一、微電網(wǎng)重出江湖之背景

 

今天的電網(wǎng)架構(gòu)和它一百多年前誕生之初并沒(méi)有什么本質(zhì)的不同。它的設(shè)計(jì)基于集中式結(jié)構(gòu)，幾個(gè)大型的發(fā)電廠生產(chǎn)電力，再通過(guò)電網(wǎng)輸送到幾百數(shù)千公里外的用戶側(cè)。

 

 

盡管有成熟的電力技術(shù)、復(fù)雜的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和備用設(shè)備作為保障，這種集中式的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)的靈活性和可靠性方面還是有所不足。在集中式的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，監(jiān)測(cè)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)在配電網(wǎng)層面相對(duì)較為薄弱，更何況在單個(gè)用戶的層面，所以這種中心網(wǎng)絡(luò)模型從根本上來(lái)說(shuō)缺少必要的對(duì)于用戶側(cè)的智能控制和管理能力。

 

其次，發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的變化也給電網(wǎng)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，例如新能源的大規(guī)模并網(wǎng)，電動(dòng)汽車，直流電源或負(fù)載等，這些因素在當(dāng)初電網(wǎng)設(shè)計(jì)的時(shí)候沒(méi)有得到充分的考慮，其引發(fā)的不良后果已經(jīng)顯現(xiàn)。以美國(guó)電力市場(chǎng)為例，如果僅僅在現(xiàn)有電網(wǎng)的基礎(chǔ)上大規(guī)模并入綠電，網(wǎng)絡(luò)擁塞是一個(gè)大問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致某些區(qū)域市場(chǎng)的邊際價(jià)格驟然增高，從而阻礙了風(fēng)電、家用光伏等新能源的進(jìn)一步并網(wǎng)。

 

再者，對(duì)于如此復(fù)雜龐大的電網(wǎng)，需要承擔(dān)高額的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，尤其是在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施老化的情況下。電網(wǎng)老化主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：電器設(shè)備老化（例如美國(guó)有超過(guò)50%的變電所變壓器運(yùn)行時(shí)間超過(guò)35年），系統(tǒng)布局老舊，施工管理過(guò)時(shí)，陳舊的問(wèn)題解決方案。

 

對(duì)于以上問(wèn)題，小型分布式發(fā)電并入電網(wǎng)是一個(gè)解決方案。事實(shí)上，這并不是它第一次出現(xiàn)在公眾的視野。19世紀(jì)末期電氣化的初始階段，愛(ài)迪生提出了建設(shè)小型直流電網(wǎng)的概念，但是由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，特斯拉的交流電網(wǎng)最終勝出，廣為流傳。現(xiàn)在微電網(wǎng)的回歸，相較于當(dāng)年愛(ài)迪生的版本，運(yùn)行靈活性、效率和可靠性都有顯著的提升，同時(shí)初投資和運(yùn)行費(fèi)用也降低了不少。此外，還增加了之前設(shè)計(jì)所不具有的技術(shù)，例如：電力電子接口，儲(chǔ)能設(shè)備，需求側(cè)管理以及智能控制。其中，電力電子技術(shù)可以說(shuō)是現(xiàn)代微網(wǎng)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

 

二、微電網(wǎng)的基本組成

 

 

微電網(wǎng)是指由分布式電源、用電負(fù)荷、配電設(shè)施、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成的小型發(fā)配用電系統(tǒng)（必要時(shí)含儲(chǔ)能裝置）。分為并網(wǎng)型微電網(wǎng)和獨(dú)立型微電網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)自我控制和自治管理。并網(wǎng)型微電網(wǎng)既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以離網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行；獨(dú)立型微電網(wǎng)不與外部電網(wǎng)連接，電力電量自我平衡。根據(jù)建設(shè)目的和經(jīng)濟(jì)環(huán)境的不同，微網(wǎng)的形狀結(jié)構(gòu)可能各不相同，但是它們的技術(shù)架構(gòu)大體類似。下面簡(jiǎn)要探討下微網(wǎng)的基本組成。

 

電源：在所有微電網(wǎng)系統(tǒng)中，最基本的組成部分是電源。電源要滿足微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的需求，例如容量，以及其他技術(shù)層面、經(jīng)濟(jì)層面的種種考慮。其中，分布式光伏受到廣泛關(guān)注。尤其是近年來(lái)光伏電池模塊價(jià)格的下降，讓基于分布式光伏的微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)可行性上升。

 

對(duì)于位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的基于光伏的微網(wǎng)來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)主要來(lái)自系統(tǒng)的維護(hù)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求。一方面，當(dāng)暴露在高溫高濕的環(huán)境中時(shí)，光伏電池的性能會(huì)下降。另一方面，由于能量來(lái)源（太陽(yáng)光）具有間斷性，儲(chǔ)能設(shè)備便必不可少，而它的投資占系統(tǒng)支出的很大一部分，對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性影響較大，并且光伏電池裝機(jī)容量越大，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量也要相應(yīng)增大。

