微电网能量管理系统相关资料汇总

微电网能量管理系统相关资料

微电网采用了大量的现代电力电子技术将光伏发电、风电、燃气轮机、燃料电池、储能设备等微电源装置并在一起,直接接在用户侧,构成规模较小的分散的独立系统。对于大电网来说,微电网可被视为电网中的一个可控单元,由于电力电子器件的高反应特点,它可以迅速满足外部输配电网络的需求。另外,对用户来说,由于微电网的分布特点,可以维持本地电压稳定、增加本地可靠性、降低馈线损耗、通过利用余热提高能量利用的效率及提供不间断电源等,能够满足他们特定的需求。

在接入电网问题上,微电网的入网标准不针对各个具体而分散的微电源,只针对PcC(微电网与大电网的公共连接点)。微电网不仅解决了分布式电源单机接入成本高的问题,还充分发挥了分布式电源的各项优势,并且为用户带来了其它多个方面的效益。

微电网能量管理系统的主要管理对象：

1.分布式电源

微电网中的分布式电源包括燃料电池、微型燃气轮机、柴油发电机、热电联产系统、风电、光伏等。其中，热电联产系统通过燃料电池、微型燃气轮机或其他燃机在发电的同时提供热能，能量利用率超过 80%，在微电网中具有较好的应用前景。不同类型的电源通过整流器和逆变器等电力电子设备将不同频率的电能平滑地转换为相同频率的交流或直流电能。通过控制逆变器可以控制分布式电源的输出，让分布式电源按指定的电压和频率（U/f 控制)或有功和无功(PQ控制)输出。这些基于逆变器的控制方式支撑着微电网系统的总体控制策略。分布式电源按可控性分为不可调度机组和可调度机组。风电、光伏的发电主要取决于自然环境，具有随机性和波动性，属于不可调度机组，其具有一定的可预测性，但目前仍具有较大的预测误差。而燃料机组如微型燃气轮机、燃料电池、柴油机属于可调度机组，微电网能量管理系统需要预测风电、光伏的出力，并根据预测出力、燃料机组油耗、热电需求等制定可调度机组的调度计划。

2.储能系统

储能系统在微电网中得到了广泛的应用，适合微电网的储能技术主要有蓄电池、飞轮、超级电容。蓄电池具有电能容量大、能量密度大、循环寿命短等特点，在并网时起削峰填谷和能量调度的作用，在孤网时常作为中心存储单元，维护微电网的频率与电压稳定。飞轮具有较大的能量密度、较高的功率输出和无限的充放电次数，常用来平抑微电网中的瞬时功率波动。超级电容具有功率密度大、循环寿命长、能量密度低等特点，但相对于其他 2种储能技术具有较高的成本。由于具有较低的惯性、储能系统在微电网中可以平抑可再生能源和负荷的功率波动，维护系统的实时功率平衡，同时能在微电网并网与孤网状态切换时提供瞬时的功率支撑，维持系统稳定。储能系统一般通过逆变器接入微电网，采用U/f 控制和 PQ控制，接受微电网能量管理系统的指令来决定工作方式和发电功率。储能系统的管理目标取决于微电网的工作方式。在并网模式下，其主要是确保分布式电源的稳定出力，容量充足时可以起削峰填谷和能量调度的辅助作用；在孤网模式下，储能系统主要是维护系统稳定，减少终端用户的电能波动。

为了使微电网在紧急情况下仍能运行，微电网的负荷一般分级管理，主要分为关键负荷和可控负荷。关键负荷为需要重点保护电力供应的负荷；而可控负荷在紧急情况下可以适当切除，在正常情况下也可以通过需求侧管理或者需求侧响应达到优化负荷使用、节能省电的目的。比如一栋楼在不影响用户满意度的情况下可以通过调节供热通风与空气调节HV AC系统或者照明系统来达到节能的目的。微电网负荷侧的管理是微电网能量管理中的重要部分。随着电动汽车的普及，充电电动汽车PEV 和混合充电电动汽车PHEV在微电网中得到了广泛的应用。PHEV 和PEV既可以随时随地从电网中充电，又可以通过汽车到电网V2G技术向电网输电，具有可控负荷和电源的双重身份，这类负荷的大规模接入将给微电网能量管理系统增加难度。

