齊佳鑫，駱潔藝，韓光玲

(1.廣西電網(wǎng)公司柳州供電局，廣西 柳州 545006;2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州510623;3.柳州市財(cái)政投資評(píng)審中心，廣西 柳州 545006)

1 引言

微電網(wǎng)是一種將分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、變流器以及監(jiān)控保護(hù)裝置有機(jī)整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)［1－3］，可以實(shí)現(xiàn)其并網(wǎng)或孤島運(yùn)行、降低間歇性分布式電源給配電網(wǎng)帶來的不利影響，最大限度地利用分布式電源出力。將分布式電源以微電網(wǎng)的形式接入配電網(wǎng)，被普遍認(rèn)為是利用分布式電源有效的方式之一［4－6］。

近年來，歐盟、美國(guó)、日本等均開展了微電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程研究。美國(guó)的配電網(wǎng)比較薄弱，微電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)主要集中在提高重要負(fù)荷的供電可靠性，滿足用戶定制的多種電能質(zhì)量需求，降低成本、實(shí)現(xiàn)智能化等方面;日本的國(guó)內(nèi)能源緊缺，微電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)主要定位在能源供給多樣化，減少污染，滿足用戶的個(gè)性化電力需求;歐盟從電力市場(chǎng)需求、電能安全供給和環(huán)境保護(hù)等角度出發(fā)，夠充分利用微電網(wǎng)的分布式能源、智能技術(shù)、先進(jìn)電力電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集中供電與分布式發(fā)電的高效緊密結(jié)合。從各國(guó)對(duì)微電網(wǎng)的研究可以看出，微電網(wǎng)的形成與發(fā)展不是對(duì)傳統(tǒng)集中式、大規(guī)模電網(wǎng)的革命與挑戰(zhàn)，而是未來電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高效、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)供電的一個(gè)重要手段，是對(duì)大電網(wǎng)的一種有益補(bǔ)充。本文闡述了微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行優(yōu)化、保護(hù)控制等關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望。

2 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

按照接入配電系統(tǒng)的方式不同，微電網(wǎng)可分為用戶級(jí)、饋線級(jí)和變電站級(jí)微電網(wǎng)。用戶級(jí)微電網(wǎng)與外部配電系統(tǒng)通過一個(gè)公共連接點(diǎn)連接，一般由用戶負(fù)責(zé)其運(yùn)行及管理;饋線級(jí)微電網(wǎng)是指將接入中壓配電系統(tǒng)某一饋線的分布式電源和負(fù)荷等加以有效管理所形成的微電網(wǎng);變電站級(jí)微電網(wǎng)是指將接入某一變電站及其出線上的分布式電源及負(fù)荷實(shí)施有效管理后形成的規(guī)模較大的微電網(wǎng)。

按照微電網(wǎng)內(nèi)主網(wǎng)絡(luò)供電方式不同，還可分為直流型微電網(wǎng)、交流型微電網(wǎng)和混合型微電網(wǎng)。在直流型微電網(wǎng)中，大量分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)通過直流主網(wǎng)架，直接為直流負(fù)荷供電;對(duì)于交流負(fù)荷，則利用電力電子換流裝置，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電供電。在交流型微電網(wǎng)中，將所有分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出首先轉(zhuǎn)換為交流電，形成交流主干網(wǎng)絡(luò)為交流負(fù)荷直接供電;對(duì)于直流負(fù)荷，需通過電力電子換流裝置將交流電轉(zhuǎn)換為直流電后為負(fù)荷供電。在混合型微電網(wǎng)中，無(wú)論是直流負(fù)荷還是交流負(fù)荷，都可以不通過交直流間的功率變換直接由微電網(wǎng)供電［7］。

3 微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)要盡可能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及能源利用效率等量化指標(biāo)的優(yōu)化，其研究?jī)?nèi)容主要包含可再生能源與負(fù)荷需求分析、建模方法和優(yōu)化算法三個(gè)方面。

