微電網(wǎng)的基本組成及核心技術(shù)

今天的電網(wǎng)架構(gòu)和它一百多年前誕生之初并沒有什么本質(zhì)的不同。它的設(shè)計基于集中式結(jié)構(gòu)，幾個大型的發(fā)電廠生產(chǎn)電力，再通過電網(wǎng)輸送到幾百數(shù)千公里外的用戶側(cè)。

盡管有成熟的電力技術(shù)、復雜的網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)和備用設(shè)備作為保障，這種集中式的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)的靈活性和可靠性方面還是有所不足。在集中式的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，監(jiān)測和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)在配電網(wǎng)層面相對較為薄弱，更何況在單個用戶的層面，所以這種中心網(wǎng)絡(luò)模型從根本上來說缺少必要的對于用戶側(cè)的智能控制和管理能力。

其次，發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的變化也給電網(wǎng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，例如新能源的大規(guī)模并網(wǎng)，電動汽車，直流電源或負載等，這些因素在當初電網(wǎng)設(shè)計的時候沒有得到充分的考慮，其引發(fā)的不良后果已經(jīng)顯現(xiàn)。以美國電力市場為例，如果僅僅在現(xiàn)有電網(wǎng)的基礎(chǔ)上大規(guī)模并入綠電，網(wǎng)絡(luò)擁塞是一個大問題，會導致某些區(qū)域市場的邊際價格驟然增高，從而阻礙了風電、家用光伏等新能源的進一步并網(wǎng)。

再者，對于如此復雜龐大的電網(wǎng)，需要承擔高額的運行和維護費用，尤其是在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施老化的情況下。電網(wǎng)老化主要體現(xiàn)在四個方面：電器設(shè)備老化（例如美國有超過50%的變電所變壓器運行時間超過35年），系統(tǒng)布局老舊，施工管理過時，陳舊的問題解決方案。

對于以上問題，小型分布式發(fā)電并入電網(wǎng)是一個解決方案。事實上，這并不是它第一次出現(xiàn)在公眾的視野。19世紀末期電氣化的初始階段，愛迪生提出了建設(shè)小型直流電網(wǎng)的概念，但是由于當時的技術(shù)難以實現(xiàn)，特斯拉的交流電網(wǎng)最終勝出，廣為流傳?，F(xiàn)在微電網(wǎng)的回歸，相較于當年愛迪生的版本，運行靈活性、效率和可靠性都有顯著的提升，同時初投資和運行費用也降低了不少。此外，還增加了之前設(shè)計所不具有的技術(shù)，例如：電力電子接口，儲能設(shè)備，需求側(cè)管理以及智能控制。其中，電力電子技術(shù)可以說是現(xiàn)代微網(wǎng)的關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)。

2 微電網(wǎng)的基本組成

微電網(wǎng)是指由分布式電源、用電負荷、配電設(shè)施、監(jiān)控和保護裝置等組成的小型發(fā)配用電系統(tǒng)（必要時含儲能裝置）。分為并網(wǎng)型微電網(wǎng)和獨立型微電網(wǎng)，可實現(xiàn)自我控制和自治管理。并網(wǎng)型微電網(wǎng)既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以離網(wǎng)獨立運行；獨立型微電網(wǎng)不與外部電網(wǎng)連接，電力電量自我平衡。根據(jù)建設(shè)目的和經(jīng)濟環(huán)境的不同，微網(wǎng)的形狀結(jié)構(gòu)可能各不相同，但是它們的技術(shù)架構(gòu)大體類似。下面簡要探討下微網(wǎng)的基本組成。

電源：在所有微電網(wǎng)系統(tǒng)中，最基本的組成部分是電源。電源要滿足微網(wǎng)內(nèi)負荷的需求，例如容量，以及其他技術(shù)層面、經(jīng)濟層面的種種考慮。其中，分布式光伏受到廣泛關(guān)注。尤其是近年來光伏電池模塊價格的下降，讓基于分布式光伏的微網(wǎng)的經(jīng)濟可行性上升。

