微电网关键技术研究综述

冯培磊，陈潇雅，徐天奇

（1.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽省六安市 237000；2.云南民族大学 电气信息工程学院，云南省昆明市 650500）

0 引言

在各国飞速发展，人们生活水平快速提高的时代，各种大负荷用电设备不断增多，这也使得电力系统输电量不断增大。传统的大容量、集中式、远距离的高压传输方式表现出运营成本高、运行难度大和调节能力差的弊端日益凸显[1]。同时，环境污染和能源危机等问题也越来越受到世界人们的重视，因此分布式发电开始受到国内外学者的不断研究，其具有能源利用率高、环境污染少、供电操作灵活、投入成本低等特点是解决上述问题的有效途径。然而，分布式电源接入电网时，会对电网产生很大的冲击，为解决这一问题，因而提出了微电网的概念[2]。

微电网可以很好的把分布式电源连接起来，不但可以把电能直接传输给用户，而且可以实现与大电网的完美并联，即实现孤岛、并网的运行模式。然而微电网的许多技术并不成熟，近年来，许多国家都开展了微电网的各项研究工作，研究主要包括其可接入性、灵活性、可靠性等方面。微电网技术是将来分布式能源系统的发展趋势的代表，是未来电力系统配用电的重要组成部分，同时也起到能源节约，促进能源可持续发展的作用[3]。

本文通过对微电网技术的发展应用展开综述，首先对微电网进行概述，然后重点从微电网的控制策略、储能技术、保护机制及规划设计等关键技术进行总结研究，从而提出一些亟需解决的问题，并对微电网技术的未来发展进行展望。

1 微电网概述及特点

微电网，顾名思义，也就是小型电网的意思，它与传统大规模的电网相比就是规模较小，然而功能并不差，微电网的概念没有明确的统一，各国根据本国的实际情况提出了不同的微电网概念[4]。微电网一般都包括分布式电源、负荷、储能装置、控制装置等几个部分组成，并能实现孤岛（直接连接用户）、并网（连接大电网）两种运行模式，还可以在这两种模式中平滑切换，微电网的组成和功能如图1所示。同时微电网还具有微型、清洁、自治、友好四种基本特点，这些特点决定了微电网具有电压等级低、能源综合利用率高、能够实现电力供应的自平衡以及大大减少大规模分布式电源接入电网时带来的冲击等优点。

图1 微电网的组成和功能Figure 1 Structure and function of microgrid

从系统层面上来看，微电网是一种把设备、装置组合在一起的现代电力电子技术；从大规模的电网来讲，微电网就是一个微型、可控制的小电网，其具有很高的灵敏性，能够迅速的对其他装置和设备进行控制；从用户的角度来说，微电网则可以满足用户的许多要求，包括降低电能损耗、节约成本、提高电压稳定性等，都可以通过微电网技术来实现[5]。

2 微电网控制策略

微电网的控制主要是对微电网运行的控制，从而保证其稳定安全的运行，微电网系统都是采用有效的协调控制方法进行分布式电源和负荷之间的稳定运行控制。微电网的控制策略通常包括主从控制和对等控制。在微电网的控制方法中主要用到变流器控制技术，它对微电网系统能否孤岛稳定运行以及能否实现快速并网起到关键性作用，常用的微电网变流器控制技术有PQ控制、恒压恒频V/F控制以及下垂控制[6]。

2.1 主从控制

主从控制就是各微电源运用多种控制方法把PQ控制与V/F控制结合起来，使得分布式电源具有各种不同的职能，它由主控制器和从控制器组成，主控制器一般使用V/F控制，从控制器的运行方式由主控制器来控制[7]。各微源间需要信号线来连接，实现信息的通信，如果通信系统出现问题，微网将难以继续运行。

不管是在孤岛运行模式还是在并网运行模式下主从控制都表现出较好的优势，不过其主要运行在孤岛模式下。文献[8]把经过改进的下垂控制和PQ控制通过结合运用到微电源的主从控制中，实现微电网两种运行方式之间的无缝切换，又通过Matlab的仿真，从而证明了主从控制的可行性。虽然主从控制大多需要微电源之间通过信号线连接而通信，但是通过一些技术的处理还是可以不依赖通信设备，比如文献[9]提出将多个V/F控制的主电源设置在微电网的孤岛运行中，该方法没有通信设备，即可按照预期的裕度进行运行，具有很好的自适应能力，同样证明了微电网主从控制的合理性，为微电网运行控制提供了有效的途径。

2.2 对等控制

对等控制中的“对等”也有相同的意思，就是指微网中的所有微电源在控制上有着相同的地位，没有主从之分。在对等控制模式下，每个分布式电源之间不需要互相通信联系，就可以进行输出功率的自动分配，从而实现“即插即用”的功能，不但提高了微电网的可靠性，同时也降低了系统的成本。虽然对等控制有着许多优点，但是由于其在控制方面比较复杂，要求较高，则不易得到应用，不过随着微电网的不断研究和规模的扩大，这项问题将会有更多人去探索，是一个研究的趋势。

