分布式發(fā)電與微電網(wǎng)

1、分布式發(fā)電1.1 集中式發(fā)電的定義和分類集中式發(fā)電指的是傳統(tǒng)的規(guī)?；?、大容量的發(fā)電方式，所發(fā)出的功率通過高壓交流或者直流輸電線路輸送到負荷中心，然后依次經(jīng)過變電、配電等環(huán)節(jié)為所有用戶提供電力能源。集中式發(fā)電按所用能源的種類分為火電、水電、核電等。1.2集中式發(fā)電的缺點集中發(fā)電、遠距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)的電力系統(tǒng)是目前電能生產(chǎn)、輸送和分配的主要方式，正在為全世界90%以上的電力負荷供電。這種容量越來越大的電網(wǎng)雖有其優(yōu)點，但它也存在一些弊端。隨著負荷峰谷差的不斷增大，電網(wǎng)的負荷率正逐年下降，發(fā)電輸電設(shè)施的利用率都有下降的趨勢。電力系統(tǒng)越龐大，事故發(fā)生的概率越高，大型互聯(lián)電力系統(tǒng)中，局部事故極易擴散，

2、導(dǎo)致大面積的停電。集中式發(fā)電的缺點主要表現(xiàn)為：(1)市場環(huán)境加大了負荷波動、發(fā)電廠投資等因素隨機變化程度，而大型電力系統(tǒng)不能靈活跟蹤負荷變化，造成發(fā)輸電設(shè)備投資容量浪費。(2)集中式大電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對偏遠地區(qū)供電造成輸電費用過高。(3)互聯(lián)大電網(wǎng)系統(tǒng)局部事故容易導(dǎo)致大面積停電，嚴(yán)重威脅了系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，并由于電力中斷造成經(jīng)濟損失。1.4 分布式發(fā)電的定義與起源分布式發(fā)電(Distributed Generation， DG)一般指為滿足終端用戶的特殊需求，接在用戶側(cè)附近的小型發(fā)電系統(tǒng)，而分布式電源(Distributed Resource， DR)是指分布式發(fā)電(DG)與儲能裝置(Energy St

3、orage， ES)的聯(lián)合系統(tǒng)，即DR=DG+ES。它們的規(guī)模一般不大，通常為幾十千瓦至幾十兆瓦。DG所用的能源包括天然氣(以及煤層氣、沼氣等)、太陽能、生物質(zhì)能、氫能、風(fēng)能等潔凈能源或可再生能源；而ES主要為蓄電池，還可能采用超級電容器、飛輪儲能等。因此，這種發(fā)電技術(shù)是一種可利用多種能源并對環(huán)境友好的發(fā)電技術(shù)。此外，為了提高能源的利用效率和降低成本，這種發(fā)電技術(shù)往往采用冷、熱、電聯(lián)供(Combined Cooling、Heat and Power， CCHP)的方式，或僅采用熱電聯(lián)產(chǎn)(Combined Heat and Power， CHP或Co-generation)的形式。因此國內(nèi)外也常

4、常將這種冷、熱、電等各種能源一起供應(yīng)的系統(tǒng)稱為分布式能源電力系統(tǒng)。該系統(tǒng)能大大提高能源利用率、節(jié)能和多樣化地利用各種清潔和可再生能源，未來分布式能源系統(tǒng)將會越來越廣泛地應(yīng)用在各種場合和被普遍接受，因而是極有發(fā)展前途的。目前較為多見的是DG直接接入配電系統(tǒng)(380V或10kV配電系統(tǒng)，一般低于66kV電壓等級)并網(wǎng)運行，也有直接向負荷供電而不與電力系統(tǒng)相連，形成獨立供電吸入(Stand-alone system)，或形成所謂的孤島運行的方式(Islanding Operation Mode)。有些電源容量較大(如50MW以上的燃氣輪機發(fā)電機組)，盡管它接在負荷附近，若它直接接入高壓網(wǎng)(如110k

5、V及以上)，并接受電力系統(tǒng)調(diào)度部門的統(tǒng)一調(diào)度，仍屬中央發(fā)電范疇，一般不再稱為分布式發(fā)電(電源)。當(dāng)DG采用并網(wǎng)的方式運行時，一般不需要儲能系統(tǒng)，但采取獨立(孤島)運行的方式時，為保持小型供電系統(tǒng)的頻率和電壓的穩(wěn)定，儲能系統(tǒng)往往是必不可少的。1.6 分布式發(fā)電系統(tǒng)的主要類型按照DG的一次能源或原動機的不同，分布式發(fā)電系統(tǒng)可分為：小型或微型燃氣輪機(MT，Micro/Mini Turbine，又稱微透平或微燃機)發(fā)電系統(tǒng)、燃氣發(fā)動機發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)等。1.6.1 小型燃氣發(fā)動機發(fā)電系統(tǒng)燃氣發(fā)動機發(fā)電系統(tǒng)將可燃物燃燒后膨脹做功帶動曲軸連桿運動實現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋

6、轉(zhuǎn)。燃氣發(fā)動機具有發(fā)電效率較高，發(fā)電容量范圍較寬，運行受外界溫度和大氣壓力變化影響小等優(yōu)勢。但它也有著明顯缺點：運行產(chǎn)生較多氮化物易造成環(huán)境污染，同時運行噪音也較大；由于直線往復(fù)運動部件較多，系統(tǒng)需要經(jīng)常維護。20世紀(jì)80年代它們常作為工業(yè)或商業(yè)的自用電源。它們過去主要以油為燃料，現(xiàn)在發(fā)展到使用燃氣，因天然氣較油要貴許多，實際仍較多使用油或油氣混合使用。1.6.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)。風(fēng)電的主要優(yōu)點是：(1)風(fēng)能資源豐富。(2)風(fēng)能是可再生能源。(3)清潔無污染。(4)施工周期短。(5)投資少，投資靈活回收快。(6)設(shè)施占地少，對土地要求低。(7)風(fēng)電場運行維護簡

7、單。(8)風(fēng)電技術(shù)比較成熟。(9)風(fēng)電具有較高的經(jīng)濟性，單位發(fā)電成本低。其局限性主要表現(xiàn)在：(1)風(fēng)能的能量密度小。(2)風(fēng)速不穩(wěn)定。(3)風(fēng)能不能大量儲存。(4)風(fēng)輪機的效率較低。(5)對生態(tài)環(huán)境有一些影響。(6)產(chǎn)生較大機械和電磁噪聲。(7)接入電網(wǎng)時，對電網(wǎng)有不利的影響。目前先進的變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具備效率可調(diào)整和可優(yōu)化的特點，能夠最大限度地利用風(fēng)能。大中型風(fēng)電機組并網(wǎng)發(fā)電，已經(jīng)成為世界風(fēng)能利用的主要形式。所發(fā)電力經(jīng)整流、逆變或與電網(wǎng)直接相連。隨著風(fēng)電并網(wǎng)機組需求量增長，機組更新?lián)Q代加快，單機容量提高，機組性能優(yōu)化，生產(chǎn)成本下降，風(fēng)電已經(jīng)逐步具各與常規(guī)能源競爭的能力。出于可持續(xù)發(fā)展要求以

8、及能源危機的壓力，歐美主要發(fā)達國家對風(fēng)力等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)非常推崇，各國相繼制定了各種風(fēng)電計劃。1.6.3 太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能發(fā)電一般均指光伏發(fā)電，少數(shù)國家也曾嘗試采用太陽能高溫集熱發(fā)電。光伏發(fā)電技術(shù)利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)直接將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電。1999年我國累計只有15MW的光伏發(fā)電裝機容量。自從實用性硅電池問世以來，世界上很快就開始了光伏發(fā)電的應(yīng)用。它具有不消耗化石能源、規(guī)模靈活、無污染、安全可靠、維護簡單等優(yōu)點。主要缺點是單位容量的光伏電池成本仍高于采用燃氣等高效清潔化石能源發(fā)電形式。光伏發(fā)電受制于日光，具有發(fā)電持續(xù)性差、可靠性差等缺點，基本上不能單獨完成全日發(fā)電。提高光伏轉(zhuǎn)換

