C组 成员：马啸远、刘思聪、王弼南、 孙钦兰、马克 微型电网 C组 成员：马啸远、刘思聪、王弼南、 孙钦兰、马克

一、微型电网的相关概念 二、微型电网关键技术及应用 三、微网与大电网的并网 四、中国发展微网的目的和方向

一.微型电网的概念 　　 微网（micro-grid），是指由分布式电源、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，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。是智能电网的重要组成部分。

1.微网的基本结构 微网的基本结构如下图所示，微网中包含多个分布式电源和储能系统，联合向负荷供电，整个系统对外是一个整体，通过主隔离设备和大电网相连接，微网中的分布式电源可以是多种能源形式，如风力发电、光伏发电、微型燃气轮机和燃料电池等， 还可以以热电联产或冷热电联产形式存在，就地向用户提供热能，提高分布式电源的利用效率。

2.微网的优势 微电网接在用户侧，具有低成本、低电压、低污染等特点。微电网既可与大电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。 对于电网，微电网作为一个大小可以改变的智能负载，为本地电力系统提供了可调度负荷，可以在数秒内做出响应以满足系统需要，适时向大电网提供有力支撑。 微电网不仅解决了分布式电源的大规模接入问题，充分发挥了分布式电源的各项优势，还为用户带来了其他多方面的效益。微网将从根本上改变传统的应对负荷增长的方式，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。

二.微型电网关键技术及应用 1.分布式发电及存储技术 2.智能互连开关 3.控制技术 4.微网保护技术 5.微网技术的研究方向

1.分布式发电及存储技术 微网中的微电源DER (DG)可分为传统旋转电机和通过功率电子接口与电网联接的电源两类。后者也有两种: 一种是直流电源,如燃料电池、光伏、电池存储电元;另一类为高频交流电源,如微涡轮机。必须整流或通过电压逆变器转换成可接受的交流。 微网中的DER也可分为不可控、部分可控和全控三种,并可冷、热、电三联供。有的配有储能装置,通过双向交直交转换器与微网相联,使用电力电子装置进行能量调节。可控DER的输出功率可以由中央监控单元提供设定值来控制。

用于微网的能源储存单元有电池、超级电容器和飞轮。电池是直流电源系统,需要电力电子转换成交流电源。超级电容器是电气能源存储设备,与电化学能源储存相比,提供高功率密度和极高的循环能力。飞轮系统由于其快速反应,可以作为解决关键负荷供电中断的一种可行的手段。在微网中能量存储单元有3方面作用。首先,使DG运行稳定,如在负荷波动情况下,使输出功率为常数。其次,它可以对间隙性能源(如太阳能,风能,水电来源)提供补偿。第三,带能量存储单元的DG可以作为一个可分配单位。此外,能源储存有利于电力系统削峰的电力需求,抵御瞬间功率干扰,提供备用发电机和停电穿透能力,并为以后的能量需求提供备用 。

2.智能互联开关 互连开关是微网与配电系统之间的连接点,它是微网应用技术的一个关键,集成各种电力和开关功能(如电源开关,保护继电保护,计量,通讯功能) ,由并网接口处的继电器、硬件、其他元件组成,能够满足IEE1547、UL1741并网标准,可以避免大的电压频率波动,实现并网和孤岛之间无缝转换和协调运行,最大可能减少用户工作和场地申请处理过程,以及减少费用。 ASCO电力技术公司的ASCO7000负荷软开关,可以提供一个安全可靠的发电机、本地负载并网功能,ASCO负荷软开关能够实现无缝转换,在发电机和电网之间分配负荷,能够满足IEE1547并网标准。

3.控制技术 微电网控制应当保证:任一微电源的接入不对系统造成影响;自主选择运行点,微电网控制应该做到能够基于本地信息对电网中的事件做出自主反应,例如,对于电压跌落、故障、停电等,发电机应当利用本地信息自动转到独立运行方式,而不是像传统方式中由电网调度统一协调;平滑地与电网并列、分离;对有功、无功进行独立控制;具有校正电压跌落和系统不平衡的能力。

微网孤岛运行的3个可选择的控制战略: 1)集中控制 由中央控制系统发布命令,整个系统实际由中央系统和分设备间的主从配置控制。 2) 分布式控制 各设备独立完成控制,智能设备相互交流,并根据检测到的本地信息和开展必要的行动。控制方法为基于多代理技术的微电网控制。 3) 自动控制 由独立控制完成,不需要与其他设备通信。