微电网能量管理系统的基本功能

微电网能量管理系统具有预测可再生能源机组出力、优化燃料机组发电、安排储能充放电、管理可控负荷、维持系统稳定等功能。

微电网能量管理系统主要有 4 个功能模块：人机交流模块、数据分析

模块、预测模块、决策优化模块。一些外部信息如设备信息、天气预报等通过数据接口传递给微电网能量管理系统，同时微电网能量管理系统也通过接口与分布式电源互相交换信息。

人机交流模块主要负责人与能量管理系统的交流，其采用可视化人机接口，并提供一个统一的图形平台。通过人机界面可以查看微电网的拓扑结构和所有电气元件的接入情况，并能实时操作开关与刀闸的状态，控制微电网的工作方式。监测系统采集的电压、电流、有功、无功、温度等实时数据将在图形系统中显示。通过对人机界面的监视，工作人员可以实时了解微电网系统、后台系统和通信系统的运行工况。系统的运行信息将通过文字、图形、声、颜色等多种方式在人机界面中显示。

数据分析模块将系统采集的实时数据、各种操作日志以及预测数据存储到系统的数据库当中。其历史服务功能按照不同的存储周期和预先设定的存储策略将实时数据写入数据库中，并负责日、月、年统计量的统计工作。报表分析功能将历史数据和预测数据灵活地组织到表格中，形成实时、日、月、年等历史统计表和预测误差统计报表，可统计最大值、最小值、平均值等，同时具有打印和表格编辑功能。

预测模块是微电网能量管理系统的一个重要模块。为了优化分布式电源的发电调度，需要对未来某段时间内的负荷、可再生能源、市场电价进行预测。根据调度计划的时间尺度不同，通常有短期(1d 至1 周)预测和超短期(分钟级或几小时内)预测。短期预测可以采用离线的方式，而超短期预测通常需要在线预测并实时滚动。预测所需要的基础数据主要为系统采集的历史数据，预测结果每隔一定的时间段传送回微电网能量管理系统。

决策优化是微电网能量管理系统的核心模块。该优化系统根据负荷和可再生能源的预测值、用户的用电需求、调度规则、市场电价等信息决策分布式电源的发电调度、从电网的购电计划、储能的出力分配、负荷的安排。该决策需要满足一系列约束条件以及控制目标，如满足系统中的热电负荷需求，确保微电网与主网系统间的运行协议，尽可能使能源消耗与系统损耗最小，使分布式电源的运行效率最高。优化决策模块还能提供微电网系统故障情况下孤岛运行和重合闸的逻辑与控制方法等，保障微电网的高效稳定运行。

微电网能量管理系统的控制系统：

从微电网能量管理系统的控制结构来看，微电网可以分为集中式控制和分散式控制。

1集中式控制结构：

集中式控制一般由中央控制器和局部控制器构成，其中，中央控制器通过优化计算后向局部控制器发出调度指令，局部控制器执行该指令控制分布式电源的输出。文献给出了一种 3 层结构的典型集中式能量管理系统，其 3层结构分别为市场和配电网中心、中央控制器、局部控制器。市场中心负责电力市场和微电网之间的信息交流。配电网中心负责微电网与主网之间的信息交流。中央控制器是微电网能量管理系统的核心单元，其负责上层系统与底层单元的信息交流。一方面，中央控制器要满足配电网的负荷需求，参与电力市场，监测系统运行，维护系统稳定，处理微电网工作模式的转换；另一

方面，中央控制器要根据局部控制器传来的机组信息、市场和配电网中心的信息，在各种机组约束和物理约束条件下，以系统网损最小、利润最大等为控制目标安排分布式电源的功率分配，并将指令传递给局部控制器。

集中式控制的优点是：有明确的分工，较容易执行和维护；具有较低的设备成本，能控制整个系统；目前使用得比较广泛，技术上更加成熟。其缺点是：随着分布式电源的增加&要求中央控制器有较强的计算处理能力，同时对其通信能力也有较高的要求；一旦中心单元故障，整个系统面临瘫痪的风险；分布式电源不能即插即用，不容易拓展应

用。这些缺点成为这种模式的发展瓶颈。

2分散式控制结构：分散式控制是微电网能量管理系统的另一种控制方式。分散式控制方式下，微电网中的每个元件都由局部控制器控制，每一个局部控制器监测微源运行状况，并通过通信网络与其他的局部控制器交流。局部控制器不需要接收中央控制器的控制指令，有自主决定所控微源运行状况的权力。由于局部控制器仅需要与邻近的设备通信交流，其信息传输量比集中式控制要少；其计算量也分担到各个局部控制器当中，降低了中央控制器的工作负担。中央控制器在分散式控制结构中主要负责传递上层系统的负荷和电价信息，以及在紧急事件或故障情况下从系统层面上操控局部控制器。