9、效率，開發(fā)高效儲能技術(shù)、與其他DG配合使用等是太陽光伏發(fā)電研究的重要課題。1.6.4 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)燃料電池是一種在恒定的溫度下，直接將存儲在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，理論上幾乎不存在廢棄物排放，是很有潛力的發(fā)電技術(shù)。它們本質(zhì)上就是電池，但與普通電池相比其燃料幾乎是無窮無盡的。因為它們以氫為原料，而氫可以從天然氣、丙烷和其他碳水化合物中提取。氫與空氣中的氧氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電壓。目前進入商業(yè)試驗運行的基于燃料電池的DG系統(tǒng)容量從5kW到2MW不等。它們也使用可燃氣體，但與GT發(fā)電技術(shù)相比，從碳水化合物中分解氫氣的代價很不經(jīng)濟，而且燃料電池電站目前的建設(shè)成本

10、過于昂貴，容量的突破也有一定困難，所以燃料電池目前在燃氣型分布式發(fā)電技術(shù)中應(yīng)用并不廣闊。1.6.5 生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)采用農(nóng)業(yè)、林業(yè)、城市垃圾和工業(yè)廢棄物為原料的發(fā)電形式。人類使用生物質(zhì)能由來已久，約15%的能源來自生物質(zhì)能。它是一種理想的可再生能源，來源廣泛，每年都有大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)及森林廢棄物產(chǎn)出。即使不被用于生產(chǎn)能源，這些廢棄物的處理也是令人頭疼的事情。目前采用固態(tài)垃圾填埋產(chǎn)生沼氣發(fā)電、固態(tài)垃圾直接焚燒發(fā)電以及液態(tài)污水沉淀物分解產(chǎn)生沼氣發(fā)電在發(fā)達國家人口密集的大中城市里應(yīng)用廣泛。1999年我國生物質(zhì)能發(fā)電的容量約為800MW。1.6.6 微型/小型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)GT發(fā)電是

11、將燃料燃燒時釋放出來的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電設(shè)施。按容量劃分：大于20MW的屬于大中型GT發(fā)電系統(tǒng)，10002000kW的屬于小型GT發(fā)電系統(tǒng)，而小于1000kW的則為微型GT發(fā)電系統(tǒng)。大中型GT發(fā)電用于熱電站和聯(lián)合循環(huán)電站，采用常規(guī)同步發(fā)電機以恒速方式運行，升壓到110kV以上直接接入輸電網(wǎng)。因GT發(fā)電機組起停快速，發(fā)達國家往往將它們作為調(diào)峰、調(diào)頻機組，在整個電力產(chǎn)業(yè)中保持著8%12%的比例。我國因燃氣和石油資源匱乏，大中型GT發(fā)電機組很少。近年“西氣東輸”捆綁項目在東南沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)規(guī)劃了十余座GT電站，目前部分項目已在建設(shè)中。1.7 分布式發(fā)電的優(yōu)缺點與傳統(tǒng)集中式發(fā)電比較，盡管集中式發(fā)電

12、因為容量大，燃料費用便宜而具有規(guī)模效益。但是，隨著分布式發(fā)電技術(shù)水平不斷提高，這種優(yōu)勢在可預(yù)見的未來將逐漸減少，并且對以傳統(tǒng)化石燃料為主要燃料的集中式發(fā)電機污染控制費用也極大減少了其相對分布式發(fā)電機的經(jīng)濟效益。此外，電力改革引起電力工業(yè)所有參與者，無論是買方，還是賣方對市場力都更加敏感。通過安裝DG可以避免傳統(tǒng)集中式發(fā)電帶來的“擱淺費用”。將DG引入電力系統(tǒng)主要應(yīng)用優(yōu)勢如下：(1)在偏遠地區(qū)、負荷突然增長地區(qū)，安裝DG可以避免大量的輸配電設(shè)備擴容費用。(2)通過合理優(yōu)化分布式電源在電網(wǎng)位置和容量，可以明顯降低電網(wǎng)線路損耗。(3)對于一些對可靠性要求較高的工業(yè)和商業(yè)用戶，一些受到輸配電網(wǎng)絡(luò)潮流約

13、束的地區(qū)，或者對于一些旋轉(zhuǎn)備用邊界正在減小，電力短缺的國家，DG機組可以作為后備機組或者緊急備用機組提高系統(tǒng)供電可靠性，減少停電損失。(4)發(fā)電系統(tǒng)在將燃料能量轉(zhuǎn)化為電能的過程會產(chǎn)生大量熱能，常規(guī)發(fā)電廠經(jīng)常廢棄了這些熱能。分布式發(fā)電通過建立熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，可在居民區(qū)或商業(yè)區(qū)發(fā)揮供電供熱雙重作用，提高燃料利用效率并減少污染。(5)在峰值負荷或者峰值電價時，允許用戶自行安裝的DG機組賣電給電網(wǎng)公司，可以發(fā)揮削峰和抑制電價作用，具有較好的經(jīng)濟效益，并為用戶安裝DG提供了經(jīng)濟動機。(6)應(yīng)用可再生能源或燃料電池等無污染或少污染的DG技術(shù)，滿足了世界環(huán)保用電，節(jié)能及可持續(xù)發(fā)展要求。(7)DG容量小，體積小

14、的特征使其安裝便捷，投資時間短，降低了安裝費用和投資風(fēng)險。然而，DG的引入使配電網(wǎng)中各支路的潮流不再是單方向地流動，因此將會給整個電網(wǎng)帶來深刻的影響。其影響主要表現(xiàn)在下面幾個方面。1.對系統(tǒng)潮流和網(wǎng)絡(luò)損耗的影響在配電網(wǎng)中的負荷近旁接入分布式發(fā)電系統(tǒng)，整個配電系統(tǒng)的功率流向?qū)l(fā)生變化。分布式發(fā)電可能增大也可能減小系統(tǒng)損耗，這取決于分布式電源的位置、其與負荷量的相對大小以及網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)等因素。如果配電網(wǎng)中含有風(fēng)力發(fā)電或光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)，由于它們的輸出受天氣的影響很大，具有隨機變化的特性，使系統(tǒng)的潮流具有隨機性，傳統(tǒng)的潮流算法將不再適用。2.對電壓的影響分布式電源主要接入配電網(wǎng)，在接入DG之后

15、，配電系統(tǒng)從放射狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，潮流的大小和方向有可能發(fā)生巨大改變，使配電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓也發(fā)生變化，原有的調(diào)壓方案不一定能滿是接入分布式電源后的配電網(wǎng)電壓要求。以上討論的都是分布式電源對配電網(wǎng)的影響。當(dāng)風(fēng)電場接入電網(wǎng)后，由于風(fēng)電場輸入風(fēng)能變化的隨機性，并且風(fēng)力發(fā)電大多采用異步發(fā)電機，需從電網(wǎng)吸收大量無功功率，故很容易引起整個電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定問題，甚至?xí)?dǎo)致整個電力系統(tǒng)的電壓崩潰，而并不局限于所在配電系統(tǒng)。例如美國加利弗利亞洲Bakersfield的Seawest風(fēng)電場就經(jīng)常出現(xiàn)電壓穩(wěn)定問題導(dǎo)致電網(wǎng)無法接受風(fēng)電，強迫風(fēng)電場停機。3.對電能質(zhì)量的影響分布式發(fā)電是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的，大量