對于位于偏遠地區(qū)的基于光伏的微網(wǎng)來說，挑戰(zhàn)主要來自系統(tǒng)的維護和儲能系統(tǒng)的要求。一方面，當暴露在高溫高濕的環(huán)境中時，光伏電池的性能會下降。另一方面，由于能量來源（太陽光）具有間斷性，儲能設(shè)備便必不可少，而它的投資占系統(tǒng)支出的很大一部分，對系統(tǒng)經(jīng)濟性影響較大，并且光伏電池裝機容量越大，儲能系統(tǒng)容量也要相應增大。

除了分布式光伏，常見的能量來源還包括：分布式風能，燃料電池，微型渦輪機，往復式內(nèi)燃機，以及其他分布式發(fā)電技術(shù)（小型水電，小型潮汐發(fā)電，小型波浪發(fā)電，地熱發(fā)電，分布式核能發(fā)電等）。

電力管理系統(tǒng)：電力管理系統(tǒng)主要負責電力從電源輸送到用電設(shè)備。具體功能包括：一是，將電源處各形式的電能轉(zhuǎn)換成符合出所需要的形式，例如使用逆變器將光伏產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成通常負荷所需要的50Hz交流電。二是，作為儲能設(shè)備的界面，來使微網(wǎng)內(nèi)的電力供需達到平衡?，F(xiàn)代微網(wǎng)通常融入了軟件和控制系統(tǒng)，例如智能電表，從而實現(xiàn)微網(wǎng)的高效和穩(wěn)定運行。

儲能系統(tǒng)：儲能系統(tǒng)對微網(wǎng)的重要性不言而喻。它可以讓微網(wǎng)實現(xiàn)內(nèi)部的電力供需平衡，從而維持電壓和頻率的穩(wěn)定。也可保證用戶的用電需求隨時能得到滿足。微網(wǎng)系統(tǒng)中常見的儲能設(shè)備為：電池，燃料電池+電解池，超級電容以及飛輪等。

用電設(shè)備：微網(wǎng)中用電設(shè)備的電力來源是系統(tǒng)中全部的發(fā)電和儲能設(shè)備。綜合考量用電設(shè)備是很有必要的，因為它們決定了用電負荷在微網(wǎng)中的位置，相應地也會影響發(fā)電裝機容量以及對儲能系統(tǒng)的要求。例如，對一個基于分布式光伏發(fā)電的微網(wǎng)來說，為手機充電的負荷對系統(tǒng)影響微乎其微，而開啟電冰箱這樣的有長期穩(wěn)定的用電設(shè)備則對系統(tǒng)管理用電負荷帶來了一定的困難。

對外連接：微網(wǎng)通常與大電網(wǎng)相連，從而實現(xiàn)之間的電力交換。這種類型的微電網(wǎng)在校園和醫(yī)院中十分常見。此外，電網(wǎng)的發(fā)展趨勢之一是使用先進的監(jiān)測和控制系統(tǒng)，將很多個微電網(wǎng)連接起來。

3 微電網(wǎng)的作用

（1）就近消納，提高能源效率。微電網(wǎng)內(nèi)部的電來自于天然氣、光伏及風電等分布式能源。在西北之類風光資源充足的地方，修建大型風電場、光伏電站，用戶(工業(yè)園區(qū)、商業(yè)區(qū)、學校、醫(yī)院甚至大型的地產(chǎn)項目)在接入小型的風機、光伏、儲能、燃氣輪機等電源設(shè)備時，就能使電能就近消納，省去了在電網(wǎng)中傳輸?shù)膿p耗，提高了能源的使用效率。

