微电网技术：微电网结构及运行控制与切换

微电网是一个可以实现自我控制、保护和管理的自治系统，它作为完整的电力系统，依靠自身的控制及管理功能实现功率平衡控制、系统运行优化、故障检测与保护、电能质量治理等方面的功能。

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，它既可以连接外部电网运行，也可以孤立运行。它是将分布式电源、储能装置、能量装换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统。

5.7.2.1　微电网结构

图5-16所示是美国电力可靠性技术解决方案协会（CERTS）提出的微电网基本结构。

图5-16　CERTS提出的微电网结构

图中包括3条馈线A，B和C及1条负荷母线，网络整体呈辐射状结构。馈线通过主分隔装置（通常是一个静态开关）与配电系统相连，可实现孤网与并网运行模式间的平滑切换。该开关点即PCC所在的位置，一般选择为配电变压器的原边侧或主网与微电网的分离点。IEEEP1547标准草案规定：在PCC处，微电网的各项技术指标必须满足预定的规范。负荷端的馈线电压通常是480V或更低。图5-16展示了光伏发电、微型燃气轮机和燃料电池等微电源形式，其中一些接在热力用户附近，为当地提供热源。微电网中配置能量管理器和潮流控制器，前者可实现对整个微电网的综合分析控制，而后者可实现对微电源的就地控制。当负荷变化时，潮流控制器根据本地频率和电压信息进行潮流调节，当地微电源相应增加或减少其功率输出以保持功率平衡。

图5-16还示范了针对3类具有不同供电质量要求的负荷的个性化微电源供电方案。对于连接在馈线A上的敏感负荷，采用光伏电池供电；对于连接在馈线C上的可调节负荷，采用燃料电池和微型燃气轮机混合供电；对于连接在馈线B上的可中断负荷，没有设置专门的微电源，而直接由配电网供电。这样，对于敏感负荷和可调节负荷都是采用双源供电模式，外部配电网故障时，馈线A、C上的静态开关会快速动作使重要负荷与故障隔离且不间断向其正常供电，而对于馈线B上的可中断负荷，系统则会根据网络功率平衡的需求，在必要时将其切除。该结构初步体现了微电网的基本特征，也揭示出微电网中的关键单元：

（1）每个微电源的接口、控制；

（2）整个微电网的能量管理器，解决电压控制、潮流控制和解列时的负荷分配、稳定及所有运行问题；

（3）继电保护，包括各个微电源及整个微电网的保护控制。微电网虽然也是分散供电形式，但它绝不是对电力系统发展初期孤立系统的简单回归。微电网采用了大量先进的现代电力技术，如图5-17所示的智能微电网采用了快速的电力电子开关与先进的变流技术、高效的新型电源及多样化的储能装置等，而原始孤立系统根本不具有这样的技术水平。此外，微电网与大电网是有机整体，可以灵活连接、断开，其智能性与灵活性远在原始孤立系统之上。

5.7.2.2　运行控制与切换

微电网的运行控制是微电网技术的核心和热点问题。微电网的运行控制与传统电力系统有着显著的不同，主要是与系统内分布式电源的种类、渗透深度、功率输出特性、控制策略和方法、不同负荷特性（可中断负荷和不可中断负荷）、系统的运行模式和结构模式、能量管理要求以及电能质量、经济性、安全性、可靠性等有关。这使得传统的控制方法已经不适用于微电网的运行控制，因此微电网需要有一套全新的、科学有效的运行控制方法和机制对系统内各分布式单元进行协调控制，能够根据特定要求来满足微电网分别在孤网运行、并网运行，以及两种运行方式间切换时的不同运行要求，实现并保证整个系统的安全稳定运行。针对微电网运行控制的特点，应从单元级的分布式电源控制和系统级的微电网控制两个方面进行研究，才能科学准确地理解和掌握微电网的运行控制技术。分布式电源控制方法主要包含下垂控制（droop控制）、恒功率控制（PQ控制）和恒压恒频控制（Vf控制）三种控制方法。在选择具体控制方法时，应综合考虑该分布式电源自身的出力特性以及其入网的目的和作用、微电网系统的整体控制模式等因素，做出相应的合理选择。微电网系统整体控制主要包括主从控制和对等控制2种典型的基本控制模式，以及将主从控制和对等控制相结合的综合控制模式。目前，对等控制模式和综合控制模式的微电网仍停留在实验室研究阶段，而主从控制模式是技术最成熟且应用最广泛的一种微电网控制模式。大量的研究文献和一系列微电网示范工程项目表明：含多种分布式电源的主从控制结构微电网通常采用分层控制策略来实现系统的正常运行控制。图5-18给出一种典型的基于不同时间尺度上的微电网分层控制方案，它借鉴了传统电力系统的三次电压/频率分层控制经验。