16、的電力電子轉(zhuǎn)換器增加了大量的非線性負載，將會引起電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，引起電網(wǎng)的諧波污染，但是分布式發(fā)電也存在改善電能質(zhì)量的潛力，當(dāng)電網(wǎng)關(guān)聯(lián)負載較大時，分布式發(fā)電可以快速投入使用，使系統(tǒng)盡可能減少故障，提高整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性，從而保證了電能質(zhì)量。4.對系統(tǒng)保護的影響配電網(wǎng)中大量的繼電保護裝置早已存在，不可能為了新增的DG而做大量改動，因此DG必須與之配合并適應(yīng)它。當(dāng)配電網(wǎng)中接入了分布式電源之后，放射狀網(wǎng)絡(luò)將變成遍布電源和用戶互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，潮流也不再單向地從變電站母線流向各負荷，因此，分布式發(fā)電將對配電網(wǎng)原有的繼電保護產(chǎn)生較大的影響：(1)DG運行時可能會引起繼電保護的失效。DG產(chǎn)生的故障電流

17、可能會減小流過饋線繼電器的電流，從而使繼電保護失效。(2)DG接入配電網(wǎng)后可能會使繼電保護誤動作。相鄰饋線的故障有可能會使原本沒有故障的饋線跳閘。(3)改變了配電網(wǎng)的故障水平。故障水平提高還是降低取決于運行的分布式電源數(shù)量和種類，故障水平的提高要求開關(guān)設(shè)備的升級，故障水平的降低可能會給過電流保護帶來問題。因此，若某配電區(qū)域的分布式電源容量很大，而使故障電流產(chǎn)生大幅度的變化，則必須提高其斷路器的容量和升級保護裝置。5.對可靠性的影響如果DG僅作為備用電源則可以提高系統(tǒng)供電的可靠性，但如果DG與電網(wǎng)并聯(lián)運行，就可能降低系統(tǒng)的可靠性，例如對于含有大量DG的系統(tǒng)，如果DG間相互協(xié)調(diào)不好，DG就會降低系

18、統(tǒng)的可靠性。另外，在系統(tǒng)中出現(xiàn)擾動時，由于DG的高度不確定性(如受太陽輻射強度影響的光伏電池)，也可能降低系統(tǒng)的可靠性。6.對故障電流的影響雖然在許多情況下DG接入配電網(wǎng)側(cè)裝有逆功率繼電器，正常運行時不會向電網(wǎng)注入功率，但當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生故障時，短路瞬時會有DG的電流注入電網(wǎng)，增加了配電網(wǎng)開關(guān)的短路電流水平，可能使配電網(wǎng)的開關(guān)短路電流超標(biāo)。如圖所示，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，多個DG都會提供短路電流。目前配電網(wǎng)的短路電流水平已經(jīng)接近了開關(guān)設(shè)備的額定電流，所以故障等級的提高要求電力系統(tǒng)增加投資成本改進開關(guān)設(shè)備。7.引起非計劃孤島在某些情況下(如跳閘、斷線等)，一部分電網(wǎng)突然與大系統(tǒng)斷開，這部分小電網(wǎng)

19、內(nèi)的DG將臨時向負荷獨立供電， 這種狀態(tài)就是非計劃的孤島運行，如圖所示。由于非計劃孤島的出現(xiàn)具有不可預(yù)知性，運行條件缺乏事先規(guī)劃，因而絕大多數(shù)不能滿足電力系統(tǒng)安全可靠性的要求，將會帶來許多問題：(1)電能質(zhì)量下降。孤島小系統(tǒng)內(nèi)功率不平衡，頻率和電壓都發(fā)生變化，很難保證電能質(zhì)量。(2)威脅公眾及運行人員的安全。由于非計劃孤島的范圍不確定，不能明確系統(tǒng)元件、線路是否帶電，造成了對維修人員、運行人員、公眾的安全威脅。(3)影響自動重合閘。形成孤島運行后，分布式電源可能仍對跳閘線路的另一端供電，造成檢無壓重合閘失敗，或因孤島與主系統(tǒng)失步，檢同期合閘失敗，從而引起不必要的停電。8.對配電系統(tǒng)的實時監(jiān)視、

20、控制和調(diào)節(jié)的影響原先配電系統(tǒng)的實時監(jiān)視、控制和調(diào)度是由供電部門統(tǒng)一來執(zhí)行的，由于原配電網(wǎng)是一個無源的放射型電網(wǎng)，信息的采集、開關(guān)的操作、能源的調(diào)度等相應(yīng)比較簡單。DG的接入使這些過程復(fù)雜化，需要增加哪些信息，這些信息是作為監(jiān)視信息、還是作為控制信息，由誰來執(zhí)行等，均需要依據(jù)定，并通過具體DG的并網(wǎng)協(xié)議最終確定。9.其他影響由于DG安裝在負荷中心，遠離發(fā)電控制中心，為了保證DG高效可靠運行，必須增加大量分散控制設(shè)備，這樣往往比安裝輸配電設(shè)備更復(fù)雜并增加了它的服務(wù)費用；對于應(yīng)用燃料的分布式發(fā)電機，可能造成大量的燃料運輸費用；一些新興的DG技術(shù)如微汽輪機缺乏實際運行性能數(shù)據(jù)，投資者對它的運行可靠性、

21、安全性缺乏了解而持謹慎態(tài)度，它們的推廣應(yīng)用仍然具有一定風(fēng)險；聯(lián)網(wǎng)費用計算、收取標(biāo)準(zhǔn)難以制定。DG接入系統(tǒng)可能會帶來備用等輔助服務(wù)需求，它自由接入或者退出網(wǎng)絡(luò)特點使配電公司對DG投資商收費比傳統(tǒng)發(fā)電機復(fù)雜，而且聯(lián)網(wǎng)收費設(shè)置太高容易導(dǎo)致DG和T&D系統(tǒng)投資水平不高。第9章微網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)9.1微電網(wǎng)的定義9.1.1 微電網(wǎng)概念的提出進入21世紀(jì)以來，世界范圍內(nèi)的能源供應(yīng)持續(xù)緊張，合理開發(fā)利用綠色能源已經(jīng)成為一個重要課題。越來越多地利用太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等的分布式電源(Distributed Generation， DG)被應(yīng)用于現(xiàn)有電網(wǎng)，但DG的迅速滲透同時也產(chǎn)生了一些不良影響：(1)DG使得線路

22、調(diào)壓復(fù)雜化。(2)DG使得繼電保護選型和配置困難。(3)DG使得電網(wǎng)短路容量增大，發(fā)生故障容易毀壞設(shè)備。(4)DG對電能質(zhì)量有較大干擾。當(dāng)然DG還會影響接地系統(tǒng)的設(shè)計，當(dāng)總?cè)萘窟_到一定量后，可能會對電網(wǎng)頻率以及穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因容量小、運行不確定性強，DG可能不會直接受電力系統(tǒng)調(diào)度。部分DG受制自然條件，缺少靈活可控的特點。為了解決電力系統(tǒng)與分布式電源間的矛盾，充分發(fā)揮分布式電源為電力系統(tǒng)和用戶所帶來的技術(shù)經(jīng)濟效益，進一步提高電力系統(tǒng)運行的靈活性、可控性和經(jīng)濟性，以及更好地滿足電力用戶對電能質(zhì)量和供電可靠性的更高要求，微電網(wǎng)(Micro-grid)概念應(yīng)運而生。9.1.2 微電網(wǎng)的定義目前，國

23、際上對微網(wǎng)的定義各不相同。美國電氣可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會(CERTS-Consortium for Electric Technology Solutions)給出的定義為：微網(wǎng)是一種由負荷和微型電源共同組成系統(tǒng)，它可同時提供電能和熱量；微網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負責(zé)能量的轉(zhuǎn)換，并提供必需的控制；微網(wǎng)相對于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全等的要求。歐盟微網(wǎng)項目(European Commission Project Micro-grid)給出的定義是：利用一次能源；使用微型電源，分為不可控、部分可控和全控三種，并可冷、熱、電三聯(lián)供；配有儲能裝置；使用

