微電網(wǎng)是互相連接的本地能源系統(tǒng)，可能成為新能源轉(zhuǎn)型的基石。在電氣領(lǐng)域中，微電網(wǎng)在邊界中進行定義，并結(jié)合負載、分布式能源（包括存儲）以及特定的控制功能。

其實現(xiàn)需要新的技術(shù)，以使分布式能源圍繞一個共同目標進行協(xié)作、分析戰(zhàn)略以優(yōu)化互連系統(tǒng)的運作和管理，或緩解雙向電力系統(tǒng)的設(shè)計局限。

內(nèi)容概要

當前和未來的技術(shù)

確保安全和可靠的運行

控制分布式能源

優(yōu)化能源流

當前和未來的技術(shù)

微電網(wǎng)來自互相協(xié)作的子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，而非獨立的功能組件。實際上，其通常組成部分為：

a)一個能源網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，包括發(fā)電設(shè)備（通常是多個分布式能源）、一個能源分配網(wǎng)絡(luò)、以及臨界水平和配置各不相同的能源使用者/消費者。

b)傳感器、儀表和網(wǎng)絡(luò)保護

c)分布式能源（DER）水平的控件

d)微電網(wǎng)管理水平的控件，從而優(yōu)化整個系統(tǒng)

e)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)，從而與微電網(wǎng)運營商對接

f)云決策服務，例如費用管理、需量電費優(yōu)化、需求響應、自消費、停電管理、二氧化碳（CO2）減排等等。

圖1微電網(wǎng)功能架構(gòu)，從電網(wǎng)到云

微電網(wǎng)的實現(xiàn)旨在順應全球性的能源期望，例如復原力、經(jīng)濟性、安全性和CO2減排。這些期望的優(yōu)先級取決于微電網(wǎng)類別，以及不同組件的相關(guān)技術(shù)特性。但無論何種情況下，都必須通過系統(tǒng)控制和保護創(chuàng)新方面的技術(shù)進步，來滿足具體的性能目標，以實現(xiàn)分布式能源圍繞共同目標進行協(xié)作的目的。

確保安全和可靠的運行

保護策略的特定約束

在微電網(wǎng)中，本地分布式發(fā)電以及脫離主電網(wǎng)孤島運行的能力為保護系統(tǒng)的設(shè)計帶來新的挑戰(zhàn)。

微電網(wǎng)根據(jù)分布式發(fā)電的實時生產(chǎn)力、微電網(wǎng)配置（并網(wǎng)運行或孤島運行），以及實時功率需求（負荷配置）分為不同的操作模式，如圖2A、2B和2C所示。

圖2A、2B、2C微電網(wǎng)運行模式示例

A.僅由電網(wǎng)供電

B.由電網(wǎng)和本地能源并行供應，儲能充電

C.由本地能源和儲能供應（孤島模式）

隨著微電網(wǎng)運行條件的改變，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化。因此，短路電流容量的大小和方向都可能不同。保護系統(tǒng)必須經(jīng)過精心設(shè)計，以便在各個運行模式所有可能出現(xiàn)的故障情況中確保人員和設(shè)備的安全，同時避免因錯誤的保護識別而導致宕機。

特別應當注意的是，微電網(wǎng)往往都是多源系統(tǒng)，同時擁有旋轉(zhuǎn)和電力電子式電源。保護系統(tǒng)設(shè)計的復雜性來源于這些電源可以并行供應，也可以單獨運行。

第一個挑戰(zhàn)是應對低短路電流容量。許多分布式能源，例如太陽能光伏（PV）板或風力渦輪機都通過逆變器耦合。這些逆變器的短路電流大小限值通常不得大幅高于額定電流，以保護逆變器本身。因此，短路電流容量低于類似的旋轉(zhuǎn)電機，由此可能對僅包含逆變器能源的孤島模式帶來問題。依賴于更高的可用短路電流的傳統(tǒng)過電流保護理論可能會失效，需要建立其他保護策略。