分散式控制的优点是：中央控制器的计算量得到了大幅的削减；如果中央控制器故障，系统仍然能够运行；其分散式的控制模式保证了分布式电源即插即用的功能；适用于大规模、复杂的分布式系统。其缺点有：由于局部控制器有较大的自主权，其存在安全方面的隐患，较难及时检测和维修；分布式电源的平滑控制依赖于局部控制器之间的交流，需要设计一种有效的通信拓扑结构；其局部控制器之间的交流可能需要更长的时间达成协议；由于此种控制方式相比传统的主从式控制有较大的通信变革，在实际当中还面临较大的设备投资和复杂的通信要求。这使得这种较有潜力的控制方式仍然需要深入研究。集中式和分散式控制方式都有中央控制器和局部控制器，只是分散式控制弱化了中央控制器的主导功能，通过强化周边通信，将控制权力

分散到局部控制器。中央控制器和局部控制器甚至配电网中心在管理系统中均扮演着一定的角色，多代理系统这一概念可以较好地模拟这一特定功能的角色。多代理系统具有较好的灵活性与可扩展性，既可以设计成集中式控制，又可以设计成分散式控制，在微电网的能量管理和控制领域受到了关注。多代理系统的能量管理策略主要有基于市场交易的竞争协调和基于各种智能算法的优化调度。基于市场交易的多代理系统模拟电力市场环境，由各分布式电源代理和负荷代理根据成本和需求进行投标，中央控制代理经过决策确定最后的出力状况。基于智能算法的优化调度类似于传统的集中式控制，其根据各代理申报的情况以特定的目标进行优化计算来确定各微源的发电安排。

微电网能量管理系统的机遇与挑战

目前微电网能量管理主要采用集中式控制，随着技术的成熟，分散式控制将逐渐成为微电网能量管理控制结构的发展方向。分散式控制使得分布式电源能够即插即用，任何分布式电源或储能设备在任何时间都可以连接到微电网中，大幅提高了用电的灵活性。微电网能量管理系统对微电网的使用便利性和高效性起着重要的作用。由于微电网的特殊性，微电网的能量管理依然面临一系列挑战，主要有以下 3 个方面。

1 微电网中可再生能源如风电、光伏出力受自然环境的影响，具有间歇性、波动性和可预测性差等特点。微电网能量管理系统的设计当中需要考虑这些随机因素的影响。另一方面，随着可控负荷形式的增多，可控负荷如 PEV 可以随时随地连接到微电网中，这增加了微电网负荷侧时间和空间上的不确定性。微电网能量管理系统在需求侧的管理中需充分考虑到这些不确定性因素。

2 各种储能技术各具优缺点，单一的储能技术很难在技术性和经济性上满足要求，常常需要多种储能技术的配合才能达到效果。多种储能技术的优化配合以及多储能系统的联合调度将成为微电网能量管理的一个难点。

3 可靠且兼容的通信网络是微电网能量管理系统的基础。通信可能会存在的延时、超时失败等问题，将影响微电网能量管理系统的执行。另一方面，微电网的通信主要是通过无线网络传输，而无线网络的共享和易接近等特点，使得其存在安全陷患。因此微电网能量管理系统的通信网络建设和通信安全也是一个值得研究的问题。

微电网能量管理系统的概念：微电网能量管理系统（MGEMS）是以计算机为基础的一个综合自动化系统，主要用于一个微电网的调度管理中心，它融合了先进的IT技术，对微电网内部的分布式电源和储能装置进行优化管理。微电网能量管理系统相对与传统大电网的能量管理系统具有更加针对性的特点，它能够针对某一个具体的微电网，对其内部的众多资源进行有效地管理，提高微电网的能源利用效率。

存在问题：

由于微电网中分布式电源数量多、位置分散，因此监测控制管理更加复杂。当前，微电网能量管理系统主要面临以下几个问题。

通信问题：微电网中需要实时监测点增多，所需要采集的信息量增大，使通信难度加大，不利于调度员的正确决策。为了保证微电网的灵活供电模式与高质量的供电服务，必须具有足够的监视控制点和完善的通信系统，以便能够将采集到的信息及时上传、控制信息及时下达，实现主网和微电网及微网内部电源的实时控制。

接入控制问题：控制系统是微电网技术中的一大难题，也是一关键问题。微电网的控制包括：微电网和主网并网控制和微电网内部分布式电源的控制。微电网和主网的并网控制要求具有实时性。在微电网不能满足用户的需求时，要求能够及时接入主网，无需切除负荷，而在微电网能够满足用户需求或主网外部故障时，微电网能够及时与主网断开独立运行。对于微电网内部的分布式电源，由于传统小火电和生物质能发电等发电量相对稳定，因此可以采用传统的接入方式，而对于间歇式发电由于发电量受气候和季节影响较大，具有较大的不确定

