微电网技术及发展概况

眦●第7期 中国电力 Ⅷ．铊．№．7 20∞年7月 El。ECTRIC POW F：R JuJ-20∞ 徽电网技肃砭发屉概院 左文霞，李澍森，吴夕科，程军照 (国网电力科学研究院，湖北武汉430074) 摘要：分布式发电以其投资省、发电方式灵活且不污染环境等优点，在全球范围内引起了越来越多的关” 注。微电网能以更具弹性的方式协调分布式电源．从而充分发挥分布式发电的优势。介绍分布式发电及微 电网领域研究的诸多问题，讨论微电源、储能装置、逆变装置及隔离装置中需要研究的问题。并从电力系 统应用的角度分析微电网的控制和保护、安全稳定运行、电能质量、运行及接入标准等问题。对分布式发 电及微电网研究领域未来的研究方向进行总结和展望。 关键词：分布式发电；微电网：配电网；安全稳定性；电能质量 中图分类号：TM727；TP277 文献标识码：A 文章编号：1004．9649(2009)07-0026．05 0引言 微电网是由一系列分布式发电(Distributed Generation，DG)系统、储能系统和负荷组成的微型 电力网．根据需要可选择与配电网并网运行也可选 择独立运行。相对传统的输配电网．微电网的结构比 较灵活。网内微电源与用户直接相连．安装在用户区 域．由电力电子技术提供所需要的控制和接口。微电 网系统与外部电网通过隔离装置连接。网内潮流和 电压控制器通过能量管理系统在允许的范围内调节 潮流和母线电压。当负载变化时．本地微电源白行调 节功率输出。正常丁作模式下．微电网与公共系统并 联运行．可以通过合理的控制使得微电网相当于配 电网的一个恒定负荷：当公共系统出现故障或者电 能质量达不到要求时．微电网可以通过隔离装置与 外部电网隔离而孤立运行。故障清除后。微电网需平 滑与外部电网重新同步。实现正常并网运行…。 近年来，欧洲、美国、日本、加拿大等围都已开展 微电网研究开发及示范T程建设t作[2】。目前，国内 多在分布式发电和分布式储能方面开展研究。对分 布式发电运行的研究．多与配电系统相联系．研究分 布式发电在电力系统中的应用等．对微电网的研究 基本处在起步阶段。 1需要研究的问题 1．1 微电源 1．1．1 分布式电源与分布式储能技术 分布式电源主要包括可再生能源发电设备．如 太阳能光伏发电、风力发电、燃料电池、微型燃气轮 机和内燃机等。可再生能源一般都有分散性和规模 不大的特点，且受到自然条件的制约．因而需要储能 装置储存其富裕能量。另外．基于逆变器的分布式发 电装置没有大型的转子因而不能满足瞬时功率变化 的要求．包含大量微电源的微电网系统运行在孤岛 模式下需要有储能装置来保证能量平衡…。目前用 于电力系统的储能技术主要有超导储能、蓄电池储 能、超级电容器储能和飞轮储能等。 储能有多种形式．如在每个微电源的直流母线 上安装储能电池组或者超级电容器．直接连接交流 储能装置(带逆变器的交流电池组、飞轮)等．需要根 据系统稳定的需求来选择储能方式。美国电能可靠性 技术解决方案研究协会(CERTS：the ConsortiuITI for Electric Reliability Technology Solutions)研究的微电 网通过在每个微电源的直流侧母线上安装直流储 能装置来保证供电可靠性．同时．安装一个附加电 源．从而保证任一元件故障时微电网仍然能正常 运行【”。 1。1．2电力电子接口 微电源通过电力电子装置与微电网连接或隔 离．各DG单元均由电力电子装置提供所需要的控 制接口。 (1)DG与微电网连接的逆变装置：大多数DG 装置接入交流系统时，需要相关的逆变、整流及滤波 装置。DG逆变器的主回路控制上具有如下环节：a． 内环电流／电压控制回路；b．外环有功、无功功率控 制回路；c．DG与外部电网的同步控制：d．保护及故 障短路的电流抑制功能…。