高原高寒地区智能分布式光伏微电网研究综述*

王玉群

（西藏自治区能源研究示范中心，西藏 拉萨 850000）

随着社会经济的快速发展，城市集中化程度越来越突出，无论是工业的生产用电量还是市民的生活用电量均呈直线上升。因此传统的集中型高压远距离输电系统的规模也随着用电需求量的不断增大而提高，同时其建设成本高、运维难度加大、送电质量难以跟进、用户不断提高的多样化用电需求等弊端也愈发突出。并且随着能源危机的日益凸显，环境污染问题的越来越严重，在尽量利用各种清洁能源进行分布式发电的基础上，有机结合先进的通讯、测量、传感等技术和先进控制方法的智能微电网系统成为了国内外专家学者研究的焦点［1］。智能微电网系统由于尽可能的以可再生能源（太阳能、风能、地热能、潮汐能等）为主，当地方便可获取的化石能源（天然气等）为辅［2］，且就近分布于用户侧附近，因此智能微电网系统提高了用户侧供电的可靠性以及能达到能源阶梯使用的目的。其供电网路中电量损耗小，具有能源利用率高、方便检修等优点，因此逐渐得到了世界各国的关注。

文章主要综述了智能分布式微电网的概念及特征，给出了世界各国在智能分布式微电网运用方面的结构现状，以及分析了智能分布式光伏微电网系统的三大关键部分（能量管理、系统控制及系统保护）。

1 智能分布式微电网的特征

1.1 智能分布式微电网的概念

由于世界各国对于微电网的定义不同，因此世界各国的专家学者对于智能分布式微电网的定义同样有所区别。Galvin Electriity Initiative认为智能分布式微电网系统就是传统集中型、大型供电系统的小型化、现代化、智能化体现，其不仅能够尽可能的满足用户多样化用电的需求且能保证供电质量的可靠性和安全性，并最大限度的利用可再生能源及促使电网技术的不断创新［3］。Valence Energy认为智能分布式微电网系统应该是在利用多种能源（包括：可再生能源及非可再生能源）进行耦合发电的同时，能够通过末端用户侧进行智能化控制和管理，并在实现可持续发展目标的同时以求达到经济效益的最大化［2］。中国专家学者认为智能分布式微电网系统即为微型电网系统表现出智能化，依靠小型、分散型资源为基础，将分布式发电技术与末端用户侧用能管理及能量梯级利用技术相结合，从而形成分散式的小型模块化送电网络，并通过先进的通讯、测量、监控及控制等技术使微型电网满足对未来电能质量、环境效益及经济发展等方面的更高需求［4］。

虽然世界各国对于智能分布式微电网系统的定义有所不同，但对于智能分布式微电网的基本共识是：智能分布式微电网系统由各种分散式电能来源、电能存储单元、负载、保护设备、智能监控及智能控制几大部分组成。其具有灵活可调、智能监控、智能控制等特点，且拥有并网和离网两种运行模式。根据电量使用量的实际情况，整个系统的电容量一般为数千瓦到数兆瓦不等［5］。智能分布式微电网系统不仅可为附近区域供电，在一定条件下，还可为附近区域供热或制冷，并且与传统市政电网一般是并联的关系。表1给出了美国、欧盟以及中国高原高寒地区智能分布式微电网系统的发展目标。

表1 各国的智能分布式微电网系统的发展目标

1.2 智能分布式微电网的结构

1.2.1 美国智能分布式微电网结构。美国电力可靠性技术解决方案协会（简称CERTS）提出的智能分布式微电网基本结构如图1所示。并且与美国电力公司合作，在Dolan技术中心建立了一个大规模的集监控、控制、保护设备和电能管理为一体的智能分布式微电网平台［6］。该智能微电网系统主要由三条馈线构成：其中一条仍然与市政电网相连接，当该馈线上静态开关处于闭合但不向市政电网送电的时候，该条馈线仍可将分布式电源产生的电能输送至负载。另外两条馈线连接DG单元，且可进行离网运行。CERTS提出的智能分布式微电网系统结构中主要由两个核心元件组成：即可控制的微电源及静态开关。

