微电网研究综述

郑晶，李赓，张艳华，刘林

(三峡大学电气与新能源学院，湖北　宜昌　443002)



微电网研究综述

郑晶，李赓，张艳华，刘林

(三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002)

微电网(Micro-Grid)是一种新型网络结构，是一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元。微电网是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。由于微源是一些分布式电源，所以本身带有波动性，因此需要有储能装置来进行平衡。微电网的控制主要有PQ、PV、V-F三种控制方式。

微电网；孤立运行；并网运行；控制方式；储能

1　微网形态

微电网[1]，一个由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，我觉得可以形象地用“卫星城”来描述它。微电网和卫星城都是时代的产物，他们在一定出发电和形态上有相似之处。

1.1出发点

卫星城的提出是为了缓解大城市的环境压力、交通压力、人口压力、住房压力等一系列的问题。微电网的提出则是为缓解电力紧缺、增强电网抗灾能力、保证重要负荷不间断供电、提高供电质量等电力系统存在问题。

1.2形态

卫星城以大型城市为中心，在周围建立相应小型城市。小型城市各种医疗、交通、生活设施齐全，其通过主干道交通与大城市连接。微电网是以电力系统主干电网依托建立的微型电力系统，可以与主网并网运行，也可以孤岛运行，即可作为电源向主网供电，也可以作为负荷接收主网的功率。

2　技术难点

2.1存储技术

微型电网主要采用分布式电源，如风能、光伏能、潮汐、地热能、燃料电池及一些微型发电机组。对于像风能、光伏能、潮汐能发出的电，存在不连续性和间歇性，无论对于负荷还是主干电网来说都是不允许的。微电网在并网运行和孤岛运行两模式[2-4]的转换中，往往会有一定的功率缺额，如果仅依靠电源发出功率很难快速补偿缺额。

在微电网中安装储能系统则能很好解决这些问题。现有存储技术有四类：蓄电池存储、超导存储、飞轮存储、超级电容存储。

(1)蓄电池存储是目前技术最成熟、也是使用最为广泛的储能技术。蓄电池储能可以解决系统高负荷时的电能需求，也可用蓄电池储能来协助无功补偿装置，有利于抑制电压波动和闪变。然而蓄电池的充电电压不能太高，要求充电器具有稳压和限压功能。蓄电池的充电电流不能过大，要求充电器具有稳流和限流功能，所以它的充电回路也比较复杂。另外充电时间长，充放电次数仅数百次，因此限制了使用寿命，维修费用高的稳定。目前除了传统铅酸蓄电池外，还有新研发的钠硫电池和液流钒电池，这两种电池具有高能量效率、无放电现象、使用寿命长等优良特性，但是价格相对昂贵。

(2)超导储能系统(SMES)利用由超导体制成的线圈，将电网供电励磁产生的磁场能量储存起来，在需要时再将储存的能量送回电网或直接给负荷供电。由于可以长期无损耗储存能量，能量返回效率很高；并且能量的释放速度快，通常只需几秒钟，因此采用SMES 可使电网电压、频率、有功和无功功率容易调节。但是，超导体由于价格太高，造成了一次性投资太大。

(3)飞轮储能技术是一种机械储能方式，具有效率高、建设周期短、寿命长、高储能量等优点，并且充电快捷，充放电次数无限，对环境无污染，但是维护成本高。

(4)超级电容器是由特殊材料制作的多孔介质，与普通电容器相比，它具有更高的介电常数，更大的耐压能力和更大的存储容量，又保持了传统电容器释放能量快的特点。与蓄电池比较具有功率密度大、充放电循环寿命长、充放电效率高、充放电速率快、高低温性能好、能量储存寿命长等特点。与飞轮储能和超导储能相比，它在工作过程中没有运动部件，维护工作极少，相应的可靠性非常高，表1列出了四类存储技术的各项指标。

表1

由上述表中参数对比，可以看出四类系统各有优缺点。采用什么样的储能系统或者复合储能系统，要依据负荷特性和电源特性。比如美国加利福尼亚州帕尔姆达尔(Palmdale)基地的微网采用超级电容器储能。在这项工程中,储能技术主要对应系统的动态变化，如稳定电网、维持电压、稳定频率、补偿瞬时负荷的变化等,没有对应调节负荷、不间断电源等的要求。如果微网中同时含有对供电可靠性要求很高的敏感负荷和输出功率波动性很大的新能源,多元复合储能技术就会成为必要，比如超级电容和蓄电池组成的复合储能系统，有很好的暂态特性和进行大容量电路存储，保证可靠供电。

2.2控制技术

控制技术是微电网发展的难点之一。微电网能不能稳定运行，能不能和主干电网很好衔接，能不能取得长足发展，在很大程度上要看电力电子控制技术的发展。

2.2.1微电源控制技术

对于微电源大多通过电力电子接口与微电网连接[4-5]。燃料电池发电、光伏电池发电及蓄电池等产生的是直流，需经过DC/AC变换形成50Hz的交流电，而风力发电，微型燃气轮机发电及飞轮存储系统通常先要经过AC/DC变为直流，然后再有DC/AC变为交流。其中主要用到了逆变技术。由于电源类型和负荷不同，常采用不同的控制方法。