24、電力電子裝置進行能量調(diào)節(jié)。美國威斯康星麥迪遜分校(University of Wisconsin-Madison)的R. H. Lasseter給出的概念是：微網(wǎng)是一個由負載和微型電源組成的獨立可控系統(tǒng)，對當(dāng)?shù)靥峁╇娔芎蜔崮堋＿@種概念提供了一個新的模型來描述微網(wǎng)的操作；微網(wǎng)可被看作在電網(wǎng)中一個可控的單元，它可以在數(shù)秒鐘內(nèi)反應(yīng)來滿足外部輸配電網(wǎng)絡(luò)的需求；對用戶來說，微網(wǎng)可以滿足他們特定的需求：增加本地可靠性，降低饋線損耗，保持本地電壓，通過利用余熱提供更高的效率，保證電壓降的修正或者提供不間斷電源。盡管對微網(wǎng)的定義不盡相同，但國際上基本認為：微網(wǎng)是由各種分布式電源/微電源、儲能單元、負荷以及監(jiān)控

25、、保護裝置組成的集合；具有靈活的運行方式和可調(diào)度性能，即能在并網(wǎng)運行和孤島(自主)運行兩種模式間切換；通過相關(guān)控制裝置間的協(xié)調(diào)配合，可以同時向用戶提供電能和熱能；根據(jù)實際情況，系統(tǒng)容量一般為數(shù)千瓦至數(shù)兆瓦；通常接在低壓或中壓配電網(wǎng)絡(luò)中。9.2微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)9.2.1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的劃分微電網(wǎng)一般設(shè)在配電站下級，可以包括一個配電站，網(wǎng)內(nèi)有多根配電線和負載群。每根配電線有多個斷路器，網(wǎng)內(nèi)潮流控制器和電壓控制器給電源提供控制信號，調(diào)節(jié)配電線潮流和母線電壓，使其處在能量管理器要求的水平。隔離裝置實現(xiàn)電網(wǎng)和微電網(wǎng)間的連接和隔離。微電源(或DG)均通過電力電子裝置與系統(tǒng)相連接，為當(dāng)?shù)刎撦d提供電力及電壓支撐

26、。在正常工作模式下，微網(wǎng)與公共系統(tǒng)(STS)在公共連接點通過固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)相連。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通過固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)進行高速隔離。一旦隔離，分布式發(fā)電系統(tǒng)成為唯一的電源，因此DG必須能調(diào)節(jié)負載電壓，提供不間斷電源，并按預(yù)先確定的DG功率進行分配，在微電網(wǎng)內(nèi)分擔(dān)負載；當(dāng)故障清除后，微網(wǎng)需要與公用電網(wǎng)重新同步，由STS重新接通，并平滑返回系統(tǒng)，實現(xiàn)正常的并網(wǎng)運行。根據(jù)應(yīng)用場合的不同產(chǎn)生了四種微電網(wǎng)的體系架構(gòu)：(1)單個設(shè)施級微網(wǎng)，指所帶負荷量小于2MW，應(yīng)用于小型工業(yè)或商業(yè)建筑、大的居民樓以及醫(yī)院等單幢建筑物的網(wǎng)絡(luò)。(2)多個設(shè)施級微網(wǎng)，指所帶負荷量在25MW范圍內(nèi)，應(yīng)用于包含多種建筑物、多樣負荷類型

27、的網(wǎng)絡(luò)，如校園、軍事基地、工業(yè)和商業(yè)綜合區(qū)及居民區(qū)等。(3)饋線級微網(wǎng)，容量在510MW范圍內(nèi)，它管理一條配電網(wǎng)母線內(nèi)所有單元的運行。這種類型的微網(wǎng)可能由多個包含單一或多樣化單元的較小型的微網(wǎng)組合而成，這種微網(wǎng)適用于公共設(shè)施、政府機構(gòu)及監(jiān)獄等場合。(4)變電站級微網(wǎng)，容量在510MW范圍內(nèi)，管理連接到配電網(wǎng)變電站的所有發(fā)電和/或負荷單元的運行情況。這種類型的微網(wǎng)可能包括一些變電站內(nèi)的發(fā)電單元以及一些饋線級和設(shè)施級的微網(wǎng)。在日本的微網(wǎng)研究中，除了可再生能源外，還將以化石能源為燃料的獨立電力系統(tǒng)納入其中，這大大擴展了微網(wǎng)的容量，使應(yīng)用于工業(yè)區(qū)大規(guī)模微網(wǎng)的容量可達到上干兆瓦。9.2.2 CERTS提

28、出的微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)下圖是美國電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(CERTS)提出的微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)。圖中包括3條饋線A，B和C及1條負荷母線，網(wǎng)絡(luò)整體呈輻射狀結(jié)構(gòu)。饋線通過主分隔裝置(通常是一個靜態(tài)開關(guān))與配電系統(tǒng)相連，可實現(xiàn)孤網(wǎng)與并網(wǎng)運行模式間的平滑切換。該開關(guān)點即PCC所在的位置，一般選擇為配電變壓器的原邊側(cè)或主網(wǎng)與微電網(wǎng)的分離點。IEEEP1547標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)定：在PCC處，微電網(wǎng)的各項技術(shù)指標(biāo)必須滿足預(yù)定的規(guī)范。負荷端的饋線電壓通常是480V或更低。該圖展示了光伏發(fā)電、微型燃氣輪機和燃料電池等微電源形式，其中一些接在熱力用戶附近，為當(dāng)?shù)靥峁嵩础Ｎ㈦娋W(wǎng)中配置能量管理器和潮流控制器，前者可實現(xiàn)對整個

29、微電網(wǎng)的綜合分析控制，而后者可實現(xiàn)對微電源的就地控制。當(dāng)負荷變化時，潮流控制器根據(jù)本地頻率和電壓信息進行潮流調(diào)節(jié)，當(dāng)?shù)匚㈦娫聪鄳?yīng)增加或減少其功率輸出以保持功率平衡。該圖還示范了針對3類具有不同供電質(zhì)量要求的負荷的個性化微電源供電方案。對于連接在饋線A上的敏感負荷，采用光伏電池供電；對于連接在饋線C上的可調(diào)節(jié)負荷，采用燃料電池和微型燃氣輪機混合供電；對于連接在饋線B上的可中斷負荷，沒有設(shè)置專門的微電源，而直接由配電網(wǎng)供電。這樣，對于敏感負荷和可調(diào)節(jié)負荷都是采用雙源供電模式，外部配電網(wǎng)故障時，饋線A、C上的靜態(tài)開關(guān)會快速動作使重要負荷與故障隔離且不間斷向其正常供電，而對于饋線B上的可中斷負荷，系統(tǒng)

30、則會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)功率平衡的需求，在必要時將其切除。9.2.3 微電網(wǎng)的特點上述結(jié)構(gòu)初步體現(xiàn)了微電網(wǎng)的基本特征，也揭示出微電網(wǎng)中的關(guān)鍵單元。(1)每個微電源的接口、控制：分布式發(fā)電和微電網(wǎng)用分布式發(fā)電控制器進行有功和無功的控制。當(dāng)網(wǎng)壓出現(xiàn)不平衡或負載變化時，與DG耦合的功率和電壓控制器能快速響應(yīng)，無需與上級系統(tǒng)通信。(2)能源管理器：為每個分布式發(fā)電控制器設(shè)定工作點(功率和電壓工作點)，提供運行控制功能，其響應(yīng)時間以分鐘計算。整個微電網(wǎng)的能量管理器，解決電壓控制、潮流控制和解列時的負荷分配、穩(wěn)定及所有運行問題。(3)繼電保護：包括各個微電源及整個微電網(wǎng)的保護控制。微電網(wǎng)內(nèi)的保護通過電力電子技術(shù)實現(xiàn)并