保護系統(tǒng)設(shè)計面臨的另一挑戰(zhàn)是對雙向能量流的響應。隨著能源資源被分配后，電力一般會同時自上而下（從發(fā)電廠到用戶端）和自下而上（分布式能源和儲能也許會向微電網(wǎng)的主電源或主電網(wǎng)供電）傳輸。

因此，針對具體項目的電氣工程研究必不可少，以詳細說明要使用的保護和計量裝置。

電能質(zhì)量相關(guān)細節(jié)

微電網(wǎng)能夠?qū)崟r平衡發(fā)電量和需求。這需要快速而準確地測量有功功率和無功功率、頻率、電流和電壓電平，以實現(xiàn)適當?shù)碾娔苜|(zhì)量控制和自動化操作。

在微電網(wǎng)應用中，電能質(zhì)量的測量更加重要。應對下列特定電能質(zhì)量問題進行監(jiān)測，、分析，并使其保持在正常運行范圍內(nèi)。

諧波：諧波的產(chǎn)生和相互作用要比諧波的主要來源通常是電子負載和設(shè)備的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更需重視。在微電網(wǎng)中，逆變器式分布式能源會產(chǎn)生額外的諧波污染，如果沒有得到恰當監(jiān)測和恰當處理，諧波水平可能大幅提升。

頻率變化：通常來說，微電網(wǎng)頻率在連接到主電網(wǎng)時很穩(wěn)定，頻率很少變化，特別是在電網(wǎng)強大且密集的國家。然而，當微電網(wǎng)孤島運行時，由于系統(tǒng)中的剛性發(fā)電源減少，頻率變化可能變得更為關(guān)鍵，需要密切監(jiān)測。

瞬變：配置和運行模式發(fā)生變化時，可能會發(fā)生瞬變。應對瞬變進行捕獲和分析，以發(fā)掘任何可能的根本原因。

電壓驟降和驟升是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和微電網(wǎng)意外停機的主要原因。驟降和驟升應通過充分的監(jiān)測功能得到監(jiān)測、記錄和本地化，例如擾動方向檢測功能。

圖3電能質(zhì)量的測量是保證微電網(wǎng)控制、可靠性和標準合規(guī)性的關(guān)鍵。

能源可靠性大多數(shù)時候都取決于能源、儲能和電網(wǎng)之間的聯(lián)系，而非分布式能源（DER）。分布式能源需要通過可靠的方法進行協(xié)作，從而保持穩(wěn)定的頻率和電壓。這是孤島式微電網(wǎng)的本質(zhì)，并成為互連微電網(wǎng)支持主電網(wǎng)穩(wěn)定性時的要求。

控制分布式能源

電力控制的穩(wěn)定性

穩(wěn)定的電力系統(tǒng)必須能夠穩(wěn)健應對由短路、電機起動、負荷變化，或任何配電網(wǎng)故障或停電引起的不可控瞬變。對于電力系統(tǒng)，這意味著需要非?？斓捻憫俣?。因此，維持微電網(wǎng)穩(wěn)定性的第一步，是理解分布式能源互相之間的自然互動方式，并觀察由快速內(nèi)部控制導致的反射行為。

由同步發(fā)電機構(gòu)成的傳統(tǒng)的發(fā)電廠自然形成電網(wǎng)。這是一套行之有效的發(fā)電系統(tǒng)，歸功于物理性能和控制邏輯的配合，即使電網(wǎng)電壓發(fā)生瞬變，也可以提供穩(wěn)定的頻率和電壓。事實上，同步電機的轉(zhuǎn)動慣量和磁力設(shè)計使它們能夠自然地形成電網(wǎng)，并在發(fā)生電網(wǎng)瞬變的時候，與其他并聯(lián)電壓源適當?shù)胤窒砉ぷ髁浚幢３滞剑?。這是通過速度和電壓控制回路實現(xiàn)的，此回路可通過下垂功能自動調(diào)節(jié)發(fā)電機的功率。