 

除了分布式光伏，常見(jiàn)的能量來(lái)源還包括：分布式風(fēng)能，燃料電池，微型渦輪機(jī)，往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，以及其他分布式發(fā)電技術(shù)（小型水電，小型潮汐發(fā)電，小型波浪發(fā)電，地?zé)岚l(fā)電，分布式核能發(fā)電等）。

 

電力管理系統(tǒng)：電力管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)電力從電源輸送到用電設(shè)備。具體功能包括：一是，將電源處各形式的電能轉(zhuǎn)換成符合出所需要的形式，例如使用逆變器將光伏產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成通常負(fù)荷所需要的50Hz交流電。二是，作為儲(chǔ)能設(shè)備的界面，來(lái)使微網(wǎng)內(nèi)的電力供需達(dá)到平衡。現(xiàn)代微網(wǎng)通常融入了軟件和控制系統(tǒng)，例如智能電表，從而實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的高效和穩(wěn)定運(yùn)行。

 

儲(chǔ)能系統(tǒng)：儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)微網(wǎng)的重要性不言而喻。它可以讓微網(wǎng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的電力供需平衡，從而維持電壓和頻率的穩(wěn)定。也可保證用戶的用電需求隨時(shí)能得到滿足。微網(wǎng)系統(tǒng)中常見(jiàn)的儲(chǔ)能設(shè)備為：電池，燃料電池+電解池，超級(jí)電容以及飛輪等。

 

用電設(shè)備：微網(wǎng)中用電設(shè)備的電力來(lái)源是系統(tǒng)中全部的發(fā)電和儲(chǔ)能設(shè)備。綜合考量用電設(shè)備是很有必要的，因?yàn)樗鼈儧Q定了用電負(fù)荷在微網(wǎng)中的位置，相應(yīng)地也會(huì)影響發(fā)電裝機(jī)容量以及對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求。例如，對(duì)一個(gè)基于分布式光伏發(fā)電的微網(wǎng)來(lái)說(shuō)，為手機(jī)充電的負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)影響微乎其微，而開(kāi)啟電冰箱這樣的有長(zhǎng)期穩(wěn)定的用電設(shè)備則對(duì)系統(tǒng)管理用電負(fù)荷帶來(lái)了一定的困難。

 

對(duì)外連接：微網(wǎng)通常與大電網(wǎng)相連，從而實(shí)現(xiàn)之間的電力交換。這種類型的微電網(wǎng)在校園和醫(yī)院中十分常見(jiàn)。此外，電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)之一是使用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，將很多個(gè)微電網(wǎng)連接起來(lái)。

 

三、微電網(wǎng)的作用

 

1.就近消納，提高能源效率。微電網(wǎng)內(nèi)部的電來(lái)自于天然氣、光伏及風(fēng)電等分布式能源。在西北之類風(fēng)光資源充足的地方，修建大型風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站，用戶(工業(yè)園區(qū)、商業(yè)區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院甚至大型的地產(chǎn)項(xiàng)目)在接入小型的風(fēng)機(jī)、光伏、儲(chǔ)能、燃?xì)廨啓C(jī)等電源設(shè)備時(shí)，就能使電能就近消納，省去了在電網(wǎng)中傳輸?shù)膿p耗，提高了能源的使用效率。

 

2.單點(diǎn)連接，減少對(duì)大電網(wǎng)沖擊。微電網(wǎng)與電網(wǎng)系統(tǒng)之間電能交流，是通過(guò)微電網(wǎng)與電網(wǎng)系統(tǒng)的公共連接點(diǎn)連接，避免了多個(gè)分布式電源與電網(wǎng)系統(tǒng)直接連接。微電網(wǎng)主要用于區(qū)域內(nèi)部的供電，不向外輸送或輸送很小的功率，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。

 

3.提高供電可靠性，解決電能需求。微電網(wǎng)采用先進(jìn)的控制方式以及大量電力電子裝置，將分布式電源、儲(chǔ)能裝置、可控負(fù)荷連接在一起，使得它對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)成為一個(gè)可控負(fù)荷，并且可以施行并網(wǎng)和獨(dú)立兩種運(yùn)行方式，充分維護(hù)了微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

 

四、微電網(wǎng)如何運(yùn)行？

 

 

微電網(wǎng)存在兩種典型的運(yùn)行模式：正常情況下微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，稱為聯(lián)網(wǎng)模式;當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時(shí)，微電網(wǎng)將及時(shí)與電網(wǎng)斷開(kāi)而獨(dú)立運(yùn)行，稱為孤島模式。兩者之間的切換必須平滑而快速。微電網(wǎng)相對(duì)于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時(shí)滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電安全等方面的要求。微電網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換，并提供必要的控制。

 

1、并網(wǎng)運(yùn)行

 

