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1、微网与分布式发电,B组 罗静 刘帆 尤菁 张蕊 鱼晶莉,一、 分布式发电二、 微电网的提出三、 微电网基本结构四、 微电网的两种运行方式及控制策略五、 微电网中的关键问题及相关研究六、 微电网的发展前景,（一）分布式发电,随着国民经济的发展，电力需求迅速增长，电力部门大多把投资集中在火电、水电以及核电等大型集中电源和超高压远距离输电网的建设上。形成了以大机组、大电网和高电压为主要特征的集中式单一供电系统。一方面，随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益凸现，尤其近几年来世界范围内接连发生几次大面积停电事故，其缺陷充分暴露出来。成本高，运行难度大，难以适应用户越来越高的安全和可靠性要
2、求以及多样化的供电需求。,另一方面，随着现今社会对能源需求的增加，可供利用的煤炭、石油等一次能源越来越少，而且诸如煤炭、石油、核电等在发电过程中都会对环境造成严重污染。环境问题以及能源危机已成为当今世界的两大难题，人们越来越关注生态环境的保护以及能源的可持续发展。为保护环境，避免能源危机，开发可再生能源成了新兴的研究课题。 一次能源的日益枯竭，环境的恶化。大电网自身的缺陷以及全球电力市场化改革的进行，促使分布式发电技术（Distributed GenerationDG）成为电力系统中新的研究热点。,分布式发电的定义及特点,分布式发电的定义 分布式发电也称为分散式发电，一般指将相对小型的发电装置
3、(一般50MW以下)分散布置在用户(负荷)现场或用户附近的发电(供能)方式。，如光伏电池（PV Panel）、燃料电池（Fuel Cell）、燃气轮机(Micro turbine)、风能发电装置(WindTurbine)等分布式发电的特点 分布式电源能源多样化、可再生、无污染，位置灵活、分散，极好的适应了分散电力需求；节省输变电投资和运行费用，减少集中输电的线路损耗，延缓了输配电网升级以及因短时的峰荷而造成的巨额投资。同时和大电网互补提高了供电可靠性。,（二）微电网的提出,分布式电源尽管优点突出，但具有不可控性及随机波动性，因此大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以期减小其对大电网
4、的冲击。 IEEEP1547对分布式能源的人网标准做了规定:当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行。这就大大限制了分布式能源效能的充分发挥。为协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益，研究人员提出了一种新的分布式能源组织方式和结构微网,微电网的定义,微型电网简称微电网或微网（Micro grid）是指内部负荷比较集中且含有DG装置的一个小电网，它是一种新型能源网络化供应与管理技术，能给可再生能源系统的接入提供便利、实现需求侧管理及现有能源的最大化利用它是大型电力系统的一部分，往往通过电力电子装置连接到电网运行；同时由于其可以自行管理内部能量供求
5、关系，因此微电网还可以脱离电网而独立运行。主要的特点: 对等 即插即用,1）一般通过单点接入大电网，即从电网端看进去微网是一个可控发电单元或者负荷。这样可以充分利用微网内各种分布式电源的互补性，能源的利用更加充分，并且减少各类分布式电源直接接入电网后对大电网的影响。2）能运行在两种模式：联网模式和孤岛模式。3）微网中的分布式电源互相之间一般有一定的地理距离4）微网一般连接在低压配电网侧，其输电线路阻抗一般成阻性,微电网的特点,其中大多数微能源与电网的接口都要求是基于电力电子的，以保证微电网以单个系统方式运行的柔性和可靠性,基本单元,微电源,蓄能装置,控制系统以及电力负荷,（三）微电网的基本结构
6、,体现网络化供电和管理,上图是是美国 CERTS 给出的微电网结构。图中，微电网整体呈辐射状结构，在公共耦合点（PCC 点）通过一个静态开关（Static Switch）与主电网相连，实现由孤岛运行模式向并网运行模式的无缝切换。 当负荷变化时，潮流控制器可根据本地频率及电压信息进行潮流调节，调节 DG 的功率输出以保持功率平衡。能量管理器则综合解决电压控制、潮流控制和解列时的负荷分配、稳定及所有运行问题。,微型燃气轮机(MicroTurbine),内燃机(Gas Engine),燃料电池(Fuel Cel1),太阳能电池(PV Pane1),风力发电机(Wind Generator),生物质能