通过对基于电压源逆变 收稿日期：2009-02-05 作者简介：左文霞(1985一)，女，湖北仙桃人，硕士，助理工程师，从事配电系统相关方向研究。E—mail：zuowenwenl985@163．eolla r 26 “n‘J 万方数据 第7期 左文霞等：微电网技术及发展概况 器输出电流闭环控制的DG人网接口装置简化模型 的分析可知．当系统频率低于逆变装置电流控制器 的频带宽度时．DG系统相当于一个电压源：而当系 统频率高于电流控制器的带宽时．DG系统相当于 一个电流源【5】。 (2)微电网与外部电网连接的隔离装置：静态开 关在微电网和配电网的接口方面起着关键作用。 CERTS微电网研究报告指出．静态开关的任务是一 旦电能质量开始恶化．就将敏感负荷从电网中分 离。静态开关只分离敏感负荷．而不将微电网从电 网中分离。在多个电源同步运行的稳态情况下．有 功功率总是从同步之前频率高的电源流向频率低 的电源。微电网切换到与外部电网并列运行时．同 步需满足2个约束条件：a．开关端电压必须非常小 (理想情况是零)：b．开关闭合后电流必须是从公用 电网流向微电网【41。 1．2控制和保护问题 1．2．1控制 电网以发电机转子惯性的形式储存较大的能 量．系统的惯性使其能较好地适应负荷波动．而微电 网的电源控制大多是基于电力电子的．电源缺少惯 性，克服扰动的能力也较弱。特别是在微电网孤立运 行时．所有负荷都由DG平衡．微电网的稳定就成为 关键问题。此外．传统电网有调度中心对整个系统进 行统一协调．而对微电网而言。难以寻求中心控制点 对整个系统作出快速反应并进行相应控制．微电网 的控制应尽可能基于本地信息。因此。如何协调微电 网中各DG并进行合理的控制，是微电网安全、可靠 运行的关键．其中重点是对电压和频率的控制。与传 统电网的控制理论相似．通过合理控制有功和无功 流动即可控制频率和电压的稳定。目前有2种基本 控制方法．其一为频率一有功、电压一无功下垂曲线 法：其二是模块控制法。即采用不同控制模块对有 功、无功分别进行控制。微电网的控制主要包括以下 6点：(1)正常联网运行时．如何响应并为系统提供 附加服务功能：(2)有功及无功功率的匹配及能源利 用的优化；(3)电能质量控制；(4)保护及限流；(5)通 信及协调；(6)自检及主／从控制[“。 对于多母线微电网系统．可以采用一种统一控 制器进行控制【6]．该控制器和微电网中各DG系统 均包含用于调节j相联网逆变器的内环电压／电流 回路及外环电能控制同路。用来控制有功、无功潮 流，以及当公共电网故障、微电网孤立运行情况下各 DG系统之间的电能共享。利用分布式发电控制器 可对微电网各DG单元进行有功及无功控制：其控 制和管理可基于本地测得的信号．而无需与外界通 信。对各DG单元的有功控制是基于频率下垂特性 和附加的频率恢复法．可以采用一种小信号动态建 模方法对含有多个DG单元的微电网进行建模．包 括有功和无功管理。 1．2．2保护 分布式发电和微电网的出现使得放射式的配 电网络变为一遍布电源和用户互联的网络．潮流不 再从变电站母线单向流向负荷。配电网的这种变化 使得电网各种保护定值与保护机理都发生了较大 变化。 微电网保护需要研究孤岛和联网2种运行模式 下各种故障的保护问题．原则是对孤岛和联网模式 采用同样的保护策略。美国CERTS微电网通过静态 开关与主网连接，静态开关可以开断所有故障。微电 网内的故障需要通过采用不依赖较大故障电流的方 法来切除。CERTS微电网研究认为。保护功能应该 成为微电源的一部分．并具备即插即用功能…。 分布式电源并网变压器的接线方式直接影响公 用电网的过电压及其保护装置[71。另外配电网中的 同步和异步电机对保护定值也存在一定影响．DG 并网会影响故障切除时间[s】。通过对保险丝一保险丝、 保险丝一自动重合闸、继电器一继电器3类保护装置 的配合问题进行分析发现．