并網(wǎng)運(yùn)行就是微電網(wǎng)與公用大電網(wǎng)相連，微網(wǎng)斷路器閉合，與主網(wǎng)配電系統(tǒng)進(jìn)行電能交換。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電。儲(chǔ)能系統(tǒng)可進(jìn)行并網(wǎng)模式下的充電與放電操作。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可通過(guò)控制裝置轉(zhuǎn)換到離網(wǎng)運(yùn)行模式。

 

2、離網(wǎng)運(yùn)行

 

離網(wǎng)運(yùn)行也稱孤島運(yùn)行，是指在電網(wǎng)故障或計(jì)劃需要時(shí)，與主網(wǎng)配電系統(tǒng)斷開(kāi)，由DG、儲(chǔ)能裝置和負(fù)荷構(gòu)成的運(yùn)行方式。儲(chǔ)能變流器PCS工作于離網(wǎng)運(yùn)行模式為微網(wǎng)負(fù)荷繼續(xù)供電，光伏系統(tǒng)因母線恢復(fù)供電而繼續(xù)發(fā)電，儲(chǔ)能系統(tǒng)通常只向負(fù)載供電。

 

五、微電網(wǎng)核心技術(shù)

 

目前，有三種比較常見(jiàn)的微電網(wǎng)控制方式：

 

1、基于電力電子技術(shù)等概念的控制方法。該方法根據(jù)微電網(wǎng)的控制要求與發(fā)電機(jī)的下垂特性將不平衡功率動(dòng)態(tài)分配給各機(jī)組承擔(dān)，具有簡(jiǎn)單、可靠、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

 

2、基于能量管理系統(tǒng)的控制。該方法采用不同的控制模塊分別對(duì)有功和無(wú)功進(jìn)行控制，很好地滿足了微電網(wǎng)的多種控制要求，此外該方法針對(duì)微電網(wǎng)中對(duì)無(wú)功的不同需求，功率管理系統(tǒng)采用了不同的控制方法從而提高了控制性能。

 

3、基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)控制。該方法將計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的多代理技術(shù)應(yīng)用到微電網(wǎng)，代理的自治性、自發(fā)性等特點(diǎn)能夠很好地適應(yīng)和滿足微電網(wǎng)分散控制的要求。

 

微電網(wǎng)的保護(hù)方法與傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護(hù)方法不同，主要是微電網(wǎng)的多電源特性，使得兩者區(qū)別很大。主要難點(diǎn)在潮流的雙向流動(dòng)、并網(wǎng)和孤立運(yùn)行時(shí)短路容量的變化方面。因此，傳統(tǒng)配電網(wǎng)在低壓側(cè)集中無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ呀?jīng)不適合微電網(wǎng)。

 

大部分的新能源發(fā)電技術(shù)所發(fā)出的電能在頻率和電壓水平上不能滿足現(xiàn)有互聯(lián)電網(wǎng)的要求，因此無(wú)法直接接入電網(wǎng)，需通過(guò)電力電子設(shè)備才能接入。為此要大力加強(qiáng)對(duì)電力電子技術(shù)的研究，研制一些新型的電力電子設(shè)備作為配套設(shè)施，如并網(wǎng)逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)和電能控制裝置。

 

六、微電網(wǎng)與售電

 

2017年4月，中國(guó)國(guó)電集團(tuán)所屬龍?jiān)措娏瘓F(tuán)股份有限公司承建的吐魯番新能源城市微電網(wǎng)示范項(xiàng)目獲得售電許可，成為我國(guó)首個(gè)獲得電力業(yè)務(wù)許可證（供電類）的微電網(wǎng)。

 

據(jù)龍?jiān)措娏τ嘘P(guān)負(fù)責(zé)人介紹，吐魯番新能源城市微電網(wǎng)是我國(guó)首個(gè)微電網(wǎng)示范項(xiàng)目，于2013年底建成投產(chǎn)。項(xiàng)目在293棟居民樓頂建設(shè)屋頂光伏8.7兆瓦，同期建設(shè)1座10千伏開(kāi)關(guān)站及監(jiān)控中心、1座1兆瓦儲(chǔ)能裝置、1座公交充電站等，通過(guò)微電網(wǎng)系統(tǒng)向區(qū)域內(nèi)5700多戶居民及機(jī)關(guān)事業(yè)單位、商業(yè)用戶、地緣熱泵等用戶供電。

 

該項(xiàng)目實(shí)行“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)、電網(wǎng)調(diào)劑”的運(yùn)營(yíng)機(jī)制，項(xiàng)目公司在微電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)具有經(jīng)營(yíng)權(quán)、管理權(quán)和售電權(quán)。電力業(yè)務(wù)許可證的取得，標(biāo)志著負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的龍?jiān)赐卖敺履茉从邢薰卷樌〉门涫垭姌I(yè)務(wù)資質(zhì)，成為擁有配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)權(quán)的售電公司。