4.微网保护技术 微网一旦形成,就要使负载、线路、DG得到保护,此外,DG还应具有孤岛检测功能。基于具有逆变器的DG短路电流不会太大,现存的保护设备的定值难以满足微网孤岛保护的要求,并网时可能误动。保护装置应具有可能发生的不正常情况下的相应操作能力,还要有足够的故障协调能力。为防止DG误切除,可能需要调整孤岛保护方法,尤其是保护设定比较灵敏时。为加强可靠性,要求微网中每个元件具有点到点和即插即用的功能,这就会对电网保护产生影响,点到点模式中,每个被保护元件地位相同,而即插即用可以配置在电网任何一处,因而微电网保护就成了每个微电源的一部分。

目前,几乎所有的技术标准都要求DG不应当破坏自动重合闸、不改变原有电力系统保护的协调性,DG必须满足反孤岛保护的要求。但随着DG容量的比重越来越大,以及允许DG孤岛运行,保护原理和动作逻辑均变得异常复杂,在这种情况下,仍采用现有的防孤岛保护就会带来一些问题,如电压降低时,大量DG的退出将加大功率缺额,使情况进一步恶化。

5.微网技术的研究方向 作为大电网的有效补充与分布式能源的有效利用形式,微电网的发展潜力十分巨大,中国微电网的发展尚处在起步阶段,微电网的研究和发展中,以下几个方面将得到更多重视。 高渗透率下微网与大电网相互作用机理研究　 微网一般接入中压或者低压配电系统,含微网的中压或低压配电系统在结构和运行参数等方面与高压电力系统存在很大的差异,其稳定性分析方法可能截然不同。

(2) 含微网新型配电系统的规划 含微网的配电系统的规划工作十分复杂,不同的投资主体直接导致了微网设备类型、容量、安装地点、以及投入时间的不确定,且一些可再生能源呈现的间歇式特点,使得电力负荷预测的难度显著增高。 (3) 需要建立适合微网特点的网络设计和运行的基础理论 使之满足由于微电网的并、离网运行方式和储能单元的存在,造成微电网存在内部能量的多向、多路径流动与传输的估算。

(4) 微网及含微网配电系统的保护研究 微网系统既要能并网又要能脱网独立运行,需要研究各种运行模式下复杂的保护与控制问题。 (5) 微网综合仿真与能量优化管理方法研究为适应微电网内部组成元件的时间常数差异很大的特点,需要建立多参量复杂系统的建模、仿真与优化方法,以构建兼容微网分析的配电系统数字和半实物仿真实验平台。 (6) 建立大电网与微网(独立电力公司)的新型经济关系体系 需妥善研究制定微网自主发电相应行业规范、法律法规,研究微网的出现对电力市场的影响。

三.微网与大电网的并网 所谓并网运行是指微网与由大机组供电的电网(本文称为主网) 并列运行,即与常规配电网在主回路上存在电气连接,连接点一般称为“公共连接点”(简称PCC) 。随着我国对智能电网研究和规划的正式启动,作为智能电网基础部分的分布式电源越来越受到人们的关注其一般和负载一起组成微网,作为一个可控单元接入主电网。在并网运行时,微网通过公共连接点和主电网连接,当主电网发生故障或者电能质量问题时,微网迅速与主电网断开,独立向内部负载供电,当故障解除、主电网恢复正常后,微网可以再次和主电网并网运行。为了保证在并网过程中微网和主电网的电压和频率等电能质量指标符合国家标准,并网过程一定要采取合理有效的控制策略,保证并网过程的顺利安全进行。

1.微网并网的方式 微网并网运行按照功率交换方式可分为普通并网和并网不上网两种,前者微网可以向电网输送多余功率,而后者则严格禁止微网机组的功率外送,即PCC 处功率流向只能从电网流向微网用户。

2.微网并网的意义 1.与单一由大机组供电的电力系统主网相比,微网与主网并网运行时,可以相互支援,提高运行水平和可靠性。 2.对主网而言,如果微网的数量规模达到一定水平,可以一定程度弥补主网电力不足,有效保证主网的经济运行。当主网受扰动,稳定运行受到威胁时,微网内的多个分布式发电系统可以局部向重要负荷提供电能和电压支撑,增强重要负荷抵御来自主网故障影响的能力,大大提高现有主网的供电可靠性。

3.对微网而言,如果微网系统独立运行,多样化的微网电源难以保证快速跟踪微网内负荷的变化,难于实现微网内的供需动态平衡,对微网运行的安全稳定性及电能质量都会造成不良的影响。当微网与主网并网之后,网内电量不足部分由主网补充,富余的电量可以向主网输送,易于实现微网内的供需动态平衡,使微网内电源始终运行在比较稳定和经济的工况下,用户的用电质量也可以得到保障。