31、與電網(wǎng)接口，因此需要采用單獨的解決方案，以提供所需要的功能。微電網(wǎng)雖然也是分散供電形式，但它并不是對電力系統(tǒng)發(fā)展初期的孤立系統(tǒng)的簡單回歸。微電網(wǎng)采用了大量先進的現(xiàn)代電力技術(shù)，如快速的電力電子開關(guān)與先進的變流技術(shù)、高效的新型電源及多樣化的儲能裝置等，而原始孤立系統(tǒng)根本不具有這樣的技術(shù)水平。此外，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)是有機整體，可以靈活連接、斷開，其智能性與靈活性遠在原始孤立系統(tǒng)之上。9.3微電網(wǎng)的控制微電網(wǎng)存在兩種經(jīng)典的運行模式：與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行和孤島運行。并網(wǎng)模式是指在正常情況下，微電網(wǎng)與常規(guī)電網(wǎng)并網(wǎng)運行時向電網(wǎng)提供多余的電能或由電網(wǎng)補充自身發(fā)電量的不足。孤島運行模式是指當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量

32、不滿足要求時，微電網(wǎng)可以與主網(wǎng)斷開形成孤島模式，由DERs向微電網(wǎng)內(nèi)的負荷供電。在微網(wǎng)實驗平臺得到的結(jié)果表明：采用合理的控制策略時，微網(wǎng)可以并網(wǎng)或孤網(wǎng)運行，并可實現(xiàn)兩種運行狀態(tài)的平滑過渡和轉(zhuǎn)換。微網(wǎng)的孤網(wǎng)運行為系統(tǒng)提供了更高的供電可靠性和供電不可間斷性。相對主網(wǎng)，微網(wǎng)可作為一個模塊化的可控單元，對內(nèi)部電網(wǎng)提供滿足負荷用戶需求的電能。實現(xiàn)這些功能必須具有性能良好的微網(wǎng)控制和管理系統(tǒng)，主要控制設(shè)備有DERs控制器、可控負荷管理器、中央能量管理系統(tǒng)、繼電保護裝置。在運行控制過程中，微網(wǎng)可以基于本地信息對電網(wǎng)中的事件做出快速獨立的響應(yīng)，當(dāng)網(wǎng)內(nèi)電壓跌落、故障、停電時，微型分布式發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)該利用本地信息自

33、動有效地轉(zhuǎn)換到獨立運行方式，不再接受傳統(tǒng)方式的統(tǒng)一調(diào)度。微網(wǎng)控制的主要目標(biāo)如下：(1)調(diào)節(jié)微網(wǎng)內(nèi)的饋線潮流，對有功和無功功率進行獨立解耦控制。(2)調(diào)節(jié)每個微型電源接口處的電壓，保證電壓的穩(wěn)定性。(3)孤網(wǎng)運行時，確保每個微型電源能快速響應(yīng)，并分擔(dān)用戶負荷。(4)根據(jù)故障情況或系統(tǒng)需要，平滑自主地與主網(wǎng)分離、并列或?qū)崿F(xiàn)兩者的過渡轉(zhuǎn)化運行。9.3.1 分布式電源的控制方法分布式電源分為三類：傳統(tǒng)發(fā)電模式，如柴油發(fā)電機、小水電等；新興的發(fā)電模式，如微型燃氣輪機、燃料電池等；可再生能源發(fā)電模式，包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電。一般地，分布式電源都是通過電力電子接口與電網(wǎng)連接。對燃料電池發(fā)電、光伏電池發(fā)電以及

34、蓄電池等，產(chǎn)生的是直流，經(jīng)過DC/AC變換為50Hz的交流電；而風(fēng)力發(fā)電、微型燃氣輪機等通常先經(jīng)過AC/DC變?yōu)橹绷?，然后再?jīng)過DC/AC變換為工頻交流電。因此，電力電子技術(shù)尤其是逆變技術(shù)在分布式發(fā)電中占有很重要的地位。逆變電源的一般結(jié)構(gòu)通常如圖所示，主要部件包括能源、直流電容器、電壓或電流型逆變器以及連接電感。為了簡化建模過程，做一些假設(shè)：若直流電源為光伏電池，將它看作恒流源；若直流側(cè)為燃料電池，將它看作恒壓源。由于燃料電池、微型燃氣輪機等電源的時間常數(shù)較大，在10200s之間。當(dāng)負載變化時電源功率輸出不能及時增大或減小，因此直流側(cè)電容器能夠起到功率調(diào)節(jié)的作用；當(dāng)電源發(fā)出功率大于負載功率時電

35、容器充電；而當(dāng)電源發(fā)出功率小于負載功率時電容器放電，以平衡瞬時功率變化。有時電容器可以用蓄電池代替，但暫態(tài)穩(wěn)定性不如電容器好。1.PQ控制法逆變器作為微電源與交流電網(wǎng)之間的接口，最基本的功能就是控制輸出的有功和無功功率。電壓源逆變器能夠控制輸出的電壓幅值和相角，而逆變器輸出的電壓相量與交流側(cè)電壓以及連接電感共同決定了直流側(cè)到交流側(cè)的有功和無功功率，公式如下當(dāng)(V-E)足夠小時，有功P主要由(V-E)決定，而無功功率Q主要由電壓幅值決定。因此，有功無功的控制就簡化為逆變器輸出電壓的幅值和相角控制。電壓型逆變器PQ控制的基本電路見圖。其中，Pref、Qref分別為有功無功定值，分別與測量到的交流側(cè)

36、的有功、無功做差，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，分別控制逆變器的相角和幅值，從而達到控制輸出有功和無功的目的。連接電感L的大小對控制也有很大的影響，根據(jù)下圖的逆變電源輸出的功角特性知道，為了保證功率與相角之間的線性關(guān)系， (V-E)最好小于30。一般地，連接電感L取110mH。另外，微電源組成的系統(tǒng)的最大問題是沒有“熱備用”，對負載瞬時變化的響應(yīng)速度慢。在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，發(fā)電機存在轉(zhuǎn)動慣量，因此當(dāng)負載增加時，轉(zhuǎn)子可以降低轉(zhuǎn)速從而使頻率略微減小以滿足初始時的功率平衡。但是在逆變器接口的電網(wǎng)中，不存在轉(zhuǎn)動慣量。如前所述，一種解決方案就是利用蓄電池來實現(xiàn)快負荷跟蹤或者使用電容器來增強暫態(tài)穩(wěn)定性。由于直流側(cè)電容或蓄電池

37、蓄能裝置有相應(yīng)的控制和保護來保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性并且能夠迅速跟蹤負荷功率變化，因此我們將重點放在逆變器的控制上。2.有功-電壓(PV)控制法有功-電壓控制法的原理框圖如圖所示。PV控制法用來調(diào)節(jié)輸出有功大小并且保持母線電壓維持在一定的水平上。有功控制通過一個閉環(huán)控制，與前面的PQ控制法類似，電壓調(diào)節(jié)是通過測量值與給定值的比較，然后通過PI調(diào)節(jié)器來控制逆變器的輸入電壓幅值V。由最大電壓和最小電壓限制，兩者分別對應(yīng)無功需求的最大和最小值。其中直流側(cè)與連接電感的問題與PQ控制里所述相同。3.電壓-頻率控制法電壓-頻率控制法主要控制逆變器輸出的電壓和頻率為給定值。由于微電網(wǎng)不僅要并網(wǎng)運行，而且也要求

38、能夠在孤島運行模式下運行。在后一種模式下，必須至少有一個電源作為主電源來給整個孤立的微型電網(wǎng)提供電壓和頻率參考值，保證電壓和頻率水平。其中電壓控制和前面的PV控制類似，頻率控制通過測量值與給定工頻值50Hz做差，然后同樣需要經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器輸出來控制逆變器相角。頻率測量通過一階鎖相環(huán)實現(xiàn)，如圖所示。4.不同類型微電源的控制方法PQ控制法一般用于控制最大功率輸出方式或者接入點的恒功率潮流運行；PV控制法控制DG輸出最大有功功率或者恒定有功，同時保證負載端電壓恒定；而Vf控制法控制DG輸出以保證負載的電壓和頻率保持恒定。因此可以看出，Vf控制法對DG的要求最高，用于微電網(wǎng)孤島運行時作為主發(fā)電單元提供