配合的协调性取决于 DG的容量及其位置分布[91。 微电网接地需要考虑孤岛和联网2种运行模式 下故障时。微电网中故障电流的分布状态。TN—C—S接 地系统(上一部分用TN—C。即保护中性线方式；下 一部分用TN—S．即工作零线和专用保护线分开的方 式)或TT接地系统(电气设备的金属外壳直接接地 系统)是最适合用于微电网中性点的接地方式。利用 分布式系统的寄生阻抗来判断系统是否接地是一种 检测DG系统接地的新技术．该技术为运行时未正 确接地的DG提供了可靠、灵敏、快速的保护【Io]。 随着大量DG及微电网参与供电．在DG及微 电网频繁投切和线路潮流方向频繁改变的情况下． 如何对配电网继电保护装置进行整定和协调．将是 一个非常重要的研究课题。另外．研究微电网保护接 地技术．开发合理的接地和保护方案．从而为微电网 安全运行及故障检测、微电网隔离及孤立运行提供 技术保障也十分必要。 1．3 DG及微电网对大电网特性的影响研究 配电网中引入少量分布式电源对整个电网并不 会产生太大的影响．然而当电网中存在较多DG单 元或者大容量的DG单元或微电网时．将会对系统 的暂态稳定、动态稳定、电压稳定、频率稳定、电压波 形、电压闪变、谐波、短路电流、有功及无功潮流、网 损等诸多方面造成较大影响．如果控制不当可能会 影响系统稳定。导致电能质量恶化．破坏系统的安 全、可靠运行。因此有必要针对含有DG及微电网的 电网进行系统稳定、电能质量、规划与运行方式、系 万方数据 中国电力 第42卷 统网损等一系列问题的研究。 1．3．1稳定性分析 微电网与外部电网并联运行会对外部电网稳定 造成影响。而当微电网与外部电网切断时．微电网需 要平滑地从并网运行模式过渡到独立运行模式．这 种情况下的系统稳定问题也需要研究。 对包含多DG系统的配电系统稳定性分析有2 种方法：一种是基于复杂动态模型方法．采用Prony 算法．定义信号留数作为评价系统稳定性的基准；另 一种方法是通过改变参数观察系统稳定极限的变 化．定义系统的稳定极限作为评价系统稳定性的基 准。分析表明。DG的惯性对系统的稳定性不利，但 DG的电压控制及某些类型分布式电源的负载对系 统稳定性是有利的[川．分布式电源或微电网接入配 电系统，有以下原因影响配电系统电压控制：(1)现 有的自动电压控制器用于控制无源配电网电压幅 值；(2)DG系统一般远离主变电站，在主变电站实 现电压控制较闲难．如变电站到发电机之间的线路 阻抗大、负荷密度低，电压控制可能无法实现；(3)如 果接于馈线的分布式电源容量大于馈电回路的总负 荷量．通过降压变压器的潮流将反向．致使变压器低 压侧成为电源：(4)分布式发电装置的类型(同步机、 异步机)及运行条件影响电压控制It2]。 影响微电网稳定的主要因素是微电源和储能系 统的控制策略、负荷类型、故障位置以及发电机惯性 常量等。对一般运行情况．微电网的控制装置只能通 过本地信息来控制微电源和储能装置．微电源和储 能装置可行的控制策略有：(1)P_p控制；(2)下垂 控制；(3)频率／电压控制。仿真研究表明，对于以飞 轮作为储能系统的微电网，恒定尸_p负载以及阻抗 性负载对微电网稳定性没有影响．而具有较大惯性 常量的电动机会提高微电网稳定性．另外．主网的故 障对微电网稳定性的影响最为显著。 1．3．2 电能质量 DG或微电网接入配电系统后．如果控制不当。 可能产生电压闪变和谐波．而DG或微电网并网也 存在改善电能质量的巨大潜力。利用变流技术可以 有效地提高电能质量．另外通过电力电子技术还可 以实现更佳的谐波和无功功率控制。微电网孤立运 行时．可以通过基于电力电子技术的柔性交流配电 技术(DFACTS)和储能技术改善电能质量。当然实现 以上功能需要合理的控制策略．DG自身的电力电子 装置不可能完全代替传统的改善电网电能质量的装 置．如果能够将DG设备应用到DFACTS技术中去． 