3.微网并网连接方式比较 微网并网的连接方式可以采用交流直接连接、经电流源换流器( CSC) 连接、经电压源换流器(VSC) 连接三种方式。

（1）.交流直接连接 交流直接连接方式如图1 所示,是指把微网系统直接通过断路器在PCC 处与大电网连接。这种微网并网方式投资最省,结构最简单,但是灵活性不足,可靠性较差。微网并网和独立运行两种方式的切换只能依靠断路器的机械投退来完成,速度慢,冲击大。断路器投入后不能对微网与主网的功率控制进行控制。微网或大电网自身的不正常或故障运行状态将直接相互影响,不能有效隔离故障冲击和保障重要负荷供电,丧失了微网本来的优势。

（2）.电流源换流器(CSC) 连接 微网采用电流源换流器(CSC) 接入主网的结构如图2 所示。

CSC 换流器的主要元件包括: 换流器。主要完成交流/ 直流和直流/ 交流的变换,由基于晶闸管元件的阀桥和带负载调节分接头的变压器组成。 平波电抗器。在电流源换流站中,对应每一相分别安装一个高达1. 0H 电感的大型电抗器,主要用来减小直流线路的谐波电压和电流、防止逆变器的换向失败、防止轻载时电流不连续和限制直流线路短路时整流器的峰值电流。 谐波滤波器。交流侧和直流侧都需要安装滤波器。交流滤波器不但用来吸收换流阀产生的谐波电流以减少到交流系统的谐波污染,而且还为换流器提供所需的部分无功功率;直流滤波器用来滤除直流侧的谐波电压以改善直流电压质量。

无功功率电源。提供换流器所需的无功功率以维持无功功率平衡。 直流电缆。构成回路进行有功功率传送。若采用背靠背的方式,可省去直流电缆。 CSC特点： CSC 可以通过对换流器的晶闸管的触发角调节完成对微网与主网的功率交换进行控制,有利于微网的稳定运行。其主要缺点是微网容量较小,容易造成换相失败,运行中会产生大量的低次谐波和吸收大量的无功功率。

（3）.经电压源换流器(VSC) 的微网并网连接 微网采用电压源换流器(VSC) 接入主网的结构如图3 所示。其中VSC 的结构如图4所示。

与基于自然换相技术的电流源型换流器(CSC) 不同,它的核心是采用全控型器件(如GTO 和IGB T 等) ,这种换流器功能强、体积小,可减少换流站的设备、简化换流站的结构。 由于采用全控型器件组成的电压源换流器,可以随意开通和关断、,同时进行功率因数控制。。

电压源换流器(VSC) 的特点: 1.由于VSC 的自换向功能,可以工作在无源逆变方式,实现向弱交流网络甚至无源网络送电 2. 可以同时且相互独立控制有功和无功功率,控制更加灵活方便。 3.VSC 通常采用PWM 控制技术,开关频率较高,可以提高输出波形质量,减少滤波设备。 4.VSC 设备采用标准模块化设计,结构紧凑、占地面积小, 更符合环保和“绿色电力”的需要等等。

目前在轻型直流输电领域,VSC 已经得到了应用,运行稳定成熟,只是因为元件造价较高,还未得到普及应用。采用经VSC 的接入方式做为微网接入主网方式,属于VSC 在低压领域的应用,不再有造价的限制,采用VSC 方式连接将给微网的灵活和稳定运行提供技术上的保障。

四.中国发展微网的目的和方向 1.发展目的 (1)最大化接纳分布式电源 中国目前除少数地区的风能、太阳能、生物质能等能源可大规模集中利用外,大部分可再生能源都是以分布式电源出现的。由于这些分布式电源具有明显的随机性、间歇性和布局分散性的特征,因此随着分布式发电越来越多地与大电网联合运行,将会给电力系统的运行和控制带来不利影响。

(2).节能降耗,提高能效 中国在能源建设利用方面取得了令人瞩目的成就。一是能源利用效率大幅度提高,二是取得了相当大的环境效益。但中国目前的能源利用效率依然严重偏低,环境污染问题未得到根本控制,并且存在能源结构不合理等问题。可再生能源逐渐得到国家重视,中国已出台《可再生能源法》因此,如何经济、高效地利用可再生能源是目前面临的一个严峻课题。

(3).提高供电可靠性,满足多用户电能质量需求 随着社会对电力和能源的需求日益增加,对供电的质量与安全可靠也提出了越来越高的要求。微网能够提高对内部负荷供电的可靠性。 微网能够满足不同用户的电能质量需求。随着用电设备数字化程度的提高,其对电能质量也越来越敏感。根据用户对供电质量的不同需求,微网将负荷进行分级。对于重要负荷,微网可通过多电源向其供电;对于可中断负荷,微网可将其共同支接在同一条电力馈线上,当微网遭受异常情况时,可通过切除连接可中断负荷的馈线来维持自身的正常运行。