39、參考電壓和頻率，要求微電源具有一定的容量，同時功率輸出具有持久性和穩(wěn)定性。一般，燃料電池、微型燃氣輪機、柴油發(fā)電機、小水電等可以作為參考單元。風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏電池發(fā)電由于受天氣影響大，輸出功率隨機性較大且不連續(xù)，因而可以采用PQ或PV控制法在并網(wǎng)方式下運行，或者與參考DG配合在孤島運行方式下為負載提供功率。在并網(wǎng)運行條件下，所有的DG根據(jù)控制要求采用PQ或者PV控制法提供恒定潮流或者恒定電壓。9.3.2 微電網(wǎng)控制策略1.主從控制模式主從控制模式，是指在微網(wǎng)處于孤島運行模式時，其中一個DG(或儲能裝置)采取定電壓和定頻率控制(簡稱Vf控制)，用于向微網(wǎng)中的其他DG提供電壓和頻率參考，而其他

40、DG則可采用定功率控制(簡稱PQ控制)，如圖所示。采用Vf控制的DG(或儲能裝置)控制器稱為主控制器，而其他DG的控制器則稱為從控制器，各從控制器將根據(jù)主控制器來決定自己的運行方式。適于采用主控制器控制的DG需要滿足一定的條件。在微網(wǎng)處于孤島運行模式時，作為從控制單元的DG一般為PQ控制，負荷變化主要由作為主控制單元的DG來跟隨，因此要求其功率輸出應(yīng)能夠在一定范圍內(nèi)可控，且能夠足夠快地跟隨負荷的波動。在采用主從控制的微網(wǎng)中，當(dāng)微網(wǎng)處于并網(wǎng)運行狀態(tài)時，所有DG一般都采用PQ控制，而一旦轉(zhuǎn)入孤島模式，則需要作為主控制單元的DG快速由PQ控制模式轉(zhuǎn)換為Vf控制模式，這就要求主控制器能夠滿足在兩種控制

41、模式間快速切換的要求。常見的主控制單元選擇包括下述幾種：(1)儲能裝置作為主控制單元。這類典型示范工程包括荷蘭Continuon微網(wǎng)、希臘NTUA微網(wǎng)、日本W(wǎng)akkanai微網(wǎng)等。以儲能裝置作為主控制器，在孤島運行模式時，因失去了外部電網(wǎng)的支撐作用，DG輸出功率以及負荷波動將會影響系統(tǒng)的電壓和頻率。由于該類型微網(wǎng)中多采用不可調(diào)度單元，為維持微網(wǎng)的頻率和電壓，儲能裝置需通過充放電控制來跟蹤DG輸出功率和負荷的波動。由于儲能裝置的能量存儲量有限，如果系統(tǒng)中負荷較大，使得儲能系統(tǒng)一直處于放電狀態(tài)，則其支撐系統(tǒng)頻率和電壓的時間不可能很長，放電到一定時間就可能造成微網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率的崩潰。反之，如果系統(tǒng)

42、的負荷較輕，儲能系統(tǒng)也不可能長期處于充電狀態(tài)。因此，將儲能系統(tǒng)作為主控制單元，微網(wǎng)處于孤島運行模式的時間一般不會太長。(2)DG為主控制單元。當(dāng)微網(wǎng)中存在像微燃機這樣輸出穩(wěn)定且易于控制的DG時，由于這類DG的輸出功率可以在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，輸出穩(wěn)定且易于控制，將其作為主控單元可以維持微網(wǎng)在較長時間內(nèi)穩(wěn)定運行。如果微網(wǎng)中存在多個這類DG，可選擇容量較大的DG作為主控制單元，這樣的選擇有助于微網(wǎng)在孤島運行模式下長期穩(wěn)定運行。(3)DG加儲能裝置為主控制單元。這類典型示范工程包括德國MVV微網(wǎng)等。當(dāng)采用微燃機等DG作為主控制單元時，在微網(wǎng)從并網(wǎng)模式向孤網(wǎng)模式過渡過程中，由于系統(tǒng)響應(yīng)速度以及控制模式

43、切換等方面的制約，很難實現(xiàn)無縫切換，有可能造成系統(tǒng)的頻率波動較大，部分DG有可能在低頻或低壓保護動作下退出運行，不利于一些重要負荷的可靠供電。在對電能質(zhì)量要求非常高的負荷情況下，可以將儲能系統(tǒng)與DG組合起來作為主控制單元，充分利用儲能系統(tǒng)的快速充放電功能和微燃機這類DG所具有的可較長時間維持微網(wǎng)孤島運行的優(yōu)勢。采用這種模式，儲能系統(tǒng)在微網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島運行時可以快速為系統(tǒng)提供功率支撐，有效抑制由于微燃機等DG動態(tài)響應(yīng)速度慢所引起的電壓和頻率的大幅波動。2.對等模式所謂對等控制模式，是指微網(wǎng)中所有DG在控制上都具有同等的地位，各控制器間不存在主、從的關(guān)系，每個DG都根據(jù)接入系統(tǒng)點電壓和頻率的就地信息進

44、行控制，如圖所示。對于這種控制模式，DG控制器的策略一般選取下垂特性(Droop)控制法。對于常規(guī)電力系統(tǒng)，發(fā)電機輸出的有功功率與系統(tǒng)頻率、無功功率和端電壓之間存在一定的關(guān)聯(lián)性：系統(tǒng)頻率降低，發(fā)電機的有功功率輸出將加大；端電壓降低，發(fā)電機輸出的無功功率將加大。DG的下垂控制方法主要也是參照這樣的關(guān)系對DG進行控制，典型的下垂特性如圖所示。在對等控制模式下，當(dāng)微網(wǎng)運行在孤島模式時，微網(wǎng)中每個采用Droop控制策略的DG都參與微網(wǎng)電壓和頻率的調(diào)節(jié)。在負荷變化的情況下，自動依據(jù)下垂系數(shù)分擔(dān)負荷的變化量，亦即各DG通過調(diào)整各自輸出電壓的頻率和幅值，使微網(wǎng)達到一個新的穩(wěn)態(tài)工作點，最終實現(xiàn)輸出功率的合理分

45、配。顯然，采用Droop控制可以實現(xiàn)負載功率變化在DG之間的自動分配，但負載變化前后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓和頻率也會有所變化，對系統(tǒng)電壓和頻率指標(biāo)而言，這種控制實際上是一種有差控制。與主從控制模式相比，在對等控制中的各DG可以自動參與輸出功率的分配，易于實現(xiàn)DG的即插即用，便于各種DG的接入，省去了昂貴的通信系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)成本。同時，由于無論在并網(wǎng)運行模式還是在孤島運行模式，微網(wǎng)中DG的Droop控制策略可以不加變化，系統(tǒng)運行模式易于實現(xiàn)無縫切換。在一個采用對等控制的實際微網(wǎng)中，一些DG同樣可以采用PQ控制，在此情況下，采用Droop控制的多個DG共同擔(dān)負起了主從控制器中主控制單元的控制任務(wù)：通過D

