微电网技术及发展概况

第42卷中国电力电力系统（微电网及分布式发电专栏）微电网技术及发展概况左文霞，李澍森，吴夕科，程军照（国网电力科学研究院，湖北武汉430074）摘要：分布式发电以其投资省、发电方式灵活且不污染环境等优点，在全球范围内引起了越来越多的关注。

微电网能以更具弹性的方式协调分布式电源，从而充分发挥分布式发电的优势。

介绍分布式发电及微电网领域研究的诸多问题，讨论微电源、储能装置、逆变装置及隔离装置中需要研究的问题，并从电力系统应用的角度分析微电网的控制和保护、安全稳定运行、电能质量、运行及接入标准等问题。

对分布式发电及微电网研究领域未来的研究方向进行总结和展望。

关键词：分布式发电；微电网；配电网；安全稳定性；电能质量中图分类号：TM727；TP277文献标识码：A文章编号：1004-9649（2009）07-0026-05收稿日期：2009-02-05左文霞（1985—），女，湖北仙桃人，硕士，助理工程师，从事配电系统相关方向研究。

E -mail ：zuowenwen1985@0引言微电网是由一系列分布式发电（DistributedGeneration ，DG ）系统、储能系统和负荷组成的微型电力网，根据需要可选择与配电网并网运行也可选择独立运行。

相对传统的输配电网，微电网的结构比较灵活。

网内微电源与用户直接相连，安装在用户区域，由电力电子技术提供所需要的控制和接口。

微电网系统与外部电网通过隔离装置连接。

网内潮流和电压控制器通过能量管理系统在允许的范围内调节潮流和母线电压。

当负载变化时，本地微电源自行调节功率输出。

正常工作模式下，微电网与公共系统并联运行，可以通过合理的控制使得微电网相当于配电网的一个恒定负荷；当公共系统出现故障或者电能质量达不到要求时，微电网可以通过隔离装置与外部电网隔离而孤立运行。

故障清除后，微电网需平滑与外部电网重新同步，实现正常并网运行［1］。

近年来，欧洲、美国、日本、加拿大等国都已开展微电网研究开发及示范工程建设工作［2］。

目前，国内多在分布式发电和分布式储能方面开展研究。

对分布式发电运行的研究，多与配电系统相联系，研究分布式发电在电力系统中的应用等，对微电网的研究基本处在起步阶段。

1需要研究的问题1.1微电源1.1.1分布式电源与分布式储能技术分布式电源主要包括可再生能源发电设备，如太阳能光伏发电、风力发电、燃料电池、微型燃气轮机和内燃机等。

可再生能源一般都有分散性和规模不大的特点，且受到自然条件的制约，因而需要储能装置储存其富裕能量。

另外，基于逆变器的分布式发电装置没有大型的转子因而不能满足瞬时功率变化的要求，包含大量微电源的微电网系统运行在孤岛模式下需要有储能装置来保证能量平衡［3］。

目前用于电力系统的储能技术主要有超导储能、蓄电池储能、超级电容器储能和飞轮储能等。

储能有多种形式，如在每个微电源的直流母线上安装储能电池组或者超级电容器，直接连接交流储能装置（带逆变器的交流电池组、飞轮）等，需要根据系统稳定的需求来选择储能方式。

美国电能可靠性技术解决方案研究协会（CERTS ：the Consortium forElectric Reliability Technology Solutions ）研究的微电网通过在每个微电源的直流侧母线上安装直流储能装置来保证供电可靠性，同时，安装一个附加电源，从而保证任一元件故障时微电网仍然能正常运行［4］。

1.1.2电力电子接口微电源通过电力电子装置与微电网连接或隔离，各DG 单元均由电力电子装置提供所需要的控制接口。

（1）DG 与微电网连接的逆变装置：大多数DG 装置接入交流系统时，需要相关的逆变、整流及滤波装置。

DG 逆变器的主回路控制上具有如下环节：a.内环电流/电压控制回路；b.外环有功、无功功率控制回路；c.DG 与外部电网的同步控制；d.保护及故障短路的电流抑制功能［1］。