7、(Biomass Energy),发电装置,负荷,敏感负荷,可调节负荷,可中断负荷,能量管理器（Energy Manager）,潮流控制器（Power Flow Controller）,微网,上图，对于敏感负荷，采用光伏电池、微型燃气轮机、和燃料电池的混和供电，实现可靠性供电以及热电联供；可调节负荷仅采用微型燃气轮机供电；而对于可中断负荷则没有专门的微电源，而是由配电网直接供电。 同时，对于敏感负荷和可调节负荷还配置了电流差动保护和潮流控制器，外部故障时，静态开关会快速打开，实现并网模式向孤岛运行模式的平滑切换，不间断重要负荷的供电；而可中断负荷仅配有传统的并网装置，可根据电网功率平衡的需求，
8、必要时将其切除。,（四）微电网的两种运行方式及控制策略,并网运行时，微电网呈现配电网特性，即是配电网的一部分，配电网提供支持，其电压、频率都在允许范围内，微电网则根据网内功率匹配的情况从配电网吸收或输出能量。,孤岛运行模式下，即与配电网断开后，微电网继续向网内负荷供电，需要运行在稳定的电压和频率下，此时要求微电网的各电源之间相互配合，采用不同的控制方法来保持微电网运行于额定的电压和频率下，并保证微电网内部的功率平衡和电能质量。,微电网常用的两种运行方式 并网运行和孤岛运行,孤岛与孤岛运行,孤岛运行,计划孤岛运行：根据分布式电源（DG）的容量和故障前的运行状态、本地负荷的大小，事先确定合理的孤岛
9、区域，在与主系统断开后，能够保证小系统的稳定运行，称为计划孤岛。,非计划孤岛运行：DG 接入系统后，当有故障发生时，保护动作，断路器跳闸，这时，有可能形成 DG 单独带负荷运行的状态，这种运行状态是偶然的，范围也是不确定的，因此称为非计划孤岛运行。,定义为与主系统分离的一部分配电网络，由一个或多个 DG 独立供电，以一定的电压频率继续运行。,观点,非计划孤岛对电力系统的危害,反孤岛效应,观点,孤岛运行的利用,反孤岛效应是指禁止非计划孤岛运行的发生。由于这种运行状态的偶然、不确定性，将对电力系统造成一系列的不利影响，而且随着电网中 DG 比重的不断提高，其危险性也会逐渐增大。孤岛运行则增加了系统
10、保护和控制的难度，系统的安全稳定运行难以保证。,非计划孤岛的出现是不可预知的，带有偶然性和不确定性，会给电力系统的安全稳定运行带来一系列问题,孤岛运行的利用是指按预先配置的控制策略，有计划地形成孤岛，具体是在因电网故障或维修而造成供电中断时，由 DG 继续向周围负荷供电，从而减少因停电而带来的损失，以提高供电质量和可靠性。当微电网并网运行时，微电网根据网内功率匹配的情况从电网吸收或流出能量；而当电网故障、停电检修等原因造成与主电网的连接中断，微电网需要从并网运行模式无缝切换到孤岛运行模式，继续向微网内负荷供电。这样可以保证微网内负荷的供电可靠性。功率平衡下的孤岛检测问题，孤岛的划分，微电网的电
11、压频率的调节与控制，以及再并网都是微电网实用化的需要解决的问题。,孤岛检测,随着微电网的发展，孤岛发生的可能性越来越大，由于非计划孤岛对用户及系统的诸多不利影响，基于供电安全可靠的考虑，反孤岛保护是必需的。而反孤岛保护的重点就在于孤岛检测。孤岛检测是微电网孤岛运行的前提。一般我们采用 IEEE 指定的标准为主。孤岛检测的原理是：当负载与电源的功率不匹配程度足够大时，则可以引起电压、频率超限，从而检测出孤岛。根据分布式电源的检测原理，现有的孤岛检测方法分为三类：被动检测方法、主动检测方法及开关状态监测方法。其中，开关状态检测方法是依靠通信的方式检测开关状态，与DG的类型无关。,当电网故障或维修等
12、原因，产生孤岛后，由于是非计划孤岛，不一定能够稳定运行，当非计划孤岛检测到之后，就应当进行孤岛划分了。合理的孤岛划分可以充分利用 DG 的发电能力，实现孤岛模式与并网模式的无缝转换，提高供电可靠性。 孤岛划分实际上就是寻找合理的解列点。其原则是既能保证孤岛的稳定运行，又尽量使停电的损失最小。孤岛划分应考虑功率平衡、等级负荷、解列点少、易于恢复这四方面问题,孤岛划分,计划孤岛划分：即采用传统的解列方式，一般基于离线计算，预先确定解列点，由解列装置根据本地的信息量判断，确定是否动作以解列系统，使非计划孤岛转化为计划孤岛运行。,孤岛划分,动态孤岛划分：融合主动解列的概念，通过实时搜索孤岛区域，动态地
