電壓指標及供電要求，一般采取調整變壓器分接頭的措施使輸出電壓升高。此時在電網無負荷或輕負荷，以及光伏發電無法就地消納的情況下，光伏發電接入將造成電網電壓進一步抬升，超出標準上限，致使光伏逆變器停機，大量的光伏被棄光。部分光伏逆變器廠家以盈利為目的，不顧及供電質量問題，未依據電網功率平衡輸出特性安裝光伏，在電壓超標的基礎上強行發電，造成電網諧波、電壓嚴重超標，單相電壓最高接近300 V，使電網電壓控制愈加復雜和困難，同時伴隨部分家電被燒壞，使得國家精準扶貧政策形同虛設，給國家、貧困用戶帶來了極大的經濟損失，而且給利國利民的光伏發電產生了負面的影響。

針對高原高寒貧困地區微電網電壓越限問題，首先應分析問題產生原因，研究電能質量問題對微電網供電可靠性影響機理。以無功吸收總量最低為優化目標，提出Q(U,P)的加權方案，分析方案在低壓微電網應用的可行性。然后利用 電壓敏感性矩陣和準靜態分析方法，綜合考慮并網點電壓和注入系統的有功功率，優化Q(P)方案的參數。進一步將無功器件與光伏逆變器相結合，使得光伏系統的備用無功容量增加為逆變器無功容量，解決逆變器無功容量限制的問題。

針對高原高寒貧困地區微電網諧波問題，應該首先分析諧振產生原因，區分電力電子變換器諧振類型，特別是研究諧振問題對微電網供電可靠性影響機理。針對微電網諧波諧振問題，利用系統模型和現場實測數據分析測量得到波形數據，從多個角度考察并網點諧波特性，確定引起諧波諧振的主要影響因素，分析各因素間的相關性，從而明確諧波的產生機理。然后研究微電網中并聯逆變器組的輸出濾波器電感電容元件的諧振條件，提出消除逆變器間LCL諧振的具體措施。進一步分析諧波電壓和諧波電流在電力電子變換器測控電路及輸出濾波電路中的分布傳播規律，研究諧波諧振與分布式可再生能源發電并網變換器的線性控制功能之間的相互影響關系，從而獲得對微電網諧波產生機理的系統認識，最后定量研究諧波諧振對微電網供電可靠性的影響程度和治理方法。

4 結束語

1）高原高寒貧困地區，地理環境復雜，深度貧困，供電問題突出，嚴重影響了當地生產、生活及旅游發展，且大都生態脆弱，環保要求高，網架建設易破壞生態。采用可再生能源微電網技術解決高原高寒貧困地區供電問題已成為新的趨勢。

2）高原高寒貧困地區微電網模式選取應充分考慮基礎網架、地域范圍、小水電和光伏等分布式電源的接入情況，以并網型為主，若無一次網架覆蓋的區域則以離網型為主，但都需兼顧冷、熱供能負荷接入的便捷性。

3）現有的規劃設計方法和軟件不能完全滿足高原高寒貧困地區微電網網架構建的需求，后續研究需考慮用于綜合分析各種能源需求的評價指標體系和評價方法，設計軟件應向規劃方案自動生成、自動比選和優化設計等方面發展，以提升其可推廣復制性。

4）控制方式需充分考慮區域內的小水電，以小水電為主調頻調壓電廠，光伏等間歇式分布式電源和儲能輔助調頻調壓，兼顧源荷分布及其通信條件，選擇控制模式。優先以分層集中式控制模式為主，如區域內有眾多分布式發電接入則可考慮分布式協調控制。

5）目前，國內外在高原高寒地區設備選型方面研究甚微，缺乏精細化評估指標和模型。設備選型方法大多參考標準，考慮降額運行，經濟性及適用性不足。后續應重點開展高原高寒地區環境因素對電力電子設備影響機理研究，構建精細模型指標，從源頭完善設備結構、選材等，提升其適用性。

6）電能質量問題是微電網穩定運行不可忽視的問題之一，應針對性研究電能質量問題對微電網供電可靠性影響機理。尤其重點研究諧波諧振產生機理和防治方法，提升微電網的穩定性。

總之，在高原高寒貧困地區應用微電網技術解決供電問題，應綜合考慮該類地區的可利用能源、負荷情況、微電網設備的響應和運行特性、初始投資、運行維護費用、環境影響因子、能源利用效率以及運行控制策略等因素，選取適合的微電網模式，有針對性地進行微電網規劃設計、運行控制和設備選型等關鍵技術研究，使得整個微電網系統的可靠性、經濟性、安全性、環境友好性能得以實現。并探索集裝箱式，免維護的微電網建設模式，提升可復制性和推廣性，以便推廣復制到其他類似地區及其他國家電網。