微电网技术介绍

微电网技术介绍

微电网技术是当前能源领域的重要发展方向，它以分布式电源为主，通过储能装置和控制装置实现调节，能够实现系统内部电力平衡。本文将详细介绍微电网的概念、特征、运行模式和关键技术，帮助读者全面了解这一前沿技术。

微电网概述

微电网与分布式能源

可再生能源发电的形式可分为集中式发电形式和分布式发电形式。分布式发电因环境污染小、投资成本低、发电形式灵活等独特优势，受到了国内外能源行业的广泛重视，发展迅猛。但是，分布式发电也存在以下问题，分布式电源受环境影响较大，当其大规模接入电网尤其是接入中低压配电网时，电网电压容易发生波动闪变，电网功率难以维持平衡，电能质量和供电可靠性不能得到保证，孤岛运行时威胁人身及设备安全等，这些问题限制了分布式发电优势的发挥。为了解决上述问题，可靠的将分布式电源接入电网，充分凸显其发电灵活、清洁高效的优势，产生更大的社会价值与经济效益。微电网的概念逐渐被人们了解接受。微电网以分布式电源为主，利用储能装置和控制装置实现调节，实现系统内部电力平衡，可视为分布式发电的高级模式。

分布式能源：一般定义为包括分布式发电（DG）、储能装置（ES）和与公共电网相连的系统。其中DG是指满足终端用户的特殊需求，接在用户侧的小型发电系统，主要有内燃机，微型燃气轮机、燃料电池、太阳能、风能等发电系统。其最本质缺点在于不可控和随机波动性，从而造成高渗透率下对电网稳定的负面影响。微电网（MG）把分布式发电、储能装置、负荷通过控制系统协调控制，形成单一可控单元，直接接在用户侧。

分布式能源和微电网的本质区别就在于前者不可控，后者可控。微电网的主要优点有以下几方面：

（1） 微电网能够提高系统稳定性。对于并网运行的微电网，当大电网遇到突发状况时，微电网可以利用其内部的储能装置和保护控制装置来平滑整个系统的波动、维持功率的平衡；另一方面。对于自治运行的微电网，其内部的多种分布式发电系统增加了整个系统的容量，进而增大了微电网系统的惯性，达到减弱系统内电压闪变和电压波动现象的效果。

（2）微电网能够提高供电可靠性。微电网内部集合了不同种类的分布式电源，对于自治运行的微电网，可利用多个微电源来保证对重要负荷的供电，从而提高该类负荷的供电可靠性。对于并入电网的微电网，当大电网遇到突发状况时，微电网可以作为备用电源向大电网提供电能支撑，在短时间内恢复对重要负荷的供电。

（3）微电网能够充分展现分布式电源的效益。微电网系统将多种分布式电源进行汇集，并以整合的形式接入配电网中，其并网标准既适用于公共连接点，也适用于其内部微电源连接点。解决了分布式电源分散接入配电网时发生的问题，从而为分布式电源发挥自身优势提供了一个有效途径。

通过微电网将多种分布式电源整合并入配电网，不仅解决了分布式发电给配电网带来的问题，而且给配电网的运行带来了更多的好处，进一步促进了传统电网向智能电网的过度。

微电网的特征

微型：微电网电压等级一般在35kV以下；系统规模一般在兆瓦级及以下；与终端用户相连，电能就地利用。

清洁：微电网内部以分布式电源以清洁能源为主，或是以能源综合利用为目标的发电形式。

自治：微电网内部电力电量能实现基本自平衡，与外部电网的电量交换一般不超过总电量的20%。

友好：微电网对大电网有支撑作用，可以为用户提供优质可靠的电力，能实现并网/离网模式的平滑切换。

微电网应用场景主要有：有离岸或孤岛用能需求的偏远地区、大电网较弱或用能成本较高的地区、对用能稳定性和用电质量需求较高的园区。

微电网的运行模式

微电网的构成

微电网由分布式电源（分布式光伏、分散式风电、燃气轮机、电化学储能等）、用电负荷（重要、可调等不同类负荷）、能量管理系统（监控、保护和自动化装置）等组成，是一个能够基本实现内部电力电量平衡的供用电系统。

微电网有交流母线耦合结构、直流母线耦合皆有以及交直流混合耦合结构三种。

微电网运行模式

微电网具有并网和离网两种运行模式，以及两种模式切换中的暂态切换状态。

并网模式：微电网系统与电网互联，进行电能交换的状态。

离网模式：微电网与公共电网连接断开，微电网系统实现内部用能自平衡状态。

暂态切换状态：微电园与电网在连接或断开瞬间的状态，系统需要减少暂态切换带来的扰动，保证频率电压的稳定性。

微电网关键技术

微电网的核心在于“自治独立，协调互济”，自治独立指的是微电网具备阻断电网故障影响的能力，使微电网的孤网运行具有不失负荷或者少失负荷；协调互济指的是微电网和主网可以建立互相支援的关系。