46、roop系數(shù)的合理設(shè)置，可以實現(xiàn)外界功率變化在各DG之間的合理分配，從而滿是負荷變化的需要，維持孤島運行模式下對電壓和頻率的支撐作用等。目前，采用對等控制的微網(wǎng)系統(tǒng)大多數(shù)仍停留在實驗室研究階段(如美國Wisconsin微網(wǎng)實驗系統(tǒng)、新加坡南洋理工微網(wǎng)實驗系統(tǒng)、比利時Katholieke微網(wǎng)實驗系統(tǒng)、西班牙Catalunya大學(xué)微網(wǎng)實驗系統(tǒng)等)。應(yīng)用于實際的示范工程相對較少，僅有的示范工程都對系統(tǒng)參數(shù)提出了比較嚴(yán)格的要求。以CERTS微網(wǎng)示范工程為例，其DG采用了3臺規(guī)格、容量完全一致的60kW微型燃氣輪機，以實現(xiàn)對等控制。3.分層控制模式分層控制模式一般都設(shè)有中央控制器，用于向微網(wǎng)中的DG發(fā)出

47、控制信息。日本微網(wǎng)展示項目包括愛知微網(wǎng)、京都微網(wǎng)、八戶微網(wǎng)等，提供了一種微網(wǎng)的2層控制結(jié)構(gòu)，如圖所示。中心控制器首先對DG發(fā)電功率和負荷需求量進行預(yù)測，然后制定相應(yīng)運行計劃，并根據(jù)采集的電壓、電流、功率等狀態(tài)信息，對運行計劃進行實時調(diào)整，控制各DG、負荷和儲能裝置的啟停，保證微網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定，并為系統(tǒng)提供相關(guān)保護功能。在歐盟多微網(wǎng)項目“多微網(wǎng)結(jié)構(gòu)與控制”中，提供了3層控制結(jié)構(gòu)，方案如圖所示。最上層的配電網(wǎng)絡(luò)操作管理系統(tǒng)主要負責(zé)根據(jù)市場和調(diào)度需求來管理和調(diào)度系統(tǒng)中的多個微網(wǎng)；中間層的微網(wǎng)中心控制器(MGCC)負責(zé)最大化微網(wǎng)價值的實現(xiàn)和優(yōu)化微網(wǎng)操作；下層控制器主要包括DG控制器和負荷控制器，負

48、責(zé)微網(wǎng)的暫態(tài)功率平衡和切負荷管理，整個分層控制采用多代理(Agent)技術(shù)實現(xiàn)。9.4微電網(wǎng)的保護微電網(wǎng)的保護問題與傳統(tǒng)保護有著極大不同，典型表現(xiàn)有：潮流的雙向流通；微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行與獨立運行兩種工況下，短路電流大小不同且差異很大；微網(wǎng)中電源與負荷電氣距離較近；電壓等級較低。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、電源特性及電壓等級上的差異使得微網(wǎng)故障電流的大小、方向及持續(xù)時間與傳統(tǒng)閉式輸電網(wǎng)和輻射型配電網(wǎng)的情形存在較大差別。在孤網(wǎng)情況下，微網(wǎng)內(nèi)分布式電源所能提供的故障電流大小僅為正常電流的2倍或更小，傳統(tǒng)的電流保護裝置已不能做出正常響應(yīng)或需要幾十秒才能做出反應(yīng)，這無法滿足微網(wǎng)保護的要求，因此需要采用更先進的故障診斷方式。

49、下面將具體討論分布式電源的接入對繼電保護造成的影響。9.4.1 保護誤動如圖所示，保護B2所在線路末端發(fā)生短路故障時，由于DG的接入，保護B2檢測到的電流IB2將增大，并且DG的容量越大，IB2越大，IB2有可能大于電流保護段整定值Iset2，造成保護誤動。由下圖可見，BC線路末端發(fā)生三相短路故障，當(dāng)DG容量大于6MVA時，保護B2檢測故障電流將大于其速斷保護整定值，引起誤動作。保護的誤動還有另外一種情況。如下圖所示，當(dāng)相鄰線路發(fā)生三相短路故障時，保護B1將檢測到DG提供的反向電流，此時保護B1可能誤動，切除DG所在線路。由圖可見，相鄰線路離母線較近的位置發(fā)生三相短路故障時，由于DG的作用，本

50、線路保護可能誤動，造成DG所在線路的無故障跳閘。下圖是相鄰線路短路時B1檢測到的故障電流隨DG容量的變化。9.4.2 保護的靈敏度降低下圖中線路BC發(fā)生短路故障，與原配電網(wǎng)相比，在接入DG的情況下，保護B1檢測到的故障電流IB1減小，靈敏度將變低。由下圖可知，隨著DG容量的增大，B1檢測到的故障電流迅速減小，過電流保護靈敏度將明顯降低。當(dāng)DG容量超過55MW時，B1處的故障電流小于其過電流保護整定值，此時如果B2速斷保護故障，B1將拒動，故障無法隔離。9.4.3 保護可能無法識別故障如下圖所示，DG接入配電網(wǎng)末端，短路發(fā)生于距離DG較遠的位置時，短路電流可能小于最大負荷電流，故障無法被切除。9

51、.5微電網(wǎng)的通信技術(shù)9.5.1 微電網(wǎng)并網(wǎng)通信目前存在的各種信息通信技術(shù)都能用于支撐微電網(wǎng)的發(fā)展。如光纖通信、電力線通信PLC(包括工頻通信、窄帶和寬帶電力載波通信)、電纜通信、無線個人局域網(wǎng)WPAN、無線局域網(wǎng)WLAN、無線城域網(wǎng)WMAN、無線廣域網(wǎng)WWAN、3G/B3G通信、衛(wèi)星通信、微波通信、短波/超短波通信七空間光通信等。微網(wǎng)的運行需要在采集不同特性的DER單元信息的基礎(chǔ)上，通過配網(wǎng)級、微網(wǎng)級、單元級各控制器間的通信來實現(xiàn)。以電力電子器件為接口的DER單元與常規(guī)同步機的特性有很大差別，因而在微網(wǎng)的運行控制與能量管理過程中對通信技術(shù)的可靠性和速度提出了更高的要求。通信技術(shù)還直接關(guān)系到微網(wǎng)

52、能否提供更快的輔助服務(wù)。在響應(yīng)特性不同的設(shè)備間建立連接成為網(wǎng)關(guān)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。對低消耗、高性能、標(biāo)準(zhǔn)型網(wǎng)關(guān)的需求和通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化是能量管理系統(tǒng)開發(fā)中的一個重要組成部分。微網(wǎng)接入接出包括通信子網(wǎng)之間的互聯(lián)與互操作以及各通信子網(wǎng)與主干網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)與互操作。由于不同微網(wǎng)的通信方式是多種多樣的，包括有線和無線的各種方式，因此，需要一個有效的中間件將這些不同通信方式結(jié)合起來。針對不同的應(yīng)用場景以及不同的需求，如無線信號的傳輸障礙是否較少，有線布設(shè)的困難程度，原有設(shè)備和通信方式能否利用等方面，選擇適合的通信方式進行組網(wǎng)，盡可能采用原有的通信方式。因此需要設(shè)計一種能夠使各種采用的通信方式結(jié)合起來的網(wǎng)關(guān)，使得

53、上層的控制中心能夠?qū)ο聦拥牟煌ㄐ欧绞竭M行無差別的監(jiān)測和控制，同時，對于通信子網(wǎng)傳送的數(shù)據(jù)，可以無差別的上傳到上層網(wǎng)絡(luò)中去。上層網(wǎng)絡(luò)并不對通信子網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集方式進行區(qū)別，而是針對數(shù)據(jù)發(fā)出統(tǒng)一的下傳指令，該網(wǎng)關(guān)能夠自動識別應(yīng)當(dāng)將指令轉(zhuǎn)換成通信子網(wǎng)的哪種數(shù)據(jù)傳輸方式，從而傳送到具體的通信子網(wǎng)中去。9.5.2 智能電表通信網(wǎng)的具體構(gòu)建可以智能電表為核心，研究智能電表與其他設(shè)備的通信技術(shù)，包括分布式能源的信息微網(wǎng)，家用電器如電視機、空調(diào)等，電動車充電的相關(guān)設(shè)備如充電站等，儲能設(shè)備的信息微網(wǎng)等，通過可靠的信息流保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。在智能電表基礎(chǔ)上構(gòu)建的高級量測體系(advanced meterin

