徐大明

（重慶交通大學(xué) 重慶市 400000）

1 微電網(wǎng)技術(shù)

1.1 微電網(wǎng)的組成及研究

微電網(wǎng)的英文名稱是Micro-Grid，簡稱為微網(wǎng)，它在分類上屬于一種電壓等級一般為10kV 或者400V 的新型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一種由分布式電源、能量轉(zhuǎn)換裝置，儲能裝置，監(jiān)控，負(fù)載和保護(hù)裝置等組成小型的發(fā)電及配電系統(tǒng)，簡而言之就是由負(fù)荷和微電源組成的并且可以提供電能和熱能的系統(tǒng)。微電網(wǎng)能夠解決形式復(fù)雜多樣，數(shù)量龐大的分布式電源的并網(wǎng)問題，實現(xiàn)分布式電源的靈活、高效應(yīng)用。研究微電網(wǎng)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出優(yōu)化與改進(jìn)方案，能夠充分促進(jìn)分布式電源和可再生清潔環(huán)保能源的大規(guī)模接入，同時使負(fù)載端的供給可靠性大大增強，加快傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的進(jìn)化進(jìn)程。

1.2 微電網(wǎng)相對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的優(yōu)勢與劣勢

為了解決傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電所面臨的這些問題，微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生并且在“低碳”的這個號召下發(fā)展迅速。這種由分布式電能源和電負(fù)荷組成的電網(wǎng)系統(tǒng)通過與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比來說較低的電壓與配電網(wǎng)進(jìn)行連接，運行方式靈活，性能可調(diào)度。另外，微電網(wǎng)可以當(dāng)做電力系統(tǒng)內(nèi)部的一個受控制的實體，可以作為單一負(fù)荷運行更是確定了其高可控性，高可控性則保障了其高供電質(zhì)量。而且微電網(wǎng)環(huán)保節(jié)能，發(fā)電成本低，相比傳統(tǒng)電網(wǎng)來說能夠減少環(huán)境的壓力，節(jié)約發(fā)電成本。微電網(wǎng)由多個微電源組成，能夠直接將電能分配給本地用戶，而不用從很長的輸電線上進(jìn)行輸送，從而極大減少電源與負(fù)載之間的距離，從而減少了電能在輸電線路上的熱損耗，而且也不用進(jìn)行建設(shè)很長的架空輸電線路，減少了輸電的建設(shè)成本，也不會存在因為天氣原因或者地理因素導(dǎo)致的供電成本提高與供電可靠性降低的問題。并且在熱電聯(lián)產(chǎn)運行模式下對余熱還可以進(jìn)行重新回收利用，使得微電網(wǎng)對能源得到利用率高于80%，所以，在全球能源互聯(lián)網(wǎng)這種大環(huán)境下，微電網(wǎng)的發(fā)展具有非常多的有利條件。

但是微電網(wǎng)相對于傳統(tǒng)電網(wǎng)來說起步較晚，也存在一些不利條件，其發(fā)展也存在一些挑戰(zhàn)及其他的制約因素。比如分布式電源相比傳統(tǒng)電源來說成本高，運行與保護(hù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還有待提升，電能生產(chǎn)與存儲需要根據(jù)負(fù)載的需求進(jìn)行合理調(diào)整，監(jiān)管制度相對松懈，立法也需要進(jìn)一步完善。

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

分布式發(fā)電（DistributedGeneration），一般是指那些發(fā)電功率比較小，分散，非外送型，直接布置在用戶負(fù)載周圍，電能可以不用遠(yuǎn)距離輸送而是直接就近消納。分布式發(fā)電系統(tǒng)有：以液體或者氣體為能源的內(nèi)燃機、熱電聯(lián)產(chǎn)機組、微型燃?xì)廨啓C，燃料電池，太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等類別。

圖1：光伏發(fā)電的原理圖

分布式光伏發(fā)電則主要為太陽能光伏發(fā)電，分為離網(wǎng)式和并網(wǎng)式兩種。離網(wǎng)式指的是不將電力系統(tǒng)并入其它電網(wǎng)來運行，所以離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能發(fā)電組件，控制器和蓄電池組成，若要為交流負(fù)載進(jìn)行供電，則還需要逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電。而離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的范圍包括對邊遠(yuǎn)地區(qū)的供電系統(tǒng)、太陽能路燈、通信信號電源等各種帶有蓄電池等儲能元件的可以獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。而且要求儲能元件的續(xù)航能夠保證3 到5 個陰雨天的能量供給。

并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是太陽能發(fā)電組件產(chǎn)生直流電經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換后成為傳統(tǒng)電網(wǎng)要求的交流電之后，才能夠接入公共電網(wǎng)。這種電網(wǎng)雖然可以不需要儲能元件，但是卻需要并入電網(wǎng)才能保證供電可靠性。并網(wǎng)光伏發(fā)電分為：有逆流和無逆流光伏發(fā)電系統(tǒng)，這兩者的區(qū)別就在于能否在電量充裕時向公共電網(wǎng)供電。另外還有切換型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和帶儲能裝置的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。前者的主要特點是可以在光伏發(fā)電系統(tǒng)因多云等原因不能正常工作時自動切換到公共電網(wǎng)，當(dāng)公共電網(wǎng)出現(xiàn)癱瘓時還能自動切換回光伏發(fā)電。后者的主要特點就是除了并入公共電網(wǎng)以外還帶有儲能元件，這種發(fā)電系統(tǒng)主動性很強，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和公共電網(wǎng)都因為故障而癱瘓時可以用儲能元件作為后備電源，這種系統(tǒng)可以應(yīng)用于緊急通信電源，加油站，醫(yī)療場所，避難所指示燈及照明等重要應(yīng)急負(fù)載。