图5-17　智能微电网的协同运行

图5-18中，第1层为分布式电源自身的运行控制，分布式电源应结合自身的控制特性和系统运行模式来选择恰当的控制策略。并网运行时，大电网提供系统电压频率参考值，从而所有分布式电源均采用PQ控制方法进行功率输出；而孤网运行时，系统内同步发电机组或电压源逆变型微电源采用下垂控制方法支撑系统电压频率稳定，而可再生能源等其他微电源则选取PQ控制方法自行注入电能。第2层为微电网动态运行控制，它通常是采用中央控制器（MGCC）实现微电网的并网运行、孤网运行和孤/并网模式切换三种不同状态的运行控制，维持整个微电网系统的稳定运行。第3层为微电网经济运行和能量管理层次的控制，它是在保证系统稳定可靠运行的基础上通过优化分配各分布式电源的负荷功率，使系统总运行成本最小化的动态能量管理。

图5-18　微电网的分层控制

5.7.2.3　监控系统

微电网监控系统在上述微电网系统中设置了多个信息采集点，每个信息点拥有独立的控制功能，可以完成所辖区域的信息采集及实时控制，所有的信息控制中心接收整个微电网所要采集的数据。在每个信息点安装了能够发送和接收的GPRS模块，监控中心通过互联网来实现系统功能。

监控系统的数据服务器、WEB服务器和信息点控制中心完成下列任务：

（1）接收和发送远端数据，数据存储，以保证数据的实时性、完整性以及一致性；

（2）以可视化形式进行展示；

（3）故障报警，当系统电路出现故障时报警提示；

（4）统计报表，按时间对检测的数据进行统计，并形成相应报表，规范管理；

（5）WEB浏览，根据需要，将采集的数据以适当形式，供有关人员通过WEB方式进行查阅；

（6）远程控制，将指令以WEB方式返回到控制中心。

系统接线图可使用户更加直观地查看各通道的有效值和各开关量的状态。微电网后台监控系统的逻辑结构原理如图5-19所示。(www.xing528.com)

图5-19　微电网监控系统逻辑结构原理

智能电网监控是融合了诸多先进技术，如传感技术、自动化技术、网络技术、通信技术等的电网监控技术，它以物理电网为基础，依托通信技术理论并与传统电网监控结合在一起，实现了电网操作和控制的自动化和智能化。智能电网监控的灵活性很强，通过网络和各种电网的有机连接，可实现各种电网相互联系、相互制约以及完全的自动化。

（1）具有较强的灵活性。智能电网监控对信息的采集和共享能力较强，其灵活性在于：若电网在供电过程中出现故障或问题，智能电网监控系统仍然可以保持电网正常工作，并且做到负荷稳定，保证供电万无一失。智能电网监控的可控性很强，能够自我调节运行能力，甚至在雷电天气等极端的外部环境下，以及外力的破坏作用下，仍能够不受任何影响地稳定工作。

（2）自我恢复能力较强。电网有时候在无人监控和操作的情况下输送电力，只有智能化的电网监控才能保证在遇到突发事件的情况下实现电网自我调控和自我恢复，保证电力系统正常地运转。智能电网监控具有实时性，网络系统可以实现实时在线，并且记录下电网在每个时间段的运行状态，第一时间进行自我调控，使系统能力得到恢复。

（3）具有很强的兼容性。智能电网监控系统对外界开放，该系统可以与其他不同的系统兼容，在任何平台都可以使用，维护和保养简单。它可在电网系统里随意安装插件，更简单地移植可再生资源；及时和用户分享信息，并进行沟通和交流，最大限度地满足不同用户的用电需求，同时还可为客户提供其他功能的服务。