PQ控制法：控制逆变器输出电压和相角达到控制控制有功功率和无功功率的输出，维持功率平衡。常用于控制最大功率输出方式或者接入点的恒功率潮流运行。

PV控制法：调节输出有功大小并在保持母线电压在同一水平。

V-F控制法：维持电网电压和频率。常用于在孤岛模式下，维持微电网内部电压和频率在正常水平(在并网下，主网会将微电网的电压和频率自动拉入同步)。

2.2.2微电源并联逆变技术

在微电网中，单个电源较小，不能满足容量要求。常采用多个电源并联运行。但是并联运行要求所有电源输出电压相同(幅值、频率、初始相位)。若不同则需要解决电源之间均流的问题。并联场采用的方法[6-7]：

自整步法：假设并联逆变器系统中各模块是等价的，没有专门的控制模块，通过模块间的连线实现同步和均流。这一方法使用与开环控制的低频调制逆变器。调节时间长，精度低。

功率调节法：利用外特性下垂法实现电源模块间无通信线工作。以本模块有功功率、无功功率、失真功率为控制变量，使各模块独立工作。从而实现均流和同步。

主从模块法：设定一个电源模块为“主模块”，其余模块为“从模块”，从模块跟随主模块同步和均流。优点：主模块和从模块有自己独立的控制电路，易于扩容，稳定性和均流性好。但是一旦主模块失效，从模块皆无法工作，整个系统将崩溃。

同步开关控制法：采用一个外部控制起来控制多个逆变电源模块，各模块输出功率相同、电压相同。这种方式没有均流，但是对于各模块参数一致性要求较高且各模块不能独立工作。

平均值电流控制法：采用双环控制，外环为电压环，内环为电流环。各电源模块的参考电压和参考电流均为平均值，且各模块输出电流跟踪参考电流。

2.2.3微电源并网逆变技术

逆变电源和同步发电机不同，需要控制输出电压的相位和频率才能与电网保持同步。因而需要并网逆变技术。并网逆变器分为低频和高频两种基本结构：

(1)低频逆变器电路由工频逆变器、工频变压器以及输入、输出滤波器构成。低频环节并网逆变器具有以下特点：电路结构简洁、允许功率双向流动、单级功率变换(DC-LFAC)，变换效率高，按变压器体积和重量大、音频噪音较大。这使得使用这种并网技术的微网可以工作在多模式下，既可以作为电源向主网供电也可以作为负荷。

(2)高频逆变器电路[8]由高频逆变器、高频变压器、整流器、极性反转逆变桥以及输入、输出滤波器构成。特点：高频电气隔离、电路结构简单、单向功率流通、三级功率变换、直流变化极工作在SPWM、极性反转逆变桥应力低等。使用高频并网技术使输出特性更加有优越，且省去了笨重的工频变压器，极大促进可再生能源的利用。

3　前景瞻望

3.1微电网在电力市场的发展趋势

先阶段国网[9]也在全面推进分布式电源的应用，鼓励用户“自发自用、余电上网”，尽管分布式电源尽管优势明显，但也存在一些问题。特别是相对于大电网而言是一个不可控电源，其渗透率提高会危害电力系统的稳定性，所以会根据分布式电源用户所处公变台区和线路的线路负载和容量情况有限制，着也一定程度上影响分布式电源的全面发展。

为了最大限度利用分布式电源的效益，同时协调与大电网的矛盾，所以提出了微网的概念，微网是一个用户侧的电网，它通过一个公共连接点与大电网连接。微网整合了分布式发电的优势，实现了主动式配电，是对智能电网安全性、可靠性、自愈性和生存性重要保障。微网运行将是电力系统发展的必然趋势。

3.2微电网与智能电网

微电网[6]是智能电网的有机组成部分，是对智能电网的有力补充。微电网建设有利于提高了电力系统面临突发灾难时的抗灾能力。大电网中超大型电站与微电网中分散微型电站的结合，可以减少电力输送距离、降低输电线路的投资和电力系统的运营成本，确保电力系统的运行更安全和更经济。

3.3微电网与新能源

随着传统能源储量减少、发电成本上升及新能源发电技术水平越趋成熟，而且由于新能源的高效、无污染特点，都将标志着新能源发电将会被市场所接收。微电网以新能源发电为核心，也必然会被市场所慢慢接收。

4　总结

通过对微电网的形态、技术等了解，我觉得微电网很有发展潜力。但目前微网的建设可能需要投入较高成本。我想随着技术的成熟和器件的成本下降，微网定会有很好的将来。

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Summary of Micro-grid

ZHENGJing，LIGeng,ZHANGYan-hua,LIULin

(College of Electrical and New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443002,China)

Micro-Grid is a new network architecture and is a set of system unit micro power load,energy storage systems and control apparatuses.Micro-grid is a autonomous systems that can realization of self-control,protection and management,run with an external power grid,it can also be run in isolation.Because some of micro distributed power source,so itself with volatility,thus the need to balance the energy storage device.Micro-grid control mainly PQ,PV,VF three control modes.

micro-grid;isolated operation;network operation;control mode;storage

1004-289X(2016)02-0001-04

TM71

B

2015-05-16

郑晶(1991-)，女，湖北荆州人，硕士研究生，主要研究方向：电力系统高压与绝缘，新能源电力系统控制与优化；

李赓(1991-)，男，湖北荆州人，硕士研究生，主要研究方向：电力系统负荷预测，电力市场营销；

张艳华(1990-)，女，湖北汉川人，硕士研究生，主要研究方向：电力设备故障监测与诊断；

刘林(1989-)，男，湖北荆州人，硕士研究生，主要研究方向：高压绝缘与测试技术、电力设备故障监测与诊断。