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微电网研究综述

摘 要：微电网是近些年提出的一个为解决传统电力系统众多问题的新概念。本文旨在阐述微电网的概念，通过对微电网发展历程的介绍，说明微电网与传统电力网络、分布式电源的联系和区别。文章的第二部分介绍了微电网的研究现状和技术特点。介绍了微电网中的电源与储能系统，说明了微电网中的能源特点，指出其在数学模型上存在的弊端；分析电力电子技术在微电网中关键领域的应用，特别介绍了多功能并网逆变器在微电网并网中的作用；能量管理系统通过综合分析多方面因素，对运行方式作出相应的调整，是微电网稳定经济运行的保障。文章总结部分分析了对电力系统的发展现状，对微电网技术的应用前景和发展潜力进行探讨。

关键词：微电网；分布式电源；电力电子技术

前言
随着国民经济的发展，电力需求持续增长，电网规模不断扩大，超高压远距离传输网络在近些年越来越被重视，与此同时，传统的大型火电站、水电站也一直在投资建设当中。但随着传统电网规模的进一步扩大，诸多弊端日益凸显出来：资源消耗大，能源利用率低，对环境造成的污染大，运行困难、成本高等。特别是近些年，世界范围内接连发生几次大面积停电事故之后，电网的脆弱性更加充分地暴露出来。为了解决这一问题，分布式发电和微电网的概念先后被提出。
微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统[1-3]。凭借微电网的运行控制和能量管理等关键技术，可以实现其并网或孤岛运行，降低间歇性分布式电源给配电网带来的不利影响，最大限度地利用分布式电源出力，提高大电网的供电可靠性和电能质量。将分布式电源以微电网的形式接入配电网，被普遍认为是利用分布式电源有效的方式之一[4-7]。
本文主要综述了微电网的概念和结构；第二部分分析了微电网中的关键技术和相关研究；第三部分给出了本文的总结。
1 微电网的提出与发展
随着传统电网脆弱性的充分暴露和地球资源的日益短缺，人们开始寻求新的发展方向以应对目前的局面。分布式发电具有运行可靠性高、能源利用率高、安装地点灵活等多方面优点，有效解决了传统电网存在的诸多问题。许多国家对分布式发电系统进行了广泛的研究和实践，针对不同能源的高效利用做出了深入的研究，并取得了许多突破性进展。分布式发电技术为电力系统的发展方向提出了新思路，将其作为原有大型电网的有力补充和有效支撑，是电力系统发展的新方向。
然而随着对分布式发电研究的深入，其固有的一些弊端逐渐显现出来，比如单机并网成本高、发电不稳定、电能质量差等，特别是当大量的分布式电源接入电网后，由于其运行投入的随机性和不确定性，将对电力网络造成强大的冲击，影响电力系统运行的稳定性。也正因如此，分布式发电的发展被严重限制。

图1 CERTS提出的微电网结构
为了协调分布式电源与传统电网的矛盾，微电网的概念应运而生。微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统，它通过电力电子器件对分布式电源进行运行控制和能源管理，最大限度地利用分布式电源出力，提高供电可靠性和电能质量。微电网的出现解决了分布式电源与电力系统之前的矛盾，使得配电网不必直接面对大量分散接入的分布式电源。