图1 美国智能分布式微电网结构

1.2.2 欧盟智能分布式微电网结构。由雅典国立大学领导，并且与Siemesn、ABB、SMA、ZIV及I-Power等公司合作的欧盟第六框架计划（2002-2006）项目［7］：Ad⁃vanced Architectures and Control Concepts for More Mi⁃crogrids”，其项目总投资为850万欧元［7］。该项目主要研究的方向是智能分布式微电网系统的智能监控和控制策略，整个系统的协调管理和保护方案，以及该系统对市政电网的影响等［8］。欧盟的智能分布式微电网基本结构如图2所示。整个智能分布式微电网的核心是与分布式电源及负载相连的中央控制器（简称MGCC）［9］，MGCC通过设定的初始值向分布式电源控制器（MC）及负载控制器（LC）提供信号，以达到控制分布式电源及负载匹配运行的目的。

图2 欧盟智能分布式微电网结构

1.2.3 中国高原高寒地区智能分布式微电网结构。中国智能分布式微电网系统研究工作的开展，主要还是依照CERTS的基本理念，研究的方向主要针对的是智能微电网系统的并、离网运行模式，系统的智能化控制程度以及该系统对市政电网的影响等方面。且国家对于智能分布式微电网的研究工作也给予了大力支持，例如国家的“863”及“973”计划中，均支持了智能分布式微电网系统的研究［10］。图3是西藏自治区能源研究示范中心建设的用于办公楼供电的智能分布式光伏微电网系统结构图，该系统主要由：255Wp多晶硅光伏组件、240kWh储能电池、58kW储能变流器、配电柜以及智能通讯柜五大部分组成。该智能分布式光伏微电网系统主要运用的是分层控制体系，智能控制系统由系统中心总控制器（通讯柜）和两个远程控制器（储能变流器和配电柜）构成。

图3 中国高原高寒地区智能分布式微电网结构

1.3 智能分布式微电网的优点

1.3.1 智能分布式微电网对于市政电网。智能分布式微电网系统由于可以利用不同种类（太阳能、风能、潮汐能、天然气等）的分散型能源进行耦合发电，因此其实现了多种能源的优势互补，提高了分散型能源的能源利用率，且减小了由于单一分散型能源发电的不稳定性可能对市政电网造成的影响；智能分布式微电网系统由于采用的是就近发电的原则，因此其不仅降低了电路网络的输电损耗，还减小了由于市政电网升级而带来的建设成本；由于智能分布式微电网系统的区域性集中型送电特征，因此其减小了市政电网的备用电需求量，降低了市政电网的用电高峰值。

1.3.2 智能分布式微电网对于用户侧。智能分布式微电网系统具有灵活的运行模式，因此可满足用户的多样化用电需求；智能分布式微电网系统实现了用户侧用电自治，提高了区域性电网抵抗自然灾害的能力，保证了区域性供电的可靠性；用户侧可通过智能化控制，有能力为自己提供更高质量的电能；智能分布式微电网系统可为缺电甚至无电地区提供配电网络，实现村村通电的目标；智能分布式微电网系统由于大部分选择的是可再生能源作为发电来源，因此其保障了能源的可持续利用，节能环保。

2 智能分布式光伏微电网的关键部分

2.1 用能管理

用能管理单元作为智能分布式光伏微电网系统中最核心的部分，其应具有以下五个方面的功能，即：人机交流、数据监控、信息分析、信息预测及控制优化［3］。用能管理单元通过利用先进的数据监控及数据采集设备，能够得到用户侧的实时用电需求量和实时电价的波动情况等信息，并根据这些信息及智能分布式光伏微电网系统的运行条件从而进行预测分析，最后制定出经济效益最高且系统运行最优的实施方案。图4为西藏自治区能源研究示范中心的BMS通讯拓扑图。