3.1 可再生能源與負(fù)荷需求分析

微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)可再生能源和負(fù)荷需求分布特性的主要分析手段包括歷史數(shù)據(jù)分析法［8］和概率統(tǒng)計(jì)分析法［9－10］。歷史數(shù)據(jù)分析法是利用風(fēng)速、光照強(qiáng)度與負(fù)荷等信息的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行情況進(jìn)行序貫分析，缺點(diǎn)是在獲取小時(shí)級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)歷史氣象信息時(shí)的難度較大。概率統(tǒng)計(jì)分析法主要是基于風(fēng)、光等的月或典型年歷史統(tǒng)計(jì)信息和分布特性，結(jié)合蒙特卡洛方法對(duì)可再生能源的全年變化信息進(jìn)行隨機(jī)生產(chǎn)模擬［9］，缺點(diǎn)是當(dāng)規(guī)劃需要考慮復(fù)雜的運(yùn)行優(yōu)化策略時(shí)增加計(jì)算負(fù)擔(dān)。為此，可采用隨機(jī)過程方法建立風(fēng)、光及負(fù)荷等的Markov轉(zhuǎn)移模型，降低計(jì)算量［10］。

3.2 規(guī)劃設(shè)計(jì)建模

微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)要在滿足用戶需求的基礎(chǔ)上，綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面因素選定優(yōu)化變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。在優(yōu)化變量選擇方面，一種方式是將所有變量統(tǒng)一到同一目標(biāo)函數(shù)下［11］;另一種方式是將各層次的變量區(qū)別對(duì)待，采用兩階段的建模方式［12］，即第一階段主要確定設(shè)備的類型、位置和容量，第二階段主要確定系統(tǒng)的運(yùn)行策略及其相關(guān)的參數(shù)。在目標(biāo)函數(shù)選擇方面，在采用單一目標(biāo)函數(shù)時(shí)，主要考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的最優(yōu)化。在采用多目標(biāo)函數(shù)時(shí)，可以考慮經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性與可靠性等目標(biāo)的不同組合。在約束條件選擇方面，主要包括功率平衡約束、設(shè)備運(yùn)行約束(出力上下限限制、爬坡率限制、運(yùn)行時(shí)間限制等)、儲(chǔ)能存儲(chǔ)容量約束和可靠性約束等?？紤]到儲(chǔ)能系統(tǒng)的特殊性，微電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置問題可單獨(dú)采取更加有針對(duì)性的優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)方法［7］。

3.3 算法優(yōu)化

求解微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)問題既可采用混合整數(shù)規(guī)劃［11］等數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，也可采用粒子群算法［13］、進(jìn)化算法［14］等智能算法。數(shù)學(xué)規(guī)劃方法在面對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束條件的苛刻要求和微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)問題的復(fù)雜性時(shí)常常受到限制。智能算法建模方式相對(duì)寬松，通常不依賴于具體的應(yīng)用問題，能夠方便處理信息的不確定性，應(yīng)用更為廣泛。

4 微電網(wǎng)能量管理與運(yùn)行優(yōu)化

4.1 預(yù)測(cè)方法

微電網(wǎng)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性將直接影響調(diào)度方案的效果，相關(guān)研究工作包括發(fā)電預(yù)測(cè)、負(fù)荷預(yù)測(cè)、市場(chǎng)信息、設(shè)備故障等不確定性因素，要評(píng)估不確定性對(duì)微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果的影響，并采取相應(yīng)措施提高系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的預(yù)期效果。發(fā)電預(yù)測(cè)主要是針對(duì)間歇式可再生能源的短、中期輸出能量預(yù)測(cè)，如風(fēng)速、光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度等，常用的預(yù)測(cè)方法包括基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型的預(yù)測(cè)方法［15］和基于歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)方法［16］。負(fù)荷預(yù)測(cè)包含對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)冷、熱、電等多類型負(fù)荷的短期預(yù)測(cè)。市場(chǎng)信息主要指在電力市場(chǎng)環(huán)境下，對(duì)電價(jià)機(jī)制進(jìn)行研究，把握電價(jià)變化規(guī)律，有效預(yù)測(cè)電價(jià)信息。

