智能微电网保护和控制技术研究

舒薇

（怀化学院电气与信息工程学院）

1 引言

以分布式为最主要特点的智能微电网是一种新型的电网系统，它可以以自身作为分散且独立的供电系统，也可以与市政电网并联形成统一的大电网系统。智能微电网的组成主要有电源模块、电力转换模块、电力储存模块、输送模块、负载模块和保护模块几个部分。智能微电网系统集合了发电和配电的职能，在为用户提供电力之外，还可以为用户进行供热，进而延伸发展为能源系统[1]。

2 智能微电网简介

智能微电网是规模较小的分散的独立系统，是能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网运行，也可以孤立运行。它是将分布式电源、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[2]。微电网主要组成结构见图1。

图1 智能微电网组成结构

智能微电网技术代表了未来分布式电力能源供应系统的发展趋势，是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。凭借微电网的运行控制和保护等关键技术，可以实现其并网模式运转或孤岛模式运转，最大限度地利用分布式电源，提高供电可靠性和电能质量。近几年，智能微电网成为国内外研究的热点，这类电网可以有效就近消纳分布式能源发出的电能，不需要远距离长途输配电，因此，可以大大提高电能的利用率，实现就近发电、就近用电，并且随着分布式发电技术的不断进步，微电网成为未来电网的一个发展趋势。国家电网的“十三五”规划中明确指出，分布式电源微电网的发展是未来能源变革的重要一环。以风力发电、太阳能光伏为主的分布式新能源开发主要本着“因地制宜，科学利用”的原则，从本质上讲，就是在用户侧就近布置发电设备，就近使用，从而提高用电效率，减少输电损耗与成本。可以预见，随着我国电改的深入实施，现有供电系统中，政府职能与企业职能将逐步分开，发电与输配电网彻底分离，发电侧竞争市场机制的建立，从而为分布式能源系统的发展奠定了坚实的基础。正在发生中的能源变革也为分布式电源在电网中应用提供了巨大机遇[3]。智能微电网有两大优点。

1）发电侧“智能化”

微电网要与大电网“友好相处”并支撑大电网，就需要以信息通信、能源调度等层面的智能功能为保障。当智能微电网并联入大电网系统时，智能微电网可以辅助大电网进行电力峰谷的调节，在大电网进入用电高峰时，通过智能微电网为大电网系统补充供电，降低大电网的供电压力；在大电网用电低谷时，可以由大电网的空闲负载为智能微电网供电，这样就可以帮助降低大电网系统由于用电落差过大导致故障产生的机会，保障整个电网运行的稳定。同时，智能微电网也可以独自以孤岛模式来运转，在遇到大电网故障或者负载不足的情况时，智能微电网可以自动识别并切断与主网的连接，保证自身系统的稳定运转[4]。

2）用电侧“智能化”

即帮助用户在不同时段实现科学用电，比如无人值守地控制智能充电桩的充电、放电等。智能微电网由许多独立供电单元对用户直接进行输电，这样系统就有足够的灵活性调整能力，为不同电压要求的用户提供单独调整。

随着风力发电、太阳能等绿色新能源发电技术的普及，分布式发电系统满足了日益提高的供电稳定性要求、用电负荷快速增长的要求、提高了新能源的综合利用效果。不过分布式发电的微电网系统也有问题，比如节点接入的费用需求较高、系统控制难度大、对市政大电网存在电压和频率的冲击等，影响了它的发展[5]。

3 智能微电网的运转特点

3.1 并网模式下智能微电网的运转特点

在并网模式下，智能微电网需要通过公共连接点并联进入大电网系统。在并网过程中，如果智能微电网自身的分布式发电单元的电力无法达到使用负荷要求，就必须借助外部能量满足负荷要求。如果智能微电网自身的分布式发电单元产生的电力在满足使用符合要求后还有结余，那么这部分结余的电能就会被大电网吸收。在并入大电网后，智能微电网的自身功率需要借助大电网进行调节，其自身频率也随之变化，保持运转的稳定。同时，智能微电网的电压也要借由大电网系统支持。在智能微电网分布式发电单元中，定压的稳定性只针对局部，因此对局部电压的调整极为关键，容易导致分布式电源发生电压偏移现象[6]。

3.2 孤网模式下智能微电网的运转特点

智能微电网以独立的模式运转被称作孤网运行。孤网运行一般还分为计划内与计划外两种情况。在并网模式下遇到突发情况导致大电网无法满足使用标准时，智能微电网自动切换到孤网模式，这种情况就叫作计划外孤网运转。计划外孤网运转可以保证智能微电网长期稳定运转，提升了供电的安全性。在智能微电网孤网模式中频率的控制至关重要[8]。传统微电网的频率控制主要基于旋转体来完成，由于发电设备具有极强的惯性，这就导致频率变化很大。智能微电网主要由电力转换设备组成，主要设备没有与旋转体直接相连，在进行智能微电网频率控制时，需要借助储能设备或者频率下垂等方式实现对频率的控制[7]。