智能分布式光伏微电网系统的用能管理单元与传统市政电网的用能管理单元主要有以下三个方面的区别：①智能分布式光伏微电网系统的用能管理单元不仅有电能管理单元，其往往还包含有热能管理单元（针对严寒地区、冬季进行供热或炎热地区夏季进行供冷），用能管理单元中的电、热管理单元需要相互协调工作；②智能分布式光伏微电网系统的用能管理单元能实现与市政电网的电量交换（即：能实现并、离网运行和富余电量上网）；③智能分布式光伏微电网系统的用能管理单元能实现用户侧的分级供电，例如在离网运行状态且光照不足的条件下，此时系统的产电量不足以满足整个用户侧的需求量，因此可以断掉不重要的负载，优先保证重要负载的供电。

智能分布式光伏微电网系统在今后的发展目标：①提升系统的集中控制能力，使用户侧能更方便的控制整个系统；②提升系统的快速响应能力，使系统能实时反应电价情况；③提升系统的监控采集能力，使系统能高效准确的定位故障并处理各种信息；④提升系统的决策调度能力，使系统能提供最佳的运行方案。

2.2 系统控制

智能分布式光伏微电网系统的运行模式主要有并网运行和离网运行两种状态。

并网运行状态：当智能分布式光伏微电网系统进行并网运行，其光伏电源采用恒功率的控制模式，即通过将有功功率和无功功率进行耦合求解，利用电压空间矢量控制技术来调节变流器的输出电压，再调节线路电流的大小，最后达到实现恒功率的目的［11］。并网运行模式由于把有功功率和无功功率设定为参考值，因此光伏电源的输出功率维持其参考值来输出。

图4 西藏自治区能源研究示范中心的BMS通讯拓扑图

离网运行状态：当智能分布式光伏微电网系统进行离网运行时，其光伏电源一般采用下垂控制或恒压恒频率的控制模式。其中下垂控制是将有功功率或无功功率的初始设定值定义为控制的参考值，再根据有功功率与频率的线性关系及无功功率与输出电压的线性关系，利用下垂控制计算得到变流器的输出频率和输出电压（与发电机一次调频类似）［12］。而恒压恒频率控制则是通过控制输出电压和频率的大小，使其维持在参考值范围内，进而来达到控制调节的目的（与发电机二次调频类似）［12］。

2.3 系统保护

智能分布式光伏微电网系统由于是利用了太阳能作为电源的区域性有源网络，因此其与市政电网的系统保护存在着巨大的差别。智能分布式光伏微电网系统的内部电流流动是双向的，因此其必须安装防逆流设备，以防止内部电流反向流向光伏组件。由于智能分布式光伏微电网系统在并网运行及离网运行的状态下，其短路电流的大小相差很大，因此在设置电流保护值时应分开设定，以防止出现系统短路的情况。智能分布式光伏微电网系统的保护设定应能根据实时信息对整个系统中出现的故障作出高效准确的判断，以达到市政电网保护系统所要求的：迅捷性、灵敏性和可靠性。并且该保护系统能同时适用于并网运行及离网运行两种状态，即当进行并/离网切换时，该保护系统不会出现失效的情况。

智能分布式光伏微电网的系统保护方法主要分为：过流保护、电压保护、补偿保护、适应保护及差动保护等［13］。其中苏海滨等还通过数值模拟，提出利用安装中央控制器（智能数值测量单元）来代替传统继电器的系统保护方法，其不仅可以降低系统的投资成本，还提高了系统的可靠性［14］。

3 结语

智能分布式微电网系统由于尽量利用了分散式的可再生能源，且采用了先进的监控、控制、通讯及计算机等技术，因此其不仅实现了节能减排、降低损耗的目的，还实现了电网系统智能化的目的，从而得到高度重视。但是随着智能分布式微电网系统在整个配电系统中的比率上升，那么如何提高智能分布式微电网系统的人机交流能力、实时数据监控能力、分析预测能力、故障准确定位能力、群控能力、多能源协调能力等将成为智能分布式微电网系统的研究重点。并且伴随智能分布式微电网系统的建设数量增多，可能会出现区域性虚拟电站的建设划分、电量统一上网等问题，这些都需要国家来统一管理和协调。