54、g infrastructure， AMI)、自動抄表(automatic meter reading， AMR)系統(tǒng)能為用戶提供更加詳細的用電信息，使用戶可以更好地管理他們的用電量，以達到節(jié)省電費和減少溫室氣體排放的目標(biāo)；電力零售商可以根據(jù)用戶的需求靈活地制定分時電價，推動電力市場價格體系的改革；配電公司能夠更加迅速地檢測故障，并及時響應(yīng)強化電力網(wǎng)絡(luò)控制和管理。意大利、英國、荷蘭等歐洲國家以及美國、澳大利亞等國均開展了AMI/AMR系統(tǒng)的建設(shè)，通過將先進的通信技術(shù)引入到新型的電子式計量設(shè)備中，研發(fā)出了能實現(xiàn)能耗監(jiān)測、具備雙向通信等能力的智能電表。9.5.2.1 智能電表的概念早在20世紀(jì)90

55、年代就出現(xiàn)了智能電表(smart meter)的概念。1993年靜止式電表剛剛出現(xiàn)時，其價格是機電式電表的1020倍，因此主要應(yīng)用于大型用戶。之后隨著具有遠程通信能力的電表數(shù)量的增加，亟須開發(fā)新的系統(tǒng)來實現(xiàn)抄表和數(shù)據(jù)管理。在這樣的系統(tǒng)中，計量數(shù)據(jù)開始向配網(wǎng)自動化等系統(tǒng)開放，但這些系統(tǒng)還無法有效利用相關(guān)數(shù)據(jù)。同樣的，預(yù)付費電表的實時能耗數(shù)據(jù)也很少被用于能量管理或節(jié)能措施等應(yīng)用中。隨著技術(shù)的進步，批量生產(chǎn)的靜止式電表能以很低的成本獲得強大的數(shù)據(jù)處理和存儲能力，從而促使小型用戶電表的智能化水平得到大幅提升，靜止式電表也逐步取代了傳統(tǒng)的機電式電表。智能電表是以微處理器應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為核心的智能化儀

56、表，具有自動計量/測量、數(shù)據(jù)處理、雙向通信和功能擴展等能力，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向計量、遠程/本地通信、實時數(shù)據(jù)交互、多種電價計費、遠程斷供電、電能質(zhì)量監(jiān)測、水氣熱表抄讀、與用戶互動等功能。以智能電表為基礎(chǔ)構(gòu)建的智能計量系統(tǒng)，能夠支持智能電網(wǎng)對負荷管理、分布式電源接入、能源效率、電網(wǎng)調(diào)度、電力市場交易和減少排放等方面的要求。9.5.2.2 在智能電網(wǎng)中應(yīng)用范圍(1)結(jié)算和賬務(wù)。通過智能電表能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確、實時的費用結(jié)算信息處理，簡化了過去賬務(wù)處理上的復(fù)雜流程。在電力市場環(huán)境下，調(diào)度人員能更及時、便捷地轉(zhuǎn)換能源零售商，未來甚至能實現(xiàn)全自動切換。同時用戶也能獲得更加準(zhǔn)確、及時的能耗信息和賬務(wù)信息。(2)配網(wǎng)狀

57、態(tài)估計。目前，配網(wǎng)側(cè)的潮流分布信息通常很不準(zhǔn)確，主要是因為該信息是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型、負載估計值以及變電站高壓側(cè)的測量信息綜合處理得到的。通過在用戶側(cè)增加測量節(jié)點，將獲得更加準(zhǔn)確的負載和網(wǎng)損信息，從而避免電力設(shè)備過負載和電能質(zhì)量惡化。通過將大量測量數(shù)據(jù)進行整合，可實現(xiàn)未知狀態(tài)的預(yù)估和測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的校核。(3)電能質(zhì)量和供電可靠性監(jiān)控。采用智能電表能實時監(jiān)測電能質(zhì)量和供電狀況，從而及時、準(zhǔn)確地響應(yīng)用戶投訴，并提前采取措施預(yù)防電能質(zhì)量問題的發(fā)生。傳統(tǒng)的電能質(zhì)量分析方式在實時性和有效性上都存在差距。(4)負荷分析、建模和預(yù)測。智能電表采集的水、氣、熱能耗數(shù)據(jù)可以用來進行負荷分析和預(yù)測，通過將上述信息與負

58、荷特性、時間變化等進行綜合分析，可估算和預(yù)測出總的能耗和峰值需求。這些信息將為用戶、能源零售商和配網(wǎng)調(diào)度人員提供便利，促進合理用電、節(jié)能降耗以及優(yōu)化電網(wǎng)規(guī)劃和調(diào)度等。(5)電力需求側(cè)響應(yīng)。需求側(cè)響應(yīng)意味著通過電價來控制用戶的負荷及分布式發(fā)電。它包括價格控制和負荷直接控制。價格控制大體上包括分時電價、實時電價和緊急峰值電價，來分別滿是常規(guī)用電、短期用電和高峰時期用電的需求。直接負荷控制則通常由網(wǎng)絡(luò)調(diào)度員根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況通過遠程命令來實現(xiàn)負載的接入和斷開。(6)能效監(jiān)控和管理。通過將智能電表提供的能耗信息反饋給用戶，能促使用戶減少能源消耗或者轉(zhuǎn)換能源利用方式。對于裝有分布式發(fā)電設(shè)備的家庭，還能為用戶提

59、供合理的發(fā)電和用電方案，實現(xiàn)用戶利益的最大化。(7)用戶能量管理。通過智能電表提供的信息，可以在其上構(gòu)建用戶能量管理系統(tǒng)，從而為不同用戶(居民用戶、商業(yè)用戶、工業(yè)用戶等)提供能量管理的服務(wù)，在滿足室內(nèi)環(huán)境控制(溫度、濕度、照明等)的同時，盡可能減少能源消耗，實現(xiàn)減少排放的目標(biāo)。(8)節(jié)能。為用戶提供實時能耗數(shù)據(jù)，促進用戶調(diào)節(jié)用電習(xí)慣，并及時發(fā)現(xiàn)由設(shè)備故障等產(chǎn)生的能源消耗異常情況。在智能電表所提供的技術(shù)基礎(chǔ)上，電力公司、設(shè)備供應(yīng)商及其他市場參與者可以為用戶提供新的產(chǎn)品和服務(wù)，例如不同類型的分時網(wǎng)絡(luò)電價、帶回購的電力合同、現(xiàn)貨價格電力合同等。(9)智能家庭。智能家庭是指將家庭中不同裝置、機器和其他

60、耗能設(shè)備連接在一個網(wǎng)絡(luò)中，并根據(jù)居民的需求和行為、戶外的溫度以及其他參數(shù)來進行控制。它可以實現(xiàn)供熱、報警、照明、通風(fēng)等系統(tǒng)的互聯(lián)，從而實現(xiàn)家庭自動化和家電等設(shè)備的遠程控制等。(10)預(yù)防維護和故障分析。智能電表的測量功能有助于實現(xiàn)配網(wǎng)元器件、電能表以及用戶設(shè)備的預(yù)防維護，例如檢測出電力電子設(shè)備故障、接地故障等導(dǎo)致的電壓波形畸變、諧波、不平衡等現(xiàn)象。測量數(shù)據(jù)還能幫助電網(wǎng)和用戶分析電網(wǎng)元件故障和網(wǎng)損等。(11)預(yù)付費。相對于傳統(tǒng)的預(yù)付費方式，智能電表能提供成本更低，更加靈活和友好的預(yù)付費方式。(12)電表管理。表計管理包括：安裝表計的資產(chǎn)管理，表計信息數(shù)據(jù)庫的維護，對表計的定期訪問，確保表計的正常