4.2 優(yōu)化調(diào)度方法

微電網(wǎng)的調(diào)度策略可劃分為優(yōu)化策略和啟發(fā)式策略。前者根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)自行決定系統(tǒng)運(yùn)行方案，一般能獲得比啟發(fā)式策略更理想的優(yōu)化效果，但在實(shí)際工程實(shí)施時(shí)，可能因各種不確定性因素導(dǎo)致優(yōu)化效果弱化。后者一般針對(duì)有限的系統(tǒng)運(yùn)行模式按照給定的調(diào)度邏輯確定調(diào)度方案。在微電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化過程中，最常用的目標(biāo)為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和環(huán)境目標(biāo)。經(jīng)濟(jì)目標(biāo)主要實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的運(yùn)行成本和設(shè)備折舊成本最低;環(huán)境目標(biāo)主要是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)環(huán)境效益最大化。當(dāng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化時(shí)，由于不同目標(biāo)之間可能存在沖突，需要充分根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，因地制宜地對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的目標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)綜合價(jià)值的最大化。

微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)可以看作是智能配電系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)的重要組成部分，隨著配電網(wǎng)中分布式電源與微電網(wǎng)接入數(shù)量的增加，為支持分布式電源、微電網(wǎng)、配電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行，需要綜合性更優(yōu)的能量管理系統(tǒng)，這也是未來能量管理系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

5 微電網(wǎng)保護(hù)與控制

5.1 微電網(wǎng)保護(hù)

微電網(wǎng)保護(hù)涉及的故障情況可分為外部故障和內(nèi)部故障。其中，內(nèi)部故障在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤立運(yùn)行兩種模式下所呈現(xiàn)的故障特性及所采取的保護(hù)方法有所不同，且與微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源的控制方式緊密相關(guān)。當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，如果是外部故障應(yīng)判斷是否為永久性故障，永久性外部故障時(shí)微電網(wǎng)必須與外部電網(wǎng)解列。如果是內(nèi)部故障應(yīng)判斷是否導(dǎo)致微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)不符合IEEE1547等標(biāo)準(zhǔn)的要求［17］，無(wú)需解列時(shí)，應(yīng)快速切除故障部分，減小對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)其他部分以及外部電網(wǎng)的影響。

在微電網(wǎng)孤立運(yùn)行模式下，當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，基于電力電子變換器的分布式電源所提供的短路電流常常被限制在兩倍額定電流以內(nèi)，需要根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行模式的不同改變保護(hù)的整定值，但要求保護(hù)系統(tǒng)具有更高的適應(yīng)性［18］。

5.2 微電網(wǎng)控制

微電網(wǎng)中的分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備按照并網(wǎng)方式主要分為逆變型電源、同步機(jī)型電源和異步機(jī)型電源，其中逆變型電源所占比重較大。當(dāng)微電網(wǎng)中有多個(gè)逆變型電源時(shí)，需要協(xié)調(diào)控制，以滿足微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行、孤立運(yùn)行及兩種運(yùn)行模式間切換時(shí)的不同需求［19］。微電網(wǎng)一般采用如圖1所示的三層控制結(jié)構(gòu)。

5.2.1 第一層控制

依據(jù)分布式電源或儲(chǔ)能設(shè)備在微電網(wǎng)中所起作用不同，需要采取不同的控制策略，主要包括:PQ控制(恒功率控制)、V/f控制(恒壓/恒頻控制)和Droop控制(下垂控制)。Droop控制又具有兩種基本形式:f－P和V－Q下垂控制法［20］和P－f和Q－V下垂控制法［21］。前者根據(jù)功率的變化決定頻率和電壓值，后者根據(jù)頻率和電壓的變化決定功率值。

圖1 微電網(wǎng)分層控制結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由電網(wǎng)提供電壓和頻率參考，各分布式電源一般采用恒功率控制。部分可控型分布式電源也可采用f－P和V－Q下垂控制方法，在電網(wǎng)電壓幅值和頻率降低時(shí)，能夠支撐電網(wǎng)電壓和頻率。若主網(wǎng)發(fā)生非永久性故障導(dǎo)致微電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓跌落或不對(duì)稱時(shí)，通過相應(yīng)控制方法可提高各分布式電源的故障穿越能力［22］，從而增大并網(wǎng)點(diǎn)處正序電壓分量和減小負(fù)序電壓分量，降低電網(wǎng)電壓的不對(duì)稱度。