性将会频繁的接入和切除，这就要求具有实时的接口控制技术来消除分布式电源的接入和切除对微电网的影响。

新能源和可再生能源发电不可预测问题：由于分布式电源中存在许多间歇式电源，如太阳能、风能其发电量受天气状况和季节影响较大，存在不可预测问题，不利于稳定供电。

解决方法：

针对微电网特点提出适合的能量管理系统，对于充分发挥微电网的优势具有重要作用。微电网能量管理系统除了具有传统能量管理系统的功能模块外，还需要注意以下几点。

加强通信通道建设：在微电网中采用先进的通信技术，如：光纤IP 网、电力宽带载波、宽带无线网络技术来解决微电网中信息的实时传输和双向交互。

开发新的接口控制技术：目前，已有三种典型的控制方法：基于电力电子装置的“即插即用”技术；基于功率管理系统的控制；基于多代理技术的控制方法。这三种方法在不同的程度上都有了一定进展，相信随着研究的不断进展，这三种技术会越来越成熟。

开发分布式电源协调控制模块：分布式电源协调控制模块是用来优化微电网内的电源配置，实现分布式电源最优协调控制。可以采用如下协调控制方法：当间歇式发电装置所发电能超出负荷需求时，检测储能装置是否充电完成，若充电未完成则充电，若已完成则减少稳定能源（可调节电源）的发电量；当间歇式发电装置低于负荷需求时，检测储能装置是否能够提供电能，若能则接入，否则增加稳定能源的发

电量，在稳定能源达到最大发电量时还不能满足负荷需求，则接入主网。

开发新能源和可再生能源预测模块：根据微电网所在区域，采集当地气候信息，编制气候数据库，来预测间歇式能源短期发电量，从而为电网的运行方式提供决策。

微电网关键技术：

微电网技术虽然取得了一定成果，但是目前仍然存在许多需要进一步研究和攻克的技术问题，微电网的关键技术主要包含以下几点。

1新能源和可再生能源发电技术。现在只有少数国家掌握了新能源和可再生能源发电技术，其成本造价相对于传统能源发电优势并不明显。因此，如何降低这些新的发电技术成本，使其能够市场化也是一个非常关键的问题。

2电力电子控制装置。微电网的灵活运行方式是基于先进的电力电子接口，正是由于这种先进的电力电子接口控制，使得微电网不仅可以灵活的接入主网，而且还可以使得各个微电源实现“即插即用”。

3储能关键技术。储能装置也是微电网中不可缺少的一部分，它在电网中能够起到削峰填谷的作用，极大的提高间歇式能源的利用效率。当前，人们已经广泛开展了储能装置的研究。我国在储能装置上的研究也已取得了一定的进展，目前已经成功研制出650 AH钠硫电池单体、100 kW/200 kW的全钒液流电池系统，除此之外在飞轮储能上

也取得了突破性进展。

4协调继电保护和无功补偿技术。由于微电网的多电源特性，改变了

传统配电网的辐射型结构，使得微电网的保护方法与传统保护有着极大区别，主要难点在于潮流的双向流动、并网和孤立运行时短路容量的变化。另外，由于间歇式电源电压、频率的波动性，使得保护变得更加复杂。而对于无功补偿问题，传统配电网的低压侧集中补偿已经不再适合，必须研究适合微电网的新的无功补偿方法。

5先进的监测技术。微电网的结构已经改变了传统配电网的供电模式，需要监测的点急剧增多，先进的监测技术为微电网的有效管理提供了基础。

综上所述可知，微电网进展的快慢和新能源发电技术、电力电子技术、储能技术和通信等技术密切相关，因此必要加大相关技术的研发力度，从而为微电网的发展打下基础。

微电网在中国的应用前景：

随着社会经济的不断进步，广大电力用户对电能质量和服务要求不断提高。微电网以其独特的运行方式不仅可以满足电力用户的多种需求，还可以保证在极端情况下保证电能的持续供应，微电网的诸多优点将使它成为大电网的一个有益补充。