2 微电网的结构与运行
2.1 微电网中的电源与储能系统
微电网中的电源类型多样，总体上可以分为两大类：可控制电源和不易控制电源。可控制的电源包括燃气轮机、柴油发电机、燃料电池等等，不易控制电源包括风力发电机、光伏电池等有间歇性的电源。建立各种分布式电源的数学模型，对研究微电网的稳定性和运行特性有着重要的意义，但不同类型的电源在微电网中同时运行，这使得对微电网的电源模型分析变得十分复杂。文献[8,9]分析了微型燃气轮机、燃料电池、风力发电机、光伏电池等的运行特性，建立了这几类电源的动态模型。由于国内外对微电网电源的建模方式多样，且不同模型均有各自的优缺点，因此普遍使用的微电源模型还没建立，微电源的建模技术还有待进一步研究和完善。
储能系统是微电网中的一个重要的组成部分，它由储能单元和双向的变流器构成，实现了能量在电网与储能单元之间的双向流通。储能系统既可以看作是微电网中的电源设备，也可以看作是分布式电源与电力系统之间的能量缓冲装置，在微电网孤岛运行和并网运行时都起到重要作用。在并网运行时，储能系统在负荷高峰期释放能量，在负荷低谷期吸收能量，从而达到对电力系统的运行起到削峰填谷的作用；在孤岛运行时，储能系统起着加快切换时间，改善电能质量和平衡多种电源间响应时间不一致的弊端的重要作用。文献[10,11]建立了储能系统的数学模型，分析了其各自的模型特性，对微电网中储能的作用进行了分析和论述。
分布式电源与储能系统结合在一起，构成了微电网中的能源系统，两者之间的结合使得微电网在不同的运行状态下更加灵活和稳定。此外，微电网电源容量的优化配置直接影响能源的梯级综合利用效率、供电可靠性和电能质量等关键技术指标。文献[12]在分析分布式电源功率特性的基础上，考虑微电网系统中分布式电源、能源资源、储能和负载之间的匹配关系，构建了经济成本、供电可靠性和环境效益的量化目标函数，提出了混沌多目标遗传算法对独立运行微电网系统容量进行优化配置。微源、储能的选址定容和规划是微电网构建需要解决的重要问题，微电网的选址应主要考虑与本地负荷和分布式电源分布相适应以及能否有效支撑电网运行。
2.2 微电网中的电力电子应用
近些年来高速发展的电力电子技术在微电网中的应用十分广泛，它已经成为实现微电网快速、连续、灵活控制的重要技术手段。电力电子技术在微电网中的应用领域主要有：柔性交流输电（FACTS）技术、配网静止同步补偿器（STACOM）、有源滤波器（APF）、统一电能质量调节器（UPQC）等诸多新型电力电子装置的出现，使得电网中电压、频率的调节更加灵活迅速，并且使微电网可以灵活地选择网内运行频率和运行电压以适应不同的应用场合。控制策略和控制模式主要依靠恒功率控制（PQ 控制）策略、恒压/恒频控制（U/f 控制）策略、下垂控制（Droop 控制）策略和及其组合或改进策略来实[13,14]。电力电子接口单元感知所在连接点的电压、电流信息，接受中央控制器的设定指令，按照设定向电网输送功率并保持公共连接点电压稳定是微电网逆变系统控制的基本要求，电力电子接口的有效控制是提高微电网运行灵活性的重要手段[13-14]。
中国电力科学研究院已经自主完成了微网微源的智能接口技术如“同步逆变器[15]”的研发，在虚拟电机技术、三相四线制供电、基于分频下垂调节的具备主动谐波治理能力的谐波下垂控制器、可改善电压调整的容性等效输出逆变器等，以及微网与柔性电力装置的联合应用方向逐步形成体系，为柔性电力技术在配网及微网中的应用逐步提供较为齐全的解决方案。
2.3 微电网的能量管理
不同于以往最初期电力系统的分散供电形式，微电网供电虽然也是分散式，但采用了大量先进的现代电力技术，无论是在能源的利用率上，还是在控制和运行方面，都与以往的电力系统有了极大的改进。电力电子技术使微电网与配电网形成一个有机的整体，可以灵活连接、断开，使微电网在不同的模式之间平滑的切换。
能量管理策略可以高效的管理微电网与配网间的能量交换，实现分布式能源的最大化利用。因此，微电网的集群控制技术和能量管理技术成为当前研究的重点方向。电力电子技术的发展使得微电网中多个供电单元、装备或接口的协调控制得以实现。针对网内多源协调控制问题，如储能与微电源间协调控制、储能与储能、微电源与微电源、逆变器接口与接口等，其动作时序配合问题、响应速度匹配问题都值得关注与梳理。文献[16]描述了一种面向微电网的能量管理系统，并对其作为规划工具在微电网的经济运行中的应用作了具体介绍。
3 总结与展望
微电网是电力系统发展的新方向和新趋势，具有节能环保、结构灵活、运行稳定等诸多优点。不难看出，微电网发展前景非常广阔，特别是结合到中国的国情，发展微电网是非常必要的。经济快速发展的背后，需要强大的资源和能源的支撑，微电网的大力发展，不仅大大的提高了能源的利用率，而且使得我们对新能源的开发和利用更加充分。中国地域广阔，一味地发展特高压线路会造成资源利用率低、电网运行不稳定等多方面的问题，而微电网的出现，不仅使这个问题迎刃而解，并且通过对电网的削峰填谷，使电网的发电设备得到充分的利用，实现经济运行。
通过以上的分析，可以看出，微电网作为传统大电网的一个补充和改进，毫无疑问，具有十分巨大的发展潜力。

参考文献
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