在实现对等控制的方法中主要用到了下垂控制方法。文献[10]利用有功频率——无功电压下垂控制公式来证明下垂控制只需要本地量测的信息，并不依赖于通信，比其他控制方法具有很大的优势。其公式如式（1）、式（2）所示。

式中w0，V0——系统的额定频率与额定电压；

pi，Qi——分布式电源实际输出的有功和无功功率；

mi和ni——有功和无功下垂系数。

分布式电源在接入电网时会出现较大的电压波动，为解决该问题，需要分布式电源逆变器对电压进行调整，这通常也用到对等控制下的下垂控制技术。文献[11]中将分布式电源逆变器输出阻抗设计成容性，又经过数学建模后把它与感性和阻性的逆变器下垂控制特性作比较，从而得出输出为容性的阻抗分布式电源逆变器更易于在公共的连接点处进行电压处理。文献[12]提出在传统的下垂方程中加入微分补偿环节，从而改进了下垂特性的功率控制器，改善了逆变器的跟踪性能，并降低了空载环流，同时提高了供电可靠性。

3 微电网储能技术

在微电网分布式电源中会用到风能、潮汐能、光伏能等清洁能源发电，然而这些能源发电会出现发电的不连续性或间歇性，这对电网的安全和稳定是不允许的。微电网在并网和孤岛运行模式的切换中，会出现功率的缺额，只通过电源发出的功率很难快速的进行补偿，因此在电网中安装储能装置就可以较好的解决此问题。储能系统具有功率双向流动、控制灵活的特点，因而对储能系统的优化为微电网经济运行起到十分重要的作用。

3.1 一般储能方式

现有的储能技术主要有四类，分别是蓄电池储能、飞轮储能、超导储能、超级电容储能。对于各种储能方式的优缺点许多文献中都已涉及，这里就不在赘述，直接看表1列出了四类存储技术的各项指标对比[13]。

表1 四种储能技术的各项指标Table 1 Indexes of four kinds of energy storage technologies

由表1可以看出电池类的储能方式能量密度、功率密度和效率都很高，而且年使用价格表现最低，但是电池使用寿命最短，响应速度慢，只能用做紧急备用的电源。飞轮、超级电容和超导三种储能方式表现功率密度大，使用寿命长，效率高，但是在存储过程中自损耗较大，不宜长时间存储，并且成本也很高。

3.2 复合储能方式

在上述分析中可以看出各种储能方式都存在一些缺点，因此在这种情况下各种存储方式可以联合起来，相互结合优势，弥补缺陷，从而形成复合存储模式。

对于复合性储能的研究，更多的运用到超级电容器和蓄电池的结合，主要是因为它们有着相似的储能方式，同时超级电容有着高功率密度，再加上蓄电池具有高能量密度，则有着较好的配合使用条件，而且两者在年使用价格上也表现出一个价格最低，一个较高，从而优势互补，由此表现了很好的经济效益，更适合相互结合使用。同时超级电容器储能与飞轮储能和超导储能进行比较，它在运行时没有复杂的运动部件，从而很少需要维修，因此稳定性就很高，适合和其他储能方式相互配合使用。文献[14]提出运用超级电容器和蓄电池组成的混合储能系统，应用在分光互补的微电网中，从而很好的提高了系统的可靠性和灵活性。文献[15]将超级电容器和蓄电池完美的结合起来，从而又设计了复合储能装置的控制方法，既可以单独控制两种储能方式，又可以在电压缺损条件下快速的供能，保持装置的稳定运行。

4 微电网保护机制

微电网的保护是在微电网发生故障时，能够快速准确的切除故障并恢复微电网安全稳定运行的一种关键技术，其设备特性非常复杂、网络结构也样式各异、运行方式变换不定，这使得微电网的保护机制显地尤为重要[16]。传统的三段式过流保护已经无法满足微电网的运行需求，现在新的保护策略主要有过流保护、差动保护、距离保护、自适应保护等[17]。

对于微电网的保护方案是一个比较关注的问题，文献[18]对上述四种新的保护策略进行了详细的介绍，并提出一套微电网继电保护方案，由不同的保护对象，制定出不同的保护方案，从而来解决电网保护过程中故障双向电流、不同运行模式短路电流差异、故障切除必须迅速等难题。文献[6]设计了微电网保护策略的方法，如图2所示，对微电网保护机制进行了较全面的设计和总结。文献[19]通过电流差分保护，提出在智能继电器控制网络基础上的微电网保护方案。增加环结构设计，使微电网在故障线路切除后最大限度地连接微电源个数，从而提高微电网供电的可靠性。