4 智能微电网的控制模式研究

与大电网不同，智能微电网是一个可控的独立系统，其控制设备主要有负荷调节器、分布式电源控制设备、中央能量管理系统以及继电保护装置等。智能微电网中有多个电源和多处负荷，负载的变化、电源的波动，都需要通过储能系统或外部电网进行调节控制。这些电源的调节、切换和控制就是由微网控制中心来完成的。微网控制中心除了监控每个新能源发电系统、储能系统和负载的电力参数、开关状态和电力质量与能量参数外，还要进行节能和电力质量的提高[8]。

智能微电网控制的主要目标：针对每一个微型电源的接口处电压展开合理调节，从而确保电压的稳定性；微电网在孤网运行期间，所有微型电流都需要保持快速响应状态，这样就可以降低用户的负荷；基于系统的实际需求和运转情况，实现平滑从主电网平滑的分离。

智能微电网的控制系统主要有主从控制模式、对等控制模式以及分层控制模式三种。

1）主从控制模式

智能微电网孤网工作时，主要采用主从控制模式，由于没有大电网的支撑，孤网系统要控制电压和频率来满足孤网系统中敏感符合的要求。通常选择VF控制模式对分布式发电设备进行控制，所有从控制器都可以决定自己的运转模式。根据主控制器的数量可分为单主从控制模式和多主从控制模式[9]。

2）对等控制模式

对等控制模式区别于主从控制模式，没有主控制器占据主要控制地位，而是给予所有分布式发电单元相同的地位。这种平等特性赋予了智能微电网“即插即用”的能力，并且不影响系统的电源基础，可以根据需求随时加入分布式电源，微电网系统会智能进行调节来平衡系统负荷。“即插即用”的特性同时也方便了DG的接入，这样就降低了通信费用的投入和电网建设的成本，同时智能微电网无论运行在何种模式下都不需要调整DG的控制模式，更便于平滑的切换系统[10]。

3）分层控制模式

分层控制是主从控制的一种。分层控制首先将需要管理的单元归类为不同的层级，每一个层级设有一个控制单元。从整个系统层面考虑，管理控制的灵活性极为重要，通过分层控制模式可以利用电力系统的自身组织、体制和结构等调度各个层级，以职责、单位、任务等作为指标，展开对电源的有功功率、线路潮流以及无功电压的控制与管理。分层控制模式一般只设有单独的中央控制单元，它可以预测DG对负荷的要求，继而根据要求来安排合理的运转计划，通过采集电流、电压等信息来适当调整计划，在确保电网电压稳定性的同时为系统提供保护（见图2）。

图2 智能微电网控制结构图

5 智能微电网保护技术

智能微电网在并网和孤网两种运行模式下如何判别是微电网内部故障或者主网故障，继而在确定故障位置后如何及时、高效的进行保护是智能微电网保护技术的难点所在。智能微电网保护技术在保护方法和逻辑上均与传统大电网不同，在实际保护工作中需要重视四个特点

①独立孤网运行模式下的智能微电网产生的短路电流与并网运行模式下存在差异。

②智能微电网中包含了许多独立的分布式发电单元，这些独立的分布式单元在短路时产生的电流也有极大差别。

③基于“即插即用”的特性，智能微电网能比传统大电网更加快速高效地修复故障，恢复稳定运行。

④智能微电网有许多复杂情况的拓扑构造[11]。

基于上述智能微电网的特点，要保障智能微电网保护措施有效开展需要在整个过程中优先解决以下问题。

①记录整理已发生故障的特征信息模型，便于在发生故障时迅速查找、定位故障类型和解决方案。因为智能微电网中发电单元设备的参数不同，其电流、电压暂态稳定特性不同，这样就可以依据发生故障时产生的电流、电压的在太稳定特性数据来整理故障排查数据库。

②开发智能微电网有效性故障的鉴别、修复技术。智能微电网是由多种类型的分布式发电单元构成，他们在运转模式、组织方式、控制模式方面各有特点，所以要开发出可以快速反应鉴别、修复电网复杂拓扑结构问题的技术。

③进一步加速新型智能终端设备与现有传统设备的融合和升级，通过智能设备覆盖智能微电网的控制和保护工作，完成微电网的智能化自动控制和保护[12]。

④要保证智能微电网高速通讯系统和线路的稳定性和安全性，智能微电网在进行自动化控制网络切换和故障识别、修复等作业时，对传感器信号的实时性要求极高，如果通讯收到延迟和阻断就可能对电网稳定运行造成极大影响，所以通信系统要保证全年、全时段的稳定（见图3）。

图3 智能微电网保护策略

6 结语

综上所述，智能微电网是不同于我国传统电网模式的新型、智能电网系统和技术。智能微电网是目前发展最快的新型电能网络系统，智能微电网与市政大电网进行电力交换，双方互为备用，是实现主动式配电网的一种有效方式，这样可以提高供电的稳定度。智能微电网在降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性等方面具有巨大潜力。智能微电网将成为今后我国电网技术发展的重要部分，其关键技术还需要不断精进和完善。