通过对基于电压源逆变中国电力ELECTRIC POWER第42卷第7期2009年7月Vol ．42，No．7Jul.2009左文霞等：微电网技术及发展概况第7期电力系统（微电网及分布式发电专栏）器输出电流闭环控制的DG入网接口装置简化模型的分析可知，当系统频率低于逆变装置电流控制器的频带宽度时，DG系统相当于一个电压源；而当系统频率高于电流控制器的带宽时，DG系统相当于一个电流源［5］。

（2）微电网与外部电网连接的隔离装置：静态开关在微电网和配电网的接口方面起着关键作用。

CERTS微电网研究报告指出，静态开关的任务是一旦电能质量开始恶化，就将敏感负荷从电网中分离。

静态开关只分离敏感负荷，而不将微电网从电网中分离。

在多个电源同步运行的稳态情况下，有功功率总是从同步之前频率高的电源流向频率低的电源。

微电网切换到与外部电网并列运行时，同步需满足2个约束条件：a.开关端电压必须非常小（理想情况是零）；b.开关闭合后电流必须是从公用电网流向微电网［4］。

1.2控制和保护问题1.2.1控制电网以发电机转子惯性的形式储存较大的能量，系统的惯性使其能较好地适应负荷波动，而微电网的电源控制大多是基于电力电子的，电源缺少惯性，克服扰动的能力也较弱。

特别是在微电网孤立运行时，所有负荷都由DG平衡，微电网的稳定就成为关键问题。

此外，传统电网有调度中心对整个系统进行统一协调，而对微电网而言，难以寻求中心控制点对整个系统作出快速反应并进行相应控制，微电网的控制应尽可能基于本地信息。

因此，如何协调微电网中各DG并进行合理的控制，是微电网安全、可靠运行的关键，其中重点是对电压和频率的控制。

与传统电网的控制理论相似，通过合理控制有功和无功流动即可控制频率和电压的稳定。

目前有2种基本控制方法，其一为频率-有功、电压-无功下垂曲线法；其二是模块控制法，即采用不同控制模块对有功、无功分别进行控制。

微电网的控制主要包括以下6点：（1）正常联网运行时，如何响应并为系统提供附加服务功能；（2）有功及无功功率的匹配及能源利用的优化；（3）电能质量控制；（4）保护及限流；（5）通信及协调；（6）自检及主/从控制［1］。

对于多母线微电网系统，可以采用一种统一控制器进行控制［6］，该控制器和微电网中各DG系统均包含用于调节三相联网逆变器的内环电压/电流回路及外环电能控制回路，用来控制有功、无功潮流，以及当公共电网故障、微电网孤立运行情况下各DG系统之间的电能共享。