微電網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí)，控制可分為主從控制模式和對(duì)等控制模式。在主從控制模式中，微電網(wǎng)內(nèi)的一個(gè)分布式電源(或儲(chǔ)能設(shè)備)采取V/f控制，為微電網(wǎng)提供電壓和頻率參考，而其他分布式電源則采用PQ控制［23］。在對(duì)等控制模式中，微電網(wǎng)中參與電壓、頻率調(diào)節(jié)和控制的多個(gè)可控型分布式電源(或儲(chǔ)能設(shè)備)在控制上都具有同等的地位［24］，通常選擇P－f和QV下垂控制方法，根據(jù)分布式電源接入點(diǎn)就地信息進(jìn)行控制，易于實(shí)現(xiàn)分布式電源的即插即用。

5.2.2 第二層控制

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，第二層控制的主要目標(biāo)是降低微電網(wǎng)內(nèi)可再生能源與負(fù)荷波動(dòng)對(duì)主網(wǎng)的影響。通過微電網(wǎng)中心控制器(MGCC)對(duì)各分布式電源下發(fā)合理的功率指令，利用功率型和能量型儲(chǔ)能組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，分別抑制可再生能源輸出功率的高頻和低頻波動(dòng)分量，但應(yīng)注意維持各儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行在合理的荷電狀態(tài)范圍［25］。通過需求側(cè)響應(yīng)對(duì)可控負(fù)荷進(jìn)行控制，也可實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率的控制［26］。

微電網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí)，第二層控制的主要目標(biāo)是恢復(fù)微電網(wǎng)電壓和頻率，以保證電壓和頻率滿足負(fù)荷可靠運(yùn)行的要求［27］。采用主從控制模式能維持微電網(wǎng)電壓和頻率恒定，負(fù)荷的變化主要由主電源跟隨，需要通過MGCC實(shí)現(xiàn)各分布式電源間的功率合理分配［28］。采用對(duì)等控制模式時(shí)，能同時(shí)解決電壓頻率穩(wěn)定控制和輸出功率合理分配，但負(fù)載變化前后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓和頻率會(huì)有所變化。

第二層控制還需實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行的無(wú)縫切換控制。當(dāng)采用主從控制模式時(shí)，一種典型的控制時(shí)序如圖2所示，包含微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)切換和主電源控制模式切換。若主電源在微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤立運(yùn)行模式下均采用P－f和Q－V下垂控制方法，則在微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)，無(wú)需切換控制模式［29］。否則，為保證微電網(wǎng)主電源控制模式平滑切換，主電源控制系統(tǒng)在PQ控制和V/f控制模式之間切換時(shí)應(yīng)盡可能減少切換功率變化量［30］。如采用圖3所示控制結(jié)構(gòu)，在切換前后，兩種控制模式中使用相同的電流內(nèi)環(huán)，模式切換時(shí)僅對(duì)外環(huán)控制器進(jìn)行切換。在模式切換中，采用合理的補(bǔ)償控制算法和切換控制邏輯，可有效降低模式切換過程中的暫態(tài)沖擊［23］。

圖2 微電網(wǎng)無(wú)縫切換運(yùn)行模式基本控制時(shí)序

圖3 主電源控制結(jié)構(gòu)示意圖

5.2.3 第三層控制

該層主要為微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)層［19］。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，通過相應(yīng)能量?jī)?yōu)化算法確定與大電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線輸出功率參考值(作為微電網(wǎng)第二層控制目標(biāo)參考值)。微電網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí)，調(diào)整各分布式電源輸出功率參考值或下垂曲線穩(wěn)態(tài)參考點(diǎn)和分配比例系數(shù)設(shè)定等信息，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等功能。

6 結(jié)論

作為智能配電網(wǎng)的重要組成部分，微電網(wǎng)從局部解決了分布式電源大規(guī)模并網(wǎng)時(shí)的運(yùn)行問題。對(duì)用戶層面，微電網(wǎng)除了提供電能以外，還具備供冷、供熱、供氣的能力，將進(jìn)一步提高終端能源的利用效率;對(duì)電網(wǎng)層面，隨著電力市場(chǎng)的不斷完善、需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，微電網(wǎng)將更多的參與配電網(wǎng)的調(diào)度，提供多種輔助服務(wù)?？傊?，微電網(wǎng)技術(shù)將在未來電網(wǎng)發(fā)展過程中發(fā)揮重要的作用。

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