不仅能提高电能质量水平．也能减少设备投资。 针对分布式发电及微电网并网运行可能引起的 系统电压和频率偏差、电压波动、闪变等电能质量问 题，依据电能质量标准．有学者提出一套适合于重要 大型电力用户的电能质量指标．该指标综合考虑了 系统峰荷特性和用户消费电力的断续频率【13]。电网 故障水平、尺Ⅸ(电阻／电抗)的比值、发电机类型及原 动机的不同对电网稳态电压偏移、闪变、波形畸变、 不平衡等方面均有不同程度的影响。风电场并网运 行时．风速扰动、风电场容量、电网R／X的比值特性 及并网点短路容量等因素对电能质量存在一定的 影响【14】． 日本的新能源工业技术发展组织(NEDO)赞助 了一个微电网示范工程．该工程证明微电网可以提 供具有不同电能质量及可靠的电能．从而满足不同 用户的需要。通过与传统的不间断电源装置(UPS) 进行经济比较．表明微电网在改善电能质量及供电 可靠性上有着巨大的潜力。 1．3．3规划与运行 分布式电源及微电网的规划除了要考虑负荷需 求、系统经济、安全可靠性以及网损等电力规划问题 外．由于其自身特性还需要考虑不同类型DG的安 装地点、安装容量、渗透极限等问题．以确保系统达 到最优化运行状态。如何确定配电网中DG或微电 网最优安装地点。需要综合考虑馈线容量极限、馈线 电压波形及三相短路电流水平等技术条件的约束． 从而确立网络重建及网损最小的目标函数．可采用 基因算法对分布式电源或微电网的安装位置及容量 大小进行寻优[15】。微电网无功电源设计．可采用遗传 算法使得电容器容量和安装地点最优．从而确定无 功电源的最优配置方式。该方法在实际应用时需要 做如下工作：(1)含有连续可控无功电源以及变化负 载的研究；(2)不平衡系统的研究；(3)微电网孤岛 运行时。失去一个或多个电源情况的研究。微电网 规划还需研究在不给电力系统带来不利影响的情 况下．微电网能够反馈给电网的最大电能限额问 题。这个问题又与其他问题相关。比如由谁来设定 这个限额、怎样提高这个限额以及微电网与系统互 联的经济问题等。 1．3．4对电网损耗的影响 电网的损耗主要取决于系统的潮流．分布式电 源和微电网的接人使得配电网中各支路的潮流不再 是单向流动。必然会影响电网的损耗．使之不仅与负 载等因素有关．同时也与分布式电源及微电网接入 的具体位置、容量及负荷的相对大小以及网络的拓 扑结构等因素密切相关。含有分布式电源的配网网 损不仅与电压的变化有关。还可以依据比例原理．利 用跟踪算法确定网络中各部分的有功和无功．进而 确定对网损起决定作用的电流值[16]．针对异步电机 在配电网中的常用模式进行分析发现．异步电机安 装点距变电站越远．对网损影响程度越大；发电容量 的大小和安装位置影响线路参数。从而影响电压降。 万方数据 第7期 左文霞等：微电网技术及发展概况 通过修正功率因数可以改善异步电机对配网电压及 网损所造成的不利影响Ct7]。采用临界损耗和直接损 耗系数法解决网损分配问题．能有效弥补传统置换 法的不足[18】。针对分布式电源在中压配电网资源优 化配置问题．可采用遗传算法解决如何使系统网损 最小、电网改造投资最少等方面的问题f19J。 1．4分布式发电及微电网标准与分析工具 1．4．1 分布式发电及微电网相关标准研究 DG与配电系统并列运行并能回馈电能．必须 满足互联条件．IEEE 1547—2003标准规定了分布式 电源与电力系统互联的基本原则：IEEEl547系列标 准中的IEEEPl547．1，3标准分别x,-t连接设备的适 应性测试程序、连接应用指南、监控及信息交换等方 面作出规定：IEEE P1547．4一分布式孤立系统的设 计、运行及其接入电力系统指南涵盖了微电网或人 为孤立系统。该标准涵盖了分布式电源．互联系统和 参与互联的电力系统，主要为电力系统设计、运行、 规划及相关设备制造等服务。该标准的实施可提高 电力系统可靠性及应用分布式能源的效益。 