（2）單點連接，減少對大電網(wǎng)沖擊。微電網(wǎng)與電網(wǎng)系統(tǒng)之間電能交流，是通過微電網(wǎng)與電網(wǎng)系統(tǒng)的公共連接點連接，避免了多個分布式電源與電網(wǎng)系統(tǒng)直接連接。微電網(wǎng)主要用于區(qū)域內(nèi)部的供電，不向外輸送或輸送很小的功率，對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響可以忽略不計。

（3）提高供電可靠性，解決電能需求。微電網(wǎng)采用先進的控制方式以及大量電力電子裝置，將分布式電源、儲能裝置、可控負荷連接在一起，使得它對于電網(wǎng)系統(tǒng)成為一個可控負荷，并且可以施行并網(wǎng)和獨立兩種運行方式，充分維護了微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

4 微電網(wǎng)如何運行？

微電網(wǎng)存在兩種典型的運行模式：正常情況下微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運行，稱為聯(lián)網(wǎng)模式;當檢測到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時，微電網(wǎng)將及時與電網(wǎng)斷開而獨立運行，稱為孤島模式。兩者之間的切換必須平滑而快速。微電網(wǎng)相對于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全等方面的要求。微電網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負責能量的轉(zhuǎn)換，并提供必要的控制。

（1）并網(wǎng)運行

并網(wǎng)運行就是微電網(wǎng)與公用大電網(wǎng)相連，微網(wǎng)斷路器閉合，與主網(wǎng)配電系統(tǒng)進行電能交換。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電。儲能系統(tǒng)可進行并網(wǎng)模式下的充電與放電操作。并網(wǎng)運行時可通過控制裝置轉(zhuǎn)換到離網(wǎng)運行模式。

（2）離網(wǎng)運行

離網(wǎng)運行也稱孤島運行，是指在電網(wǎng)故障或計劃需要時，與主網(wǎng)配電系統(tǒng)斷開，由DG、儲能裝置和負荷構(gòu)成的運行方式。儲能變流器PCS工作于離網(wǎng)運行模式為微網(wǎng)負荷繼續(xù)供電，光伏系統(tǒng)因母線恢復供電而繼續(xù)發(fā)電，儲能系統(tǒng)通常只向負載供電。

5 微電網(wǎng)核心技術(shù)

目前，有三種比較常見的微電網(wǎng)控制方式：

（1）基于電力電子技術(shù)等概念的控制方法。該方法根據(jù)微電網(wǎng)的控制要求與發(fā)電機的下垂特性將不平衡功率動態(tài)分配給各機組承擔，具有簡單、可靠、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。

（2）基于能量管理系統(tǒng)的控制。該方法采用不同的控制模塊分別對有功和無功進行控制，很好地滿足了微電網(wǎng)的多種控制要求，此外該方法針對微電網(wǎng)中對無功的不同需求，功率管理系統(tǒng)采用了不同的控制方法從而提高了控制性能。

（3）基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)控制。該方法將計算機領(lǐng)域的多代理技術(shù)應用到微電網(wǎng)，代理的自治性、自發(fā)性等特點能夠很好地適應和滿足微電網(wǎng)分散控制的要求。

微電網(wǎng)的保護方法與傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護方法不同，主要是微電網(wǎng)的多電源特性，使得兩者區(qū)別很大。主要難點在潮流的雙向流動、并網(wǎng)和孤立運行時短路容量的變化方面。因此，傳統(tǒng)配電網(wǎng)在低壓側(cè)集中無功補償?shù)姆椒ㄒ呀?jīng)不適合微電網(wǎng)。

大部分的新能源發(fā)電技術(shù)所發(fā)出的電能在頻率和電壓水平上不能滿足現(xiàn)有互聯(lián)電網(wǎng)的要求，因此無法直接接入電網(wǎng)，需通過電力電子設(shè)備才能接入。為此要大力加強對電力電子技術(shù)的研究，研制一些新型的電力電子設(shè)備作為配套設(shè)施，如并網(wǎng)逆變器、靜態(tài)開關(guān)和電能控制裝置。