智能微电网运行关键技术探究

林志坤 张耀

摘要：随着新能源的快速发展以及智能化技术的日益成熟，智能微电网的研究越来越受到人们的重视。本文对智能微电网最新发展展开了介绍，从智能微电网的概述及特点、智能微电网的保护技术、控制技术、规划等方面进行了总结研究，并从电力市场背景下及新能源背景下进行了智能微电网未来发展的展望，为智能微电网的实用化和应用推广提供了理论参考。

关键词：微电网;主从控制;保护机制;储能技术 ;规划设计

0 引言

随着气候变暖带来的环境危机与传统能源的日益短缺，分布式新能源的发展与整体入网调配日益受到重视。在能源互联网视角下，分布式新能源即为用户终端，不仅能够实现局域内部的电能输送调配，而且能够与集中式大电网进行能源互通，从而为中央能源供应系统提供支持和补充，也是未来能源互联网架构中的关键组成部分。而微电网是目前分布式新能源与新型用户的主要供电模式，符合“节能减排”、“环境治理”与“产业升级转型”三大主题概念。积极促进分布式能源的发展、持续推动微电网技术创新、支撑能源消费革命，从基础研究、重大共性关键技术研究到典型应用示范全链条布局，实现微电网技术的快速发展[1]。

1 智能微电网概述

智能微电网是独立分散的供电系统。在智能微电网系统中，可以通过交流母线上公共连接点的静态开关实现与交流大电网的链接与断开，即并网与孤岛模式的平滑切换。智能微电网由于靠近用户侧，输电线路短，减少了线路功率的损耗;同时，由于智能微电网能够并离网切换运行，增强了系统抵御大电网发生故障影响的能力，提高了智能微电网系统自身运行的可靠性。综上所述，智能微电网应具有以下特点[2]。

（1）并网和孤岛两种运行模式。在并网运行的状态下，智能微电网在大电网中充当削峰填谷的重要角色，降低因负荷峰谷差带来的电力故障，保障了大电网运行的暂态和动态稳定性。当大电网接纳能力有限或者发生故障时，智能微电网可以根据保护装置迅速与大电网隔离，实现系统孤岛稳定运行，提高了智能微电网系统自身供电的可靠性。

（2）稳定。通过合理的控制策略，智能微电网在孤岛运行状态下能够保障系统有功功率平衡和电压/频率的稳定和减小系统谐波以实现系统的稳定运行，从而满足用户负荷电能质量的需求。

（3）兼容。由于可再生能源具有随机性和间歇性等特点，导致分布式电源的分布具有分散性。智能微电网可以将局部分散的分布式电源进行集中整合，从而实现多种分布式电源的兼容。

（4）灵活。智能微电网不仅可以作为一个微型受控单元实现“即插即用”，而且通过手段实现不同电压等级下用户多样化的用电需求。

（5）经济。智能微电网作为可再生能源有效利用的重要形式能够优化能源结构，减少污染排放，实现节能降耗的目标，提高可再生能源的利用效率。

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[3]。

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。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。不管是在孤島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。

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”，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。

3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[4] 。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，如图1所示[5]。

4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。

4.1一般储能方式

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。

4.2 复合储能方式

一般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。

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[6]。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[7]。在现今的研究，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。

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;在對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。

参考文献

[1]郭雅娟，陈锦铭，何红玉，吴倩红，韩蓓，李国杰.交直流混合微电网接入分布式新能源的关键技术研究综述[J].电力建设，2017，38（3）：9-18.

[2]王国栋.智能微网研究综述[J].智能电网，2014（02）：34-38.

[3] 郭权利，杨宇昕.智能微电网研究综述[J].山东工业技术，2017，（4）：161-162.

[4] 张玉海，王新超，许志成.微网保护分析[J].电力系统保护与控制，2012，40（11）：55-60.

[5]周龙，齐智平.微电网保护研究综述[J].电力系统保护与控制，2015，43（13）：147-154.

[6] 孟明，陈世超，赵树军，李振伟，卢玉舟.新能源微电网研究综述[J].现代电力，2017，34（1）：1-7.

[7]王成山，武震，李鹏.微电网关键技术研究[J].电工技术学报，2014，29（2）：1-12.

作者简介：林志坤（1979-），男，籍贯：福建漳州，工程师，国网浙江衢州供电公司生产指中心。

张 耀（1991-），男，籍贯：浙江开化，工程师，国网浙江开化县供电有限公司。