1．4．2分析工具 微电网可能包含三相、单相及双回二次回路系 统，还包括一系列电力电子装置互联的电源．现有的 电网分析工具不具备分析微电网的功能．因此．开发 相关的分析工具．对DG及微电网不同稳态和动态 运行方式进行分析十分必要。美国CERTS微电网项 目开发的IxGrid微电网分析软件抓住了三相或单相 三线制、四线制及五线制电路最关键的物理现象，同 时可基于物理模型模拟负荷。该建模方法使得一系 列微电网相关问题的分析成为可能．比如：不平衡、 不对称预测和评估、不平衡不对称损失评估、杂散电 压及地电位升高评估等：系统中不同元件的相互动 态影响以及对系统稳定性、发电机负荷控制(频率控 制)、动态电压控制(VAR)的影响等。微电网可能分 散安装在人容易靠近的地方．因此预测杂散电压电 流、中性点可能的电压升高以及安全接地技术具有 重要意义。电力电子接口的设计和控制算法是动态 分析的关键问题．I山Grid不仅包括一些典型的控制方 案．而且还可以对分布式电源制造商的控制方案建 模；同时还包括分布式电源的用户安装模型(DER— CAM)，能对DG的安装位置进行优化。 2 DG及微电网技术研究领域展望 近年来．全球范围内对DG及微电网相关技术 研究的热潮持续升温。研究重点集中在2个方面： (1)DG装置及储能装置的完善及新型可再生能源 发电装置的研究开发：(2)DG及微电网的渗透对电 力系统的影响及交互作用机理的研究。DG及微电 网研究领域今后的研究方向主要有如下几个方面： (1)现有分布式发电技术的完善和新技术的研发；(2) 分布式电源并网逆变器的研究：(3)DG及微电网运 行技术研究；(4)针对含有DG及微电网的电力系 统的控制及保护问题开展的适应多端电源的继电 保护研究：各种运行状况及各种网络结构下对电网 稳定性及可靠性的影响以及相应的控制策略研究： (5)DG和微电网相关运行及设计标准的研究．针对 分布式发电及微电网的电力系统分析工具的开 发；(6)微电网示范丁程建设的研究。 3结语 本文介绍了分布式发电及微电网技术研究领域 的最新进展。微电网的概念使得大量分布式电源渗透 到配电系统而不需要对配电系统重新规划或设计．通 过建立微电网使得分布式发电应用于电力系统并发 挥其最大的潜能。微电网技术的发展需要解决经济、 商业和技术等方面的各种难题．世界各地都在进行大 量的研究开发工作．有关微电网的理论和实验研究已 经取得了一定成果。在我国，目前仅在分布式发电方 面开展过一些工作．且仅处于起步阶段．对微电网的 研究基本处于空白．随着全球性能源危机的加剧及环 境的恶化．DG和微电网技术为解决该问题提供了有 效的解决途径．而如何根据我国电网的特点及需求建 立微电网则是需要首先研究的基本问题。 参考文献： [1]彭方正．变流技术在分布式发电和微电网上的应用[J]．变流技 术与电力牵引，2006(2)：23—27． PENG Fang--zheng．Converter technology for distributed generation and micmgrid[J]．Converter Technology＆Electric Traetion，2006 (2)：23—27． [2]HAlzLARGYIu0U N，ASANO H，IRAVANl R et以．Microgrids[J]． IEEEPower介绍了美国,欧盟和日本的微电网 研究现状及其示范性工程,对微电网在这些国家的发展方向进行了总结和对比;指出了现阶段微电网研究中的重点问题,并结合我国的能源战略和电力发展 现状,对微电网在我国的应用前景进行了展望. 本文链接： http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgdl200907006.aspx 下载时间：2010年1月19日