图2 实现微电网保护策略方法Figure 2 Implementation of microgrid protection strategies

在微电网保护机制中提到的各种保护方法的成功实施都需要具有特殊的对故障处理安全有效的识别算法。微网和大电网一样有着复杂的结构，同时还有着两种不同的运行方式，因此要实现微网的安全可靠运行就要研究出能够解决微网故障的有效算法。文献[20]提出低压自适应电流突变保护新算法，该算法可以记录故障之前一段时间负荷的电流状态，通过电流的大小来自动调整保护的动作，并能够识别微电网的状态，从该状态的变化自动调整保护定值。

5 微电网规划设计

微电网规划设计是实现后续实施、运行、维护等工作的前提，其目的是在考虑经济的合理性、环境的有好性及技术的可行性基础上，结合特定的目标和系统约束条件，确定系统的结构和设备配置，从而实现系统的经济性、环保性及能源利用效率等指标的优化[1]。微电网规划设计是对多目标的设计规划，具有较大的随机性和不确定性，其研究主要包括建模方案、可再生能源与负荷需求分析和优化算法三个方面[21]。

在现今的文献研究中，对于微电网的规划设计更多的侧重对算法和模型的优化，对于可再生能源与负荷需求分析的文献较少。其实总体来看，相对于前面几种技术，在微电网的规划设计方面，较少有人涉及和研究。文献[22]在微电网规划中利用NSGA-II算法，并对该算法进行了改进，通过性能测试与其他常见的多目标优化算法进行比较，而NSGA-II算法表现出更多的优越性，之后又运用该算法对微电网模型进行求解，最后经过综合评价得到最合适的微电网规划方案。文献[23]分析了微电网孤岛和并网运行模式的各种电源规划模型，并通过各种模型的优缺点，提出在两种运行模式下微电网电源规划的思路，对后来的研究具有一定的借鉴作用。

6 存在的问题及解决方法

对于微电网技术的研究已经有不少的经验积累，但是还存在着许多的问题需要进一步的研究解决。

在控制策略方面。主从控制下用信号线通信的各微电源，容易出现不稳定性问题，在此情况下需要更好的把下垂控制、PQ控制和V/F控制进行优化改进，不管在孤岛运行还是在并网运行下，都具有自适应能力，以实现不需要通信的运行；在对等控制下的分布式电源逆变器控制电压稳定时，研究发现，当分布式电源逆变器输出为容性阻抗时则利于电压的控制，但是输出阻抗一般都是阻性，设计为容性使电路复杂，成本也更高，并不宜大规模的应用，因此可以考虑把容性和阻性相结合的方法运用到不同位置的逆变器中；下垂控制公式是从稳态下推导的，然而在暂态下就不能得到保障，可以考虑把下垂特性设计为余切等函数曲线来改善系统的暂态响应。

在储能技术方面。该方面较多用到超级电容器储能和蓄电池组合的方式，虽然具有很大的优势，但是大规模的运用还是会存在较多的污染问题。此时可以考虑把飞轮储能和超级电容器储能相结合，两者在能量密度、功率密度和使用寿命上都有着很高的水准，并且没有污染问题，年平均使用价格上也很低，因此两者的结合具有很高的各方面效益，这可能是下一步的研究重点。

在保护机制方面。对一些有效的故障处理算法已经有了较多的研究，但在设计出一套保护方案后，对故障的模型构建还相对缺乏，由于各个分布式电源的控制方法不同，导致他们电源故障时出现的电压和电流也有所不同，只有建立了对应的模型，才能准确的分析判断，制作的保护方案才有效可行。

在规划设计方面。对于这方面的研究很少，不是因为这方面不重要，而是微电网技术还算是一种新型的技术，发展不够成熟，也没有大规模应用到现实生活中，在这方面的分工和任务并不太明确。因此对于这种情况需要鼓励和支持更多的研究人员投入研究，比如提出规划的具体内容和流程，从而不断完善微电网规划设计的理论体系。

7 总结与展望

自从微电网的概念被提出以来，国内外就展开对微电网技的不断研究。通过对研究界较为关注的控制策略、储能技术、保护机制及规划设计四方面的微电网技术进行综述，指出微电网的一些未解决的问题，同时也提出了相应问题的可能解决方法，并且还指出今后需要投入更多研究的方面。

全球能源危机、环境恶劣的背景下，微电网作为一种新能源发电模式，具有长久的经济、技术、环境和社会效益。越来越受到各国的重视，并会投入更多的研究，随着微电网技术的不断提高和体系的完善，微电网将会快速的发展下去，有着开阔的前景。以后微电网把各分布式电源相互连接起来，并得到大规模的应用，越来越多的用户也会由此而受益。