13、确定解列点和动作时序。,对等型，如前所述，微电网中的各个微电源之间都是平等的，不存在从属关系此方法主要基于外特性下降法（P-f，Q-V曲线），实现电压、频率的自动调节而无须借助于通信,主从型，即一个（或几个）微电源为主，检测电网中的各种电气量，根据电网的运行情况采取相应的调节手段，而其他电源为辅，根据需要控制输出的功率和电压来维持微电网内部的功率平衡，需要借助通信实现。两种方法各有优缺点，可根据不同的需要选择。,微电网常用的控制策略 对等型和主从型,微网控制的主要问题,由于微网有联网和孤岛两种运行模式，所以微网通常运行在三种状态：联网运行状态，孤岛运行状态和在两种运行状态之间切换的暂态。 运行
14、于联网模式时微网在与配电网连接时需满足配电网的接口要求，同时不参与主电网的操作。此时，微网应能实现减少电能短缺、提高当地电压质量和不造成电能质量的恶化等目标。运行于孤岛模式时，微网必须能维持自己的电压和频率。,（五）微电网中的关键问题及相关研究,一、电力电子技术方面,二、经济性方面,1、微电网的控制,2、微电网的保护,1、微电网系统设计的研究,2、经济效益的评估和量化,三、管理和市场方面,由微电网的结构分析可看到，微电网如此灵活的运行方式与高质量的供电服务，离不开完善的稳定与控制系统。控制问题也正是微电网研究中的一个难点问题。其中一个基本的技术难点在于微电网中的微电源数目太多，很难要求一个中心
15、控制点对整个系统做出快速反应并进行相应控制，往往一旦系统中某一控制元件故障或软件出错，就可能导致整个系统瘫痪。因此，微电网控制应该做到能够基于本地信息对电网中的事件做出自主反应，例如，对于电压跌落、故障、停电等，发电机应当利用本地信息自动转到独立运行方式，而不是像传统方式中由电网调度统一协调。,1、微电网的控制,具体来讲，微电网控制应当保证:任一微电源的接入不对系统造成影响;自主选择运行点;平滑地与电网并列、分离;对有功、无功进行独立控制;具有校正电压跌落和系统不平衡的能力。,经典的微电网控制方法:,基于电力电子技术的“即插即用”与“对等”的控制思想,基于功率管理系统的控制,基于多代理技术的微
16、电网控制方法,该方法根据微电网控制要求，灵活选择与传统发电机相类似的下垂特性曲线进行控制，将系统的不平衡功率动态分配给各机组承担，具有简单、可靠、易于实现的特点。但该方法没有考虑系统电压与频率的恢复问题，也就是类似传统发电机中的二次调整问题，因此，在微电网遭受严重扰动时，系统的频率质量可能无法保证。此外，该方法仅针对基于电力电子技术的微电源间的控制。,基于电力电子技术的“即插即用”与“对等”的控制思想,该方法采用不同控制模块对有功、无功分别进行控制，很好地满足了微电网多种控制的要求，尤其在调节功率平衡时，加入了频率恢复算法，能够很好地满足频率质量要求。另外，针对微电网中对无功的不同需求，功率管
17、理系统采用了多种控制方法，从而大大增加了控制的灵活性并提高了控制性能。但与第1种方法类似，这种方法只讨论了基于电力电子技术的机组间的协调控制，未综合考虑它们与含调速器的常规发电机间的协调控制。,基于功率管理系统的控制,基于多代理技术的微电网控制方法,该方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微电网控制系统。代理的自治性、反应能力、自发行为等特点，正好满足微电网分散控制的需要，提供了一个能够嵌人各种控制性能但又无需管理者经常出现的系统。但目前多代理技术在微电网中的应用多集中于协调市场交易、对能量进行管理方面，还未深人到对微电网中的频率、电压等进行控制的层面。要使多代理技术在微电网控制系统中发挥更大
18、作用，仍有大量研究工作需要进行。,微电网的保护问题与传统保护有着极大不同，典型表现有:潮流的双向流通;微电网在并网运行与独立运行2种工况下，短路电流大小不同且差异很大。 因此，如何在独立和并网2种运行工况下均能对微电网内部故障做出响应以及在并网情况下快速感知大电网故障，同时保证保护的选择性、快速性、灵敏性与可靠性，是微电网保护的关键，也是微电网保护的难点。,2、微电网的保护,传统的电流保护显然无法满足微电网保护的特殊要求。目前，针对单相接地故障与线间故障，有学者提出了基于对称电流分量检测的保护策略。该方法以超过一定阈值的零序电流分量和负序电流分量作为主保护的启动值，将传统的过电流保护与之结合可