微电网的控制策略

微电网的控制模式和策略是里面的关键部分，有主从、对等和综合性控制模式三种。

（1）主从控制模式

当微电网处于孤岛模式运行时，系统失去了大电网的电压和频率支撑，需要一个分布式电源采用定电压定频率控制，以维持系统稳定运行，称为主控单元，相应的控制器称为主控制器，其他分布式电源则仍采用定功率控制，称为从控制单元，其控制器为从控制器。主从控制器之间一般需要通信联系，且从控制器服从主控制器。主从控制模式比较接近大电网控制模式。其最明显的特点是DG的主、从关系，这是实现有效控制的前提。在主从控制模式下，DG具有各不相同的功能和控制方法，主控源通常由≥1个DG来充当，通过监测电气参数，结合电网实际的运行状况确定调节方法，采取通信方式进行DG输出控制，最终实现微电网的有效控制。在并网模式下，微电网具有相对较小的容量，无需实施频率调节，控制需放在输出功率上，因而DG控制可采用PQ法。在离网运行模式下，对主控单元实施的控制应采用定电压定频率V/F法，其他分布式电源采用定功率（PQ）控制的运行模式。当微电网并网时，由大电网提供对其电压和频率的支撑，所有分布式电源按设定功率输出，最大化利用可再生能源。

优点：控制策略简单，只对主控制电源有维持系统f/U的需求。

缺点：主控制器要求高，需要进行全局信息收集与调度，对通讯系统要求高，一旦主控电源发生问题可能整个系统宕机。

（2） 对等控制模式

微电网对等控制模式是指微电网中所有分布式电源在控制上具有同等的地位，不存在主和从的关系，没有一个单元像主控制单元或中心储能单元那样对微电网有着特别重要的作用，各控制器根据分布式电源接入系统点的电压和频率进行就地控制，共同参与系统的有功和无功功率分配，并共同为微电网提供稳定的电压和频率支撑。

对等控制模式适用于“即插即用”式微电网，每个设备以对等模式进行自动控制。采取对等控制模式控制逆变电源时，每个DG关系是平等的，没有主、从之分，以“即插即用”思想和对等控制的相关理论为支撑。由于DG控制模式均是预先设定好的，因此在参与调节的时候，系统电压不会受到过大的影响，频率也可以始终维持在稳定状态。对等控制模式的特点是可以采取“分别并联结合控制算法”的方式来实现自动调节，不需要通信的辅助。其优势体现在系统运行不受个别DG故障的干扰，不仅系统运行会更加可靠，未来实施扩容也更加便利，符合可持续发展的理念。

优点：即插即用，稳定性提升。负荷变化由多个电源共同承担，一个微电源的变化不影响整体系统的稳定性。

缺点：对可控电源的容量和数量比主从控制要求多。

（3） 综合分层控制

把微电网分成能量管理层、协调控制层、就地控制层的三层控制结构，依赖协调控制层的微电网控制中心集中管理各个DG、储能装置、负荷，实现微电网离网能量平衡，但分层控制依赖通信，结构复杂，且技术指标不高，存在“有缝”切换、非计划孤岛过电压、并网合闸冲击等问题。

微电网能量管理系统

微电网中，如何提高电能质量、完善能量管理、加强协调控制、降低孤岛风险是其中的技术关键。能量管理在微电网系统中显得至关重要：

微电网能量管理系统功能特点：

（1）分布式发电功率平滑控制

（2）自动电压无功控制

（3）电网主控模式的切换控制（独立电网）

（4）与上级电网互动调度管理（并网型）

（5）电网静态稳定分析

（6）电网经济优化运行

微电网能量管理控制系统用于保障微电网的稳定和经济优化运行。是一种计算机系统，包括提供基本支持服务的软件平台，以及提供使微电网内发电、配电、用电设备有效运行所需功能的一套应用软件，是微电网监控系统核心，担负着系统电源管理、负荷管理以及统计分析、评估等功能。微电网能量管理控制系统基本功能包括数据信息采集和处理、数据库管理、人机界面、设备控制等。系统控制功能包括微网运行基础控制、计划无缝切换控制、外部故障下的无缝切换控制、离网功率平衡优化控制、功率波动平滑控制等。系统应用功能包括分布式电源的运行分析与展示、微网运行效益分析、有功功率整体优化控制、无功电压整体优化控制、电能质量优化控制等。

微电网能量管理控制系统软件体系结构由操作系统、支撑平台、应用功能共三个层次组成，应用功能又分为基本应用功能和高级管理功能两个部分，如下图所示。操作系统支持跨平台，支撑平台包含数据采集管理、数据库管理、网络通信管理、图形管理、报表管理、权限管理、报警管理、计算统计等模块。基本应用功能包括SCADA处理、监控功能、统计分析功能、安全WEB数据发布等。高级管理功能包括全局能量管理目标制定等。