3 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作機制

光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理就是利用太陽能電池的光生伏打效應(yīng)，利用太陽能電池板將太陽光中的光能轉(zhuǎn)化為電能供用戶負(fù)載端使用。光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要部件有太陽能電池組件、防雷系統(tǒng)、配電室、匯流箱、逆變器等。

光伏太陽能電池板作為整個系統(tǒng)中的最關(guān)鍵的核心組件，負(fù)責(zé)將太陽的光能轉(zhuǎn)化為電能。而且由于太陽能能量密度低的特點，需要很大面積的光伏太陽能電池陣列，為了減少太陽能光伏電池陣列與逆變器之間的連接線的數(shù)量，還要用到匯流箱。光伏太陽能電池所產(chǎn)生的電為直流電，所以還需要逆變器將直流電變成我們常用頻率的交流電。發(fā)電系統(tǒng)還需要一些基本的防雷措施，能夠保證在雷雨天氣的時候為發(fā)電系統(tǒng)中如電池板和逆變器等重要部分提供保護(hù)。帶有低壓負(fù)荷的室內(nèi)配電場所稱謂稱為配電室，主要負(fù)責(zé)為低壓用戶配送電能。因為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般都是10kV 以下，所以配置低壓配電室即可滿足用電需求。另外為了保證供電的可靠性，還需要搭載儲能元件或者將系統(tǒng)并入電網(wǎng)中。這樣，就形成了一套完整的發(fā)電與用電系統(tǒng)。光伏發(fā)電的原理圖如圖1 所示。

4 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)要點

4.1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制

對于不帶蓄電池的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)需要并入電網(wǎng)來保證供電可靠性。而分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)有多并網(wǎng)逆變器以及多能量來源的特點，所以并網(wǎng)控制方面的影響因素是我們要進(jìn)行充分考慮的。因為分布式發(fā)電系統(tǒng)的能源特點是具有多并網(wǎng)逆變器，其在并網(wǎng)運行中的相互耦合影響機理是在設(shè)計的時候需要重點注意的。同時這個也涉及到一些并網(wǎng)協(xié)調(diào)性能的控制問題，所以也應(yīng)該重視多個逆變器在獨立運行中如何協(xié)調(diào)控制頻率與電壓，從而更好地使負(fù)荷合理動態(tài)地分配。針對上述的并網(wǎng)多能源逆變器的特點，來開展關(guān)于獨立并網(wǎng)控制模式和協(xié)調(diào)控制策略的研究。

4.2 改善分布式光伏發(fā)電的系統(tǒng)的電能質(zhì)量

分布式光伏發(fā)電所輸出的電能形式是直流電，但是一般用戶端的負(fù)載都是使用交流電的。如果想要使用光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能，就要將直流電轉(zhuǎn)換成特定頻率的交流電，這樣的話就要用到逆變器。但是在并網(wǎng)運行的條件下，逆變器在正常運行的過程中會不可避免的產(chǎn)生諧波以及直流分量，這樣會對電網(wǎng)造成污染，使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量降低。尤其是當(dāng)電網(wǎng)直接與用戶側(cè)的負(fù)載相連接的時候，即便是微小的諧波和直流分量也會對用戶用電端口的負(fù)載造成很大的影響，使設(shè)備不能正常工作甚至損壞設(shè)備。并且當(dāng)用戶負(fù)載區(qū)域的感性負(fù)載數(shù)比較多的時候，在接入分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)后則會出現(xiàn)功率因數(shù)cosφ 比原來降低很多的情況，從而使得電機等感性負(fù)載難以正常運行，還會出現(xiàn)發(fā)熱量大大增加的情況，導(dǎo)致感性負(fù)載設(shè)備損壞。出現(xiàn)這種情況的原因是因為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)基本上只能夠輸出有功功率，或者電網(wǎng)原有的無功功率補償裝置與現(xiàn)有的光伏發(fā)電系統(tǒng)不匹配所導(dǎo)致。所以，如果想要控制分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所輸出出來的電能的質(zhì)量，逆變器的輸出是關(guān)鍵?？梢酝ㄟ^采用可調(diào)節(jié)功率因數(shù)cosφ，能夠輸出三電平組串逆變器較為適宜，也可以采用并聯(lián)電容器等裝置來配置動態(tài)無功功率補償，從而改善并網(wǎng)連接的光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能的質(zhì)量問題。

4.3 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其配置優(yōu)化

因為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要以太陽能為發(fā)電的能量來源，而太陽能會隨著當(dāng)?shù)氐臍夂蚝退幍牡乩砦恢玫韧饨缫蛩赜幸欢ǖ碾S機性，并且光伏發(fā)電的核心器件天陽能電池板的能量密度也不是特別高，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比較與其它的傳統(tǒng)電網(wǎng)有一定的差異性。因為上述原因，我們在進(jìn)行電網(wǎng)的設(shè)計過程中，應(yīng)該充分考慮當(dāng)?shù)氐目稍偕茉吹姆植碱A(yù)測，評估負(fù)荷水平的可用性、隨機性以及合理性。在需要實施光伏發(fā)電的區(qū)域做一些實地考察，對當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)和用戶的用電負(fù)荷做一些深入的了解與分析，從而確定在當(dāng)?shù)氐哪男﹨^(qū)域作多少確定容量的分布式光伏發(fā)電設(shè)備，在做出完善的當(dāng)?shù)乜傮w規(guī)劃后再進(jìn)行分步實施。進(jìn)而避免出現(xiàn)負(fù)荷過小或者某一個電網(wǎng)單元負(fù)荷過大的情況，從而提升當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運行的可靠性。