大多數(shù)分布式電源使用逆變器來接入電網(wǎng)（太陽能光伏、風力、電池、燃料電池等）。這些逆變器現(xiàn)今最常見的內(nèi)部控制名為“并網(wǎng)”，意味著依賴于其他發(fā)電機來產(chǎn)生電網(wǎng)電壓和穩(wěn)定頻率。該方案旨在為主電網(wǎng)提供有功功率和無功功率，或用于可再生能源滲透率低的微電網(wǎng)中。但是，如果我們想以大多數(shù)逆變器發(fā)電機為基礎(chǔ)搭建電力系統(tǒng)，那么這種并網(wǎng)模式就不行了，首先是因為它們根本不能依靠自己產(chǎn)生電網(wǎng)電壓。

和同步電機不同，如果想要將那些逆變器，作為可以與其他電網(wǎng)構(gòu)成單位并行的組網(wǎng)分布式能源使用時，我們將面臨新的挑戰(zhàn)。將逆變式可再生發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電機相結(jié)合時，這將變得特別困難。除了可再生能源自帶的間歇性以外，逆變器不具有轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間的天然慣性連接。逆變器控制回路不但耐受過電流能力差，而且要比旋轉(zhuǎn)電機快很多。這種快速響應時間通常會使它們在旋轉(zhuǎn)電機調(diào)節(jié)之前做出反應，由此可能導致電流飽和、無法同步，并最終斷開連接等問題。這就是為什么強大的逆變發(fā)電機控制回路的設(shè)計是確保微電網(wǎng)穩(wěn)定性面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

最近推出的逆變器能夠提供真正的分布式能源組網(wǎng)功能，能夠在以獨立模式運行，或與其他能源來源（包括傳統(tǒng)發(fā)電機）并聯(lián)運行的情況下維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定。

利用逆變發(fā)電機（IBG）的創(chuàng)新概念可以幫助克服此前提到的穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。這些逆變式發(fā)電機通常包括：

一種可再生分布式能源（例如太陽能光伏板、風力或水輪機）

一臺電子逆變器，內(nèi)置先進的電壓和頻率控制回路

一種名為電力存儲的能量來源，用于使瞬時可再生發(fā)電與實際負荷需求脫鉤，從而平穩(wěn)可再生能源的易變性

將此類IBG與傳統(tǒng)的發(fā)電機相結(jié)合，將幫助解決大多數(shù)微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性相關(guān)的問題。

例如，虛擬同步發(fā)電機（VSG）概念就使用了綜合模式，模擬真機的物理行為，從其自然構(gòu)成電網(wǎng)的屬性中受益。與電力存儲關(guān)聯(lián)使VSG能夠提供“類似旋轉(zhuǎn)”的儲備，以確保微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

此類VSG可以通過現(xiàn)有的電氣架構(gòu)和現(xiàn)有的控制策略實現(xiàn)。

為保證電力的長期穩(wěn)定和可用性，IBG還需要通過特殊的電力管理算法進行控制。這些“次要”調(diào)節(jié)負責平衡DER之間的電力（例如傳統(tǒng)發(fā)電廠常用的電力共享模塊）。此外，這些調(diào)節(jié)能夠在關(guān)閉一些燃料發(fā)電機的同時保持充足的電力儲存水平。

這項新能力使可再生能源的廣泛采用和高度一體化成為可能，下可至基本的“太陽能+光伏—柴油機”混合發(fā)電結(jié)構(gòu)提供較低的燃油消耗，上可至存儲耦合式可再生DER的零排放微電網(wǎng)。

圖4傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器與逆變式發(fā)電機

優(yōu)化能源流

優(yōu)化的能源控制

微電網(wǎng)控制器負責整個系統(tǒng)的運行。這個協(xié)調(diào)層管理本地發(fā)電和存儲功能、負載管理和電網(wǎng)服務，以達到能源成本、二氧化碳排放和可靠性相關(guān)的預期目標。