19、取得良好的效果。 此外除了以上两点外微电源也是微电网技术的研究重点。虽然燃料电池、光伏发电、储能系统等在发挥微电网节能、降耗及环保效益方面具有极大潜力，但目前这些新型电源的成本仍然较高。加快对这些电源的技术研究、降低其成本也是增强微电网竞争力、推动其发展的有力因素。,二、经济性方面,微电网的经济性是微电网吸引用户并能在电力系统中得以推广的关键所在。在经济运行方面，微电网虽然可以从大电网的调度原则、电能交易、资源配置原则等方面借鉴众多经验，但微电网本身的许多独特之处也使得其经济运行问题带有自身特点。,从目前研究来看，微电网的经济性研究主要体现在2方面:1、微电网系统设计的研究 微电网的经济效益是
20、多方面的，但从用户来看，其效益主要集中于能源的高效利用和环保以及个性化电能供给的安全、可靠、优质2方面。2、经济效益的评估和量化 微电网的经济效益评估和量化是微电网吸引力最直接表达。虽然目前已有相关文献对微电网的热电联产效益及可靠性量化指标等进行评估，但至今尚无有效方法将微电网对用户、电力部门及社会的效益全面量化。,三、管理和市场方面,除了技术和经济上的问题外，微电网发展还有许多管理和政策上的障碍。灵活协调微电网内部的能量交换与管理，建立高效、公正、安全的市场机制，重新定位供电方、电网及用户三者的角色与责任，加紧制定相应的管理政策和法规等是当前及今后一段时期的努力方向。,（六）微电网的发展前景
21、,目前，中国尚未提出明确的微电网概念，但微电网的特点适应中国电力发展的需求与方向，在中国有着广阔的发展前景，具体体现在:微电网是中国发展可再生能源的有效形式。 “十一五”规划已将积极推动和鼓励可再生能源的发展作为中国的重点发展战略之一。一方面，充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、开发西部、解决农村用能及边远地区用电、进行生态建设等均具有重要意义;另一方面，中国可再生能源的发展潜力十分巨大。,微电网在提高中国电网的供电可靠性、改善电能质量方面具有重要作用。 中国的经济已进入数字化时代，优质、可靠的电力供应是经济高速发展的重要保障。在大电网的脆弱性日益凸显的情况下，将地理位置接近
22、的重要负荷组成微电网，设计合适的电路结构和控制，为这些负荷提供优质、可靠的电力，不仅可省去提高整体可靠性与电能质量所带来的不必要成本，还可减少这些重要负荷的停电经济损失，吸引更多的高新技术在中国发展。,微电网对于在中国发展热电联供有极大的指导意义。 目前，中国已建立了许多热电联供项目，而微电网研究中的资源配置与经济优化思想非常值得借鉴。如何就近选择合适容量的热力用户与电力用户组成微电网，并进行最佳的发电技术组合，对于中国提高能源利用效率、优化能源结构、 减少环境污染等具有重要意义。,微电网与大电网间灵活的并列运行方式可使微电网起到削峰填谷的作用，从而使整个电网的发电设备得以充分利用，实现经济运
23、行。 此外，对于中国已有的众多独立系统，在系统中加入基于电力电子技术的新能源并配以智能、灵活的控制方式，一方面可提高系统的智能化与自动化水平，另一方面也可为企业带来可观的经济效益。 通过上述分析可以清楚地看到，作为大电网的有效补充与分布式能源的有效利用形式，微电网已引起各国科学家的广泛关注。虽然将其实用化还有许多问题尚待解决，但毫无疑问，微电网的发展潜力十分巨大。,主要参考文献1鲁宗相 微电网研究综述 清华大学电机系 200710102肖朝霞 微网控制及运行特性分析 天津大学 2008073 Basu, A.K. ; Chowdhury, S.P. ; Chowdhury, S. “Reliability Study of A Micro-Grid Power System” Universities Power Engineering Conference, 2008. UPEC 2008. 43rd International .2008(9):1 44吴闻婧 分布式电源并网运行的参数监测装置的研究与开发 燕山大学5牛冲宣 微电网的孤岛检测与孤岛划分 天津大学 200806,谢谢！,