（4）安全系数高，具有很强的稳定性。智能电网监控的安全性和可靠性取决于电网的安全系数和稳定性。电网设备都是密切联系的，设备与设备之间形成一个有机体，设备之间的协调性很好，可以起到预警的效果，当突发事件发生时，可以把故障产生的后果控制在很小的范围内，防止事故恶性循环，造成不良后果。故智能电网监控起到了规避风险的作用。

（5）能够实现资源的优化配置。智能电网监控系统的搭建可提供一个可靠的发电网络和送电网络，把各类清洁资源有效地整合在一起，从而在很大程度上促进清洁能源的普及。同时，受我国电力资源的国情的影响，我国东中西部的电力资源分布极不均衡，资源利用率较低。针对这种情况，智能电网监控的建设有很强的目的性，可优化配置我国不同地方的电力资源，切实服务于资源的均衡分配，实现能源利用最大化。

（6）自动化程度高。智能电网监控可以把电网内部的所有系统优化结合在一起，起到横向集中和纵向融合的效果。它还可以促成电网报警机制的形成以及网上在线分析，进而影响决策的发出。

（7）互动能力得到改善。通过智能电网监控平台，客户和电网可以实现人机交互、双向互动，使电力企业能够最大限度了解用户的需求，为用户提供最好的电力服务。同时，智能电网监控可以综合智能电表、分时间段的电价政策等用电情况，提高多终端用电的效率。

5.7.2.4　实际案例

1）离岸海岛微电网的应用

（1）英国苏格兰的埃格岛（Isle of Eigg）是海岛离网型微电网成功应用的典范。

因地制宜的微电网充分利用了当地的自然资源，其中发电系统主要由分布式光伏、小型风力发电和水力发电设施组成，总装机容量为184kW。多余的可再生电力储存到电池阵列中，天气条件不佳的情况下，电池组可以为全岛提供一整天的电力。微电网中还包括两台70kW的柴油发电机，以备不时之需。整个系统的装机容量虽不算大，但足以满足近百名居民的电力需求，可以称得上是“小而美”的海岛微电网。

微电网中，各种能源在不同季节、不同时段中协同运行，多能互补也成为埃格岛电力系统的最佳配置。得益于较高的纬度，夏季的埃格岛可以享受较长时间的日照，再加上夏季雨水较少，光伏系统的利用率也随之提高。受天气影响，风电和水电在夏季的出力状况不甚理想，居民全天的电力消费都来自光伏和储能电池，只有在游客增多等少数情况下，备用的柴油发电机才开始供电。到了冬季，岛上降雨增多，三台小型水力发电机成为主要的电力来源。埃格岛微电网的控制系统可以监测发电设施的运行，优化电池的充放电循环，并且在电力短缺时自动启动柴油发电机。

微电网极大地提升了埃格岛的电力消费品质。微电网建成之前，居民靠自家的柴油发电机供电，在承担高昂支付成本的同时，还要忍受设备的噪声和空气污染。岛上的柴油依靠渡轮运输，储备有限的住户会面临断电的风险。如今，微电网保证了埃格岛的不间断供电，每年超过90%的电力消费都来自可再生能源，二氧化碳的排放量也降低了近一半。另一方面，岛上的微电网展示了出色的经济性。整个项目的设计和建设成本约为166万英镑，而跨海架设电网的成本则高达400多万英镑；目前，埃格岛的电力价格仍高于英国的平均水平，但已经比过去降低了60%。风、光、水、储的有效整合使岛上居民摆脱了化石能源的限制，埃格岛的经验也证明，离网型海岛微电网可以满足现代生活的电力需求。

（2）2012年开始建设浙江温州洞头鹿西岛并网型微网示范工程和平阳南麂岛离网型微网示范工程。

该工程的实施是对含分布式电源、储能和负荷构成的新型电网运营模式的有益探索，对于推动新技术在海岛电网的应用具有积极意义，温州洞头鹿西岛和平阳南麂岛也将开启新能源供电的时代。

鹿西岛坐落于温州市洞头东北海域，是该市重点海洋捕捞基地，也是闻名遐迩的海上鸟岛。多年来，仅由一条10k V线路通过海底电缆向其供电，海缆一旦遭到破坏，岛上用电就要受到影响。海缆的不经济性和渔民捕鱼造成海缆易破坏是众多海岛面临的现状。

