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(jìn)行定義，并結(jié)合負(fù)載、分布式能源（包括存儲(chǔ)）以及特定的控制功能。

其實(shí)現(xiàn)需要新的技術(shù)，以使分布式能源圍繞一個(gè)共同目標(biāo)進(jìn)行協(xié)作、分析戰(zhàn)略以優(yōu)化互連系統(tǒng)的運(yùn)作和管理，或緩解雙向電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)局限。

內(nèi)容概要

當(dāng)前和未來的技術(shù)

確保安全和可靠的運(yùn)行

控制分布式能源

優(yōu)化能源流

當(dāng)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(dú)立的功能組件。實(shí)際上，其通常組成部分為：

a)一個(gè)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(gè)分布式能源）、一個(gè)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(fèi)者。

b)傳感器、儀表和網(wǎng)絡(luò)保護(hù)

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(gè)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(yùn)營商對(duì)接

f)云決策服務(wù)，例如費(fèi)用管理、需量電費(fèi)優(yōu)化、需求響應(yīng)、自消費(fèi)、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(shí)現(xiàn)旨在順應(yīng)全球性的能源期望，例如復(fù)原力、經(jīng)濟(jì)性、安全性和CO2減排。這些期望的優(yōu)先級(jí)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(hù)創(chuàng)新方面的技術(shù)進(jìn)步，來滿足具體的性能目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)分布式能源圍繞共同目標(biāo)進(jìn)行協(xié)作的目的。

確保安全和可靠的運(yùn)行

保護(hù)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(yùn)行的能力為保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來新的挑戰(zhàn)。

微電網(wǎng)根據(jù)分布式發(fā)電的實(shí)時(shí)生產(chǎn)力、微電網(wǎng)配置（并網(wǎng)運(yùn)行或孤島運(yùn)行），以及實(shí)時(shí)功率需求（負(fù)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(yùn)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(yīng)，儲(chǔ)能充電

C.由本地能源和儲(chǔ)能供應(yīng)（孤島模式）

隨著微電網(wǎng)運(yùn)行條件的改變，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(hù)系統(tǒng)必須經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以便在各個(gè)運(yùn)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(shí)避免因錯(cuò)誤的保護(hù)識(shí)別而導(dǎo)致宕機(jī)。

特別應(yīng)當(dāng)注意的是，微電網(wǎng)往往都是多源系統(tǒng)，同時(shí)擁有旋轉(zhuǎn)和電力電子式電源。保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性來源于這些電源可以并行供應(yīng)，也可以單獨(dú)運(yùn)行。

第一個(gè)挑戰(zhàn)是應(yīng)對(duì)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(fēng)力渦輪機(jī)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(hù)逆變器本身。因此，短路電流容量低于類似的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，由此可能對(duì)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(hù)理論可能會(huì)失效，需要建立其他保護(hù)策略。

保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的另一挑戰(zhàn)是對(duì)雙向能量流的響應(yīng)。隨著能源資源被分配后，電力一般會(huì)同時(shí)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(chǔ)能也許會(huì)向微電網(wǎng)的主電源或主電網(wǎng)供電）傳輸。

因此，針對(duì)具體項(xiàng)目的電氣工程研究必不可少，以詳細(xì)說明要使用的保護(hù)和計(jì)量裝置。

電能質(zhì)量相關(guān)細(xì)節(jié)

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

在微電網(wǎng)應(yīng)用中，電能質(zhì)量的測(cè)量更加重要。應(yīng)對(duì)下列特定電能質(zhì)量問題進(jìn)行監(jiān)測(cè)，、分析，并使其保持在正常運(yùn)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(fù)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(huì)產(chǎn)生額外的諧波污染，如果沒有得到恰當(dāng)監(jiān)測(cè)和恰當(dāng)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(shí)很穩(wěn)定，頻率很少變化，特別是在電網(wǎng)強(qiáng)大且密集的國家。然而，當(dāng)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，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(cè)。

瞬變：配置和運(yùn)行模式發(fā)生變化時(shí)，可能會(huì)發(fā)生瞬變。應(yīng)對(duì)瞬變進(jìn)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(jī)的主要原因。驟降和驟升應(yīng)通過充分的監(jiān)測(cè)功能得到監(jiān)測(cè)、記錄和本地化，例如擾動(dòng)方向檢測(cè)功能。

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

能源可靠性大多數(shù)時(shí)候都取決于能源、儲(chǔ)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(jìn)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(shí)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(yīng)對(duì)由短路、電機(jī)起動(dòng)、負(fù)荷變化，或任何配電網(wǎng)故障或停電引起的不可控瞬變。對(duì)于電力系統(tǒng)，這意味著需要非?？斓捻憫?yīng)速度。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(dòng)方式，并觀察由快速內(nèi)部控制導(dǎo)致的反射行為。