(4).提高电网整体抗灾能力和灾后应急供电能力 微网对提高电网整体抗灾能力和灾后应急供电能力注入了一种新的思路。首先,作为大电网的一种补充形式,在特殊情况下(例如发生地震、暴风雪、洪水、飓风等意外灾害情况) ,微网可作为备用电源向受端电网提供支撑;同时,微网能够独立运行,可以迅速与大电网解列形成“孤网”,从而保证重要用户的不间断供电;另外,在自然灾害多发地区,通过组建不同形式和规模的微网,能够在发生灾害后迅速就地恢复对重要负荷的供电,具有“黑启动”的能力。

(5).智能电网的有机组成部分 微网与智能电网的关系密不可分。首先,微网和智能电网都包含系统的配电和用电环节;第二,微网自治运行的特点与智能电网的自愈相类似;第三,微网和智能电网都需要根据用户的信息进行动态调整,实现供需平衡和优化运行;第四,微网是智能电网安全防御和抵御自然灾害体系的重要组成部分;第五,微网和智能电网都能够满足未来用户需求的电能质量;第六,微网和智能电网都允许接入多种发电和储能单元。总之,随着电网配电和用电环节逐步实现智能化,微网将作为智能电网的有机组成部分发挥更大作用。

2.发展方向 国家电网公司已于2009 年明确提出智能电网的发展计划,即加快建设以特高压电网为骨干网架,各级电网协调发展,具有信息化、自动化和互动化特征的统一的坚强智能电网。在此背景下,微网作为智能电网的有机组成部分,应当积极贯彻中国建设坚强智能电网的发展战略。同时又需要结合自身特点,着眼中国实际国情,将包容性、灵活性、定制性、经济性和自治性作为微网发展的基本方向,积极推进微网在中国的发展和应用。

(1).包容性 包容是微网发展的重要方向。微网的包容性主要体现在以下几个方面: 微网能够有效接纳分布式电源。通过引入储能技术和智能控制技术,可有效改善分布式电源的波动性及间歇影响。 微网与大电网相兼容作为补充单元参与并网运行。 微网能够包容先进的电力技术,例如快速仿真计算、电源优化控制、分布式储能、先进的能量管理以及高级计量等技术。 微网可根据自身发展需要,允许更多小型模块化的装置接入,易于扩展规模,且可即插即用。

(2).灵活性 充分发挥微网小型化、模块化、分散式的特点来弥补大电网的不足。 微网具有单一可控、灵活调度的特点,可作为备用电源在大电网异常情况下,确保重要负荷的供电。 微网运行模式的灵活切换可以保证在紧急情况下能够从大电网解列,实现独立运行,提高所辖负荷的供电可靠性;同时具备“黑启动”能力,能够提高灾后应急能力。 微网可以实现偏远地区供电。其灵活组网的特点能适用在偏远农村地区,通过因地制宜地组建不同形式和规模的微网,解决偏远地区用电难的问题。

(3).定制性 微网的定制性体现在用户对电力的需求。 微网可以组建在中心城区,通过对负荷分级,提供分级供电,满足不同用户的电能质量需求,实现灵活供电。 微网通过利用电力电子装置、固态控制器、快速故障解除开关、储能系统等元件,向电能质量敏感的用户提供所需的可靠性水平和电能质量水平。

(4).经济性 微网融合了电能的生产、交换、分配、消费等环节,不仅涉及发电商和用户的利益,还与电网的经济利益密切相关。 有利于微网内部用户的利益。在外部电网出现故障时能够保证用户的用电质量,尤其是减少商业用户因停电带来的经济损失;同时可以引导用户根据自身需求消费电能,节约电力消费。 有利于微网内发电商的利益。微网孤网运行的特点能够为其内部的发电商延长能量出售,从而提供额外经济效益。 有利于整个电网的经济利益。微网通过与大电网的协调控制,能够综合优化能量利用、运行效率和环境排放,对市场交易和资产配置统一管理,延缓电网的投资,实现整个电网的经济高效运行。

（5）.自治性 自治运行是微网基本特点。作为小型能源网络,自治要求微网能够实时维持自身的能量平衡,可脱离主网独立运行。 基于实时通信、快速控制和储能单元,微网能够在稳态和暂态过程中实现功率平衡和电压/ 频率的稳定。 通过实时监控及时预警故障前兆,降低故障概率,并能对已发生的故障自动采取措施进行控制和纠正,使系统迅速恢复到正常运行状态,确保微网安全可靠运行。

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