鹿西岛并网型微网示范工程位于该岛山坪村，占地面积为11062m2，项目投资约4309万元。“麻雀虽小，五脏俱全”，岛上风力发电、光伏发电、储能三个系统组成了一个风、光、储并网型微网系统，可以实现并网和孤网两种运行模式的灵活切换。风力发电系统由岛上两台780kW华仪风机主导；光伏发电系统主要是由150块光板、总容量300kW太阳能光伏发电场及相应的并网逆变器和升压变压器组成；微网控制综合大楼内2MW×2h的铅酸电池组、500kW×15s的超级电容和5台500kW的双向变流器则组成了储能系统，储存容量与供电海缆故障修复时间相匹配。当分布式电源足够负荷岛上用电时，微网控制系统会把多余的电送入主网，当分布式电源不足的时候则由主网供电，形成双向调节平衡，为岛上用电提供保障。内部电源与储能之间的协调控制、内部独立运行与外部并网运行之间的协调控制正是该示范工程的核心研究内容。

分布式电源单户模式是鹿西岛微网工程中的另一个亮点。该示范工程为岛上15户居民安装了单户小型分布式电源，即小型风机、小型太阳能板和蓄电池，村民仅仅依靠阳光、风这些自然资源就可以获得日常生活用电。在近几年分布式电源发展中已经出现了这三种设备的不同组合模式，岛上不同单户模式的设立正是对不同分布式电源发电模式的实践，为小型分布式电源的推广提供经验。2）偏远区域微电网的应用

在印度，无电人口的数量达到2.4亿，约占印度人口总数的20%，其中绝大部分人生活在偏远的农村地区，这给印度政府的全国电气化计划带来不小的技术和经济性挑战。比哈尔邦（Bihar）是印度电力缺口最大的邦之一，全邦79%的农村家庭无电可用，其中超过一半的家庭没有接入电网；其他所谓的“通电”家庭则依赖于单一的柴油发电机，这使得该区域对柴油特别依赖，提高了用能成本并造成了空气污染。

以光伏为主、柴油发电机作为备用的分布式能源系统可以解决这些偏远地区的用电问题。研究人员为农村家庭开发了光伏微电网，包括一块125W的太阳能电池板、1kW·h的储能电池、控制箱和直流家电。不同于普通的交流用电，这套户用微网以直流电运行，避免了光伏、电池和家电之间交直流转换引起的能量损失。整套系统的成本比架设电网的方式更低，供电也更加可靠。已经接入市政电网的家庭也可以将其作为优质的备用电源，免除电网频繁断电带来的困扰。同时，研究人员还开发了覆盖多户家庭的500W和7.5kW的微电网。

目前，这套系统已经为超过4000户的农村家庭提供了电力。在比哈尔邦的农村社区，分布式光伏、储能电池与已有的柴油发电机构成微电网系统，为用户提供可靠电力的同时也降低了用电成本，在柴油价格走高之时，光伏的替代作用使系统的经济性更加出众。目前，印度大多数的微电网和独立供电系统仍采用柴油发电机，但成本日趋下降的分布式光伏和因地制宜的小型水电、风电设施正逐渐凸显出经济和环境效益，这在农村地区显得尤为重要。离网型微电网将在印度的电气化进程中起到关键作用，这项技术也值得向全球其他无电地区推广。

3）城市社区微电网的应用

并网型微电网满足了美国最大的居民住宅——纽约联合公寓城（Co-Op City）的能源需求，并且能在极端天气情况下保障系统的供能安全。该项目的核心设备是西门子公司生产的能够实现冷、热、电三联供（CCHP）的燃气轮机、蒸汽轮机以及控制系统。该能源站总装机容量达到40MW，可以满足全部6万名居民24MW的用电负荷峰值需求，其余发出16MW容量的电力出售给大电网。

2012年10月，飓风“桑迪”席卷美国东海岸并造成大面积断电期间，联合公寓城的微电网持续供能，6万名住户未受影响。除公寓城外，处于飓风登陆区域的纽约大学和普林斯顿大学也配备了以天然气分布式能源站为主的微电网，两所大学都与大电网断开并切换至“孤岛模式”，保证了市政电网断电期间校园的能源供应。这些案例都充分体现了微电网系统的稳定性。