利用分布式发电控制器可对微电网各DG单元进行有功及无功控制；其控制和管理可基于本地测得的信号，而无需与外界通信。

对各DG单元的有功控制是基于频率下垂特性和附加的频率恢复法，可以采用一种小信号动态建模方法对含有多个DG单元的微电网进行建模，包括有功和无功管理。

1.2.2保护分布式发电和微电网的出现使得放射式的配电网络变为一遍布电源和用户互联的网络，潮流不再从变电站母线单向流向负荷。

配电网的这种变化使得电网各种保护定值与保护机理都发生了较大变化。

微电网保护需要研究孤岛和联网2种运行模式下各种故障的保护问题，原则是对孤岛和联网模式采用同样的保护策略。

美国CERTS微电网通过静态开关与主网连接，静态开关可以开断所有故障。

微电网内的故障需要通过采用不依赖较大故障电流的方法来切除。

CERTS微电网研究认为，保护功能应该成为微电源的一部分，并具备即插即用功能［4］。

分布式电源并网变压器的接线方式直接影响公用电网的过电压及其保护装置［7］。

另外配电网中的同步和异步电机对保护定值也存在一定影响，DG 并网会影响故障切除时间［8］。

通过对保险丝-保险丝、保险丝-自动重合闸、继电器-继电器3类保护装置的配合问题进行分析发现，配合的协调性取决于DG的容量及其位置分布［9］。

微电网接地需要考虑孤岛和联网2种运行模式下故障时，微电网中故障电流的分布状态。

TN-C-S接地系统（上一部分用TN-C，即保护中性线方式；下一部分用TN-S，即工作零线和专用保护线分开的方式）或TT接地系统（电气设备的金属外壳直接接地系统）是最适合用于微电网中性点的接地方式。

利用分布式系统的寄生阻抗来判断系统是否接地是一种检测DG系统接地的新技术，该技术为运行时未正确接地的DG提供了可靠、灵敏、快速的保护［10］。

随着大量DG及微电网参与供电，在DG及微电网频繁投切和线路潮流方向频繁改变的情况下，如何对配电网继电保护装置进行整定和协调，将是一个非常重要的研究课题。

另外，研究微电网保护接地技术，开发合理的接地和保护方案，从而为微电网安全运行及故障检测、微电网隔离及孤立运行提供技术保障也十分必要。

1.3DG及微电网对大电网特性的影响研究配电网中引入少量分布式电源对整个电网并不会产生太大的影响，然而当电网中存在较多DG单元或者大容量的DG单元或微电网时，将会对系统的暂态稳定、动态稳定、电压稳定、频率稳定、电压波形、电压闪变、谐波、短路电流、有功及无功潮流、网损等诸多方面造成较大影响，如果控制不当可能会影响系统稳定，导致电能质量恶化，破坏系统的安全、可靠运行。

因此有必要针对含有DG及微电网的电网进行系统稳定、电能质量、第42卷中国电力电力系统（微电网及分布式发电专栏）统网损等一系列问题的研究。

1.3.1稳定性分析微电网与外部电网并联运行会对外部电网稳定造成影响。

而当微电网与外部电网切断时，微电网需要平滑地从并网运行模式过渡到独立运行模式，这种情况下的系统稳定问题也需要研究。

对包含多DG 系统的配电系统稳定性分析有2种方法：一种是基于复杂动态模型方法，采用Prony 算法，定义信号留数作为评价系统稳定性的基准；另一种方法是通过改变参数观察系统稳定极限的变化，定义系统的稳定极限作为评价系统稳定性的基准。

分析表明，DG 的惯性对系统的稳定性不利，但DG 的电压控制及某些类型分布式电源的负载对系统稳定性是有利的［11］。

分布式电源或微电网接入配电系统，有以下原因影响配电系统电压控制：（1）现有的自动电压控制器用于控制无源配电网电压幅值；（2）DG 系统一般远离主变电站，在主变电站实现电压控制较困难，如变电站到发电机之间的线路阻抗大、负荷密度低，电压控制可能无法实现；（3）如果接于馈线的分布式电源容量大于馈电回路的总负荷量，通过降压变压器的潮流将反向，致使变压器低压侧成为电源；（4）分布式发电装置的类型（同步机、异步机）及运行条件影响电压控制［12］。

影响微电网稳定的主要因素是微电源和储能系统的控制策略、负荷类型、故障位置以及发电机惯性常量等。

对一般运行情况，微电网的控制装置只能通过本地信息来控制微电源和储能装置。

微电源和储能装置可行的控制策略有：（1）P -Q 控制；（2）下垂控制；（3）频率/电压控制。

仿真研究表明，对于以飞轮作为储能系统的微电网，恒定P -Q 负载以及阻抗性负载对微电网稳定性没有影响，而具有较大惯性常量的电动机会提高微电网稳定性，另外，主网的故障对微电网稳定性的影响最为显著。