从长远观点来看，分布式能源技术是我国的必然选择，但是分布式能源入网却又存在很多问题，微电网技术的提出有效地解决了分布式电源入网的众多问题，极大地促进了分布式电源的进展。我国当前正在大力发展分布式能源发电，在“十一五”期间将有大量风电和光伏等分布式能源接入电网。微电网能够很好的解决分布式能源和大电网之间的众多矛盾，应充分挖掘分布式能源所带来的效益，使其在未来能够为电网的发展做出更大的贡献。

目前我国许多中小城市和偏远地区拥有众多火力发电和小水电等传统发电机组，这些机组存在损耗大、效率低、运行费用高和污染大等问题，面临停运或拆除。这些机组容量小且靠近负荷，具有充当微电网中分布式电源的特性，因此可以考虑对现有小机组进行技术升级改造，将其纳入微电网，组成区域性的小型微电网，从而实现对现有资源的合理再利用，减少新的投资费用，并且可以达到节能减排的作用。在“十一五”期间我国制定了相关能源政策法规，采取了新能源和可再生能源优先上网和价格优惠等政策来推动新能源的进展，这为推广建设微电网提供了有力支撑。

国内外微电网研究现状：

在微电网研究方面，欧美及日本等发达国家已经完成部分基础理论研究，相关成果已经通过实验室测试和现场示范工程验证进行了初步验证，部分解决了微型电网运行、保护和经济性分析等的基本理论问题。

1 美国微电网研究现状

美国最早提出了微电网概念，其微电网理论研究成果已经在实验室平台检验通过，并在美国北部建立了第一个微电网示范性工程。美国微电网未来研究的重点主要集中在满足多种电能质量的要求、提高供电的可靠性、降低成本和实现智能化等方面。

2 欧洲微电网研究现状

欧洲各国对微电网的研究也越来越重视，尤其是近几年来各国之间开展了微电网方面的诸多合作和研讨工作。已经初步形成了微电网的运行、控制、保护、通信等理论基础。欧洲未来的研究重点主要集中在先进的控制策略和相关标准的制定方面。

3 日本微电网研究现状

日本在国内能源日益紧缺、负荷日益增长的背景下，也展开了微电网研究，但其发展目标主要定位于能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力需求方面。

目前，日本的微电网示范工程的建设处于世界领先。

4 中国微电网研究现状

2008 年初的南方雪灾中，由于大电网受损严重，只有少数小电网在支撑重要用户运行，将微型电网的作用充分展示了出来，同时促使我

国加快了对微型电网的研究步伐。 2009 年，中国国家科技部通过“973”计划项目专门资助了分布式发电供能系统的相关基础研究。2010 年，中国国家科技部通过《国家高科技研究发展计划（863）》立项了近十个有关微电网方面的研究课题。“十二五”期间，我国将在太阳能、风能占优势的地区建设成微电网示范区，同时还将推动建设100 座新能源示范城市。我国微电网的发展虽尚处于起始阶段，但微电网的特点适应我国电力发展的需求和方向，具有广阔的发展前景。

国内外微电网现状比较：

为最大限度地发挥分布式发电技术在经济、能源和环境中的优势，微电网被纳入诸多国家未来电网发展的日程中。

美国由于近年来发生了几次比较大的停电事故，因此十分关注电能质量和供电可靠性。对微电网的研究主要集中在利用微电网提高电能的质量和供电的可靠性方面。

日本资源匮乏，因此其对可再生能源利用的重视程度远高于其他国家，但很多新能源具有随机性，限制了新能源的应用，所以日本在微电网方面的研究主要强调控制与电储能。

欧洲互联电网中的电源比较靠近负荷，更容易形成多个微电网，因此欧洲微电网的研究主要关注于多个微电网的互联问题。

目前中国大多在分布式发电和分布式储能上开展相关的研究，对微电网的研究还处在起始阶段。

微电网是智能电网领域的新兴市场，目前无论国内还是国外均还处于

研究、试点阶段。另外，国内和国外的能源结构差异较大，这也决定了中国与欧美等国家的微电网解决方案存在较大差异。

微电网运行模式：

微电网存在两种典型的运行模式：并网运行模

式和孤岛运行模式。

微电网储能方式：鉴于微电网系统的特点和储能的作用，对储能装置的性能特点具有较为独特的要求。概括起来包括：能量密度大，能够以较小的体积重量提供较大的能量；功率密度大，能够提供系统功率突变时所需的补偿功率，具有较快的响应速度；储能效率高；高低温性能好，能够适应一些特殊环境；以及环境友好等。现阶段微电网中可利用的储能装置很多，主要包括蓄电池储能、超导储能、飞轮储能、超级电容器储能、超级电容器与蓄电池混合储能系统，抽水储能、压缩空气储能等。