由同步發(fā)電機(jī)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(shí)上，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和磁力設(shè)計(jì)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(shí)候，與其他并聯(lián)電壓源適當(dāng)?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(shí)現(xiàn)的，此回路可通過下垂功能自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)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(fēng)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(jī)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(jī)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?yàn)樗鼈兏静荒芤揽孔约寒a(chǎn)生電網(wǎng)電壓。

和同步電機(jī)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(shí)，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(jī)相結(jié)合時(shí)，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(jī)快很多。這種快速響應(yīng)時(shí)間通常會(huì)使它們?cè)谛D(zhuǎn)電機(jī)調(diào)節(jié)之前做出反應(yīng)，由此可能導(dǎo)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(qiáng)大的逆變發(fā)電機(jī)控制回路的設(shè)計(jì)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(dú)立模式運(yùn)行，或與其他能源來源（包括傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)）并聯(lián)運(yùn)行的情況下維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定。

利用逆變發(fā)電機(jī)（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(jī)通常包括：

一種可再生分布式能源（例如太陽能光伏板、風(fēng)力或水輪機(jī)）

一臺(tái)電子逆變器，內(nèi)置先進(jìn)的電壓和頻率控制回路

一種名為電力存儲(chǔ)的能量來源，用于使瞬時(shí)可再生發(fā)電與實(shí)際負(fù)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(jī)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(jī)（VSG）概念就使用了綜合模式，模擬真機(jī)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(chǔ)關(guān)聯(lián)使VSG能夠提供“類似旋轉(zhuǎn)”的儲(chǔ)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(shí)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(jìn)行控制。這些“次要”調(diào)節(jié)負(fù)責(zé)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(jī)的同時(shí)保持充足的電力儲(chǔ)存水平。

這項(xiàng)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(jī)”混合發(fā)電結(jié)構(gòu)提供較低的燃油消耗，上可至存儲(chǔ)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(jī)

優(yōu)化能源流

優(yōu)化的能源控制

微電網(wǎng)控制器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。這個(gè)協(xié)調(diào)層管理本地發(fā)電和存儲(chǔ)功能、負(fù)載管理和電網(wǎng)服務(wù)，以達(dá)到能源成本、二氧化碳排放和可靠性相關(guān)的預(yù)期目標(biāo)。

以下例子說明了能源優(yōu)化及其在實(shí)踐中的意義：

由太陽能光伏、熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）和儲(chǔ)能器組成的微電網(wǎng)為一幢較高的校園建筑供電。天氣預(yù)報(bào)稱下午的太陽輻射很強(qiáng)，天然氣供應(yīng)商設(shè)定下午2點(diǎn)以后提高電費(fèi)，而且今天是星期五，人們通常會(huì)在下午6點(diǎn)前下班。微電網(wǎng)控制器可以決定最大功率開動(dòng)熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機(jī)，在為電池充電的同時(shí)，也為校園建筑供熱，直到下午2點(diǎn)。然后關(guān)閉CHP，在余下的下午時(shí)間段運(yùn)行電池和太陽能光伏，擁有足夠能源來提供預(yù)期平均負(fù)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(jìn)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(dòng)預(yù)測(cè)和資產(chǎn)調(diào)度，以在其定義限制下實(shí)現(xiàn)運(yùn)營目標(biāo)。微電網(wǎng)的運(yùn)行環(huán)境會(huì)根據(jù)事件發(fā)生改變，例如惡劣天氣、設(shè)備無響應(yīng)、意外孤島、系統(tǒng)重構(gòu)，或大幅負(fù)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(dòng)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(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)控制器的高效運(yùn)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(wù)進(jìn)行交互，以運(yùn)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(diǎn)在于能夠管理邏輯輸入/輸出，以及與普通的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)接（例如Modbus）。但這通常需要為單個(gè)項(xiàng)目開發(fā)專門設(shè)計(jì)的工程解決方案。

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

1.提供自然冗余和即插即用行為，從而提高可靠性和可擴(kuò)展性

2.借助邊界優(yōu)化智能提高本地運(yùn)行性能

3.推動(dòng)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(huì)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(jìn)步促成了微電網(wǎng)的面世。太陽能發(fā)電和可部署儲(chǔ)能等分布式能源領(lǐng)域的實(shí)質(zhì)性進(jìn)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(yùn)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(biāo)進(jìn)行協(xié)作需要多個(gè)控制層。

優(yōu)化微電網(wǎng)運(yùn)行和管理的計(jì)算策略取決于整個(gè)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(jìn)可再生能源逆變器的性能和/或保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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

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