以下例子說明了能源優(yōu)化及其在實踐中的意義：

由太陽能光伏、熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）和儲能器組成的微電網(wǎng)為一幢較高的校園建筑供電。天氣預報稱下午的太陽輻射很強，天然氣供應商設(shè)定下午2點以后提高電費，而且今天是星期五，人們通常會在下午6點前下班。微電網(wǎng)控制器可以決定最大功率開動熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機，在為電池充電的同時，也為校園建筑供熱，直到下午2點。然后關(guān)閉CHP，在余下的下午時間段運行電池和太陽能光伏，擁有足夠能源來提供預期平均負載，然后逐漸降低溫度至可接受的最低值，直到下午6:30。

系統(tǒng)優(yōu)化涉及云分析與先進的微電網(wǎng)控制器之間的協(xié)作。數(shù)據(jù)采集和情境智能用于提供自動預測和資產(chǎn)調(diào)度，以在其定義限制下實現(xiàn)運營目標。微電網(wǎng)的運行環(huán)境會根據(jù)事件發(fā)生改變，例如惡劣天氣、設(shè)備無響應、意外孤島、系統(tǒng)重構(gòu)，或大幅負載變化。這就是為什么微電網(wǎng)分析和控制系統(tǒng)需要具備動態(tài)和自治能力，以重新配置系統(tǒng)設(shè)置和算法，從而提供最高效的配置。

通過幾種技術(shù)解決方案可以實現(xiàn)微電網(wǎng)控制器的高效運行：

最直接的解決方案是使用中央控制器來收集操作信息，直接與SCADA或云服務進行交互，以運行優(yōu)化算法，將選定的策略部署到不同的互連資產(chǎn)上。該方案目前通常通過微電網(wǎng)控制器完成，其優(yōu)點在于能夠管理邏輯輸入/輸出，以及與普通的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)進行對接（例如Modbus）。但這通常需要為單個項目開發(fā)專門設(shè)計的工程解決方案。

第二種解決方案是實現(xiàn)分布式微電網(wǎng)控制器。這意味著每個組件都參與系統(tǒng)優(yōu)化，并直接與其同類進行協(xié)作。有趣的是，這已成為分布式智能發(fā)電機組控制制造商的典型解決方案，其中每個機組都會依據(jù)電網(wǎng)情況自主與其他組件互動。分布式控制的實施可能更具挑戰(zhàn)性，但同時也帶來了一些優(yōu)點：

1.提供自然冗余和即插即用行為，從而提高可靠性和可擴展性

2.借助邊界優(yōu)化智能提高本地運行性能

3.推動整合數(shù)據(jù)格式和用于系統(tǒng)優(yōu)化的交換協(xié)議

4.或者也可以綜合上述兩種解決方案。例如，在多設(shè)施微電網(wǎng)的情況下，將單設(shè)施微電網(wǎng)控制器（集中式操作）與多設(shè)施微電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)的分布式方法相結(jié)合，會獲得很好的效果。

圖5集中式與分布式微電網(wǎng)控制器架構(gòu)

結(jié)論

過去十年內(nèi)的重大技術(shù)進步促成了微電網(wǎng)的面世。太陽能發(fā)電和可部署儲能等分布式能源領(lǐng)域的實質(zhì)性進展，以及可操作的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境提供了全新的協(xié)作和優(yōu)化能力。

然而，這些系統(tǒng)在運行過程中也出現(xiàn)了具體的新問題：

確保分布式能源圍繞共享目標進行協(xié)作需要多個控制層。

優(yōu)化微電網(wǎng)運行和管理的計算策略取決于整個網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)和監(jiān)控系統(tǒng)。

雙向電流相關(guān)的技術(shù)限制，需要改進可再生能源逆變器的性能和/或保護系統(tǒng)的設(shè)計。

所有這些技術(shù)挑戰(zhàn)目前正在通過創(chuàng)新，以及實地驗證的經(jīng)驗加以解決。

原標題:新微電網(wǎng)技術(shù)如何在分布式能源中實現(xiàn)最佳協(xié)作?