分布式发电与微电网

1、分布式发电1.1 集中式发电的定义和分类集中式发电指的是传统的规模化、大容量的发电方式，所发出的功率通过高压交流或者直流输电线路输送到负荷中心，然后依次经过变电、配电等环节为所有用户提供电力能源。集中式发电按所用能源的种类分为火电、水电、核电等。1.2集中式发电的缺点集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式，正在为全世界90%以上的电力负荷供电。这种容量越来越大的电网虽有其优点，但它也存在一些弊端。随着负荷峰谷差的不断增大，电网的负荷率正逐年下降，发电输电设施的利用率都有下降的趋势。电力系统越庞大，事故发生的概率越高，大型互联电力系统中，局部事故极易扩散，

2、导致大面积的停电。集中式发电的缺点主要表现为：(1)市场环境加大了负荷波动、发电厂投资等因素随机变化程度，而大型电力系统不能灵活跟踪负荷变化，造成发输电设备投资容量浪费。(2)集中式大电网结构对偏远地区供电造成输电费用过高。(3)互联大电网系统局部事故容易导致大面积停电，严重威胁了系统安全稳定性，并由于电力中断造成经济损失。1.4 分布式发电的定义与起源分布式发电(Distributed Generation， DG)一般指为满足终端用户的特殊需求，接在用户侧附近的小型发电系统，而分布式电源(Distributed Resource， DR)是指分布式发电(DG)与储能装置(Energy St

3、orage， ES)的联合系统，即DR=DG+ES。它们的规模一般不大，通常为几十千瓦至几十兆瓦。DG所用的能源包括天然气(以及煤层气、沼气等)、太阳能、生物质能、氢能、风能等洁净能源或可再生能源；而ES主要为蓄电池，还可能采用超级电容器、飞轮储能等。因此，这种发电技术是一种可利用多种能源并对环境友好的发电技术。此外，为了提高能源的利用效率和降低成本，这种发电技术往往采用冷、热、电联供(Combined Cooling、Heat and Power， CCHP)的方式，或仅采用热电联产(Combined Heat and Power， CHP或Co-generation)的形式。因此国内外也常

4、常将这种冷、热、电等各种能源一起供应的系统称为分布式能源电力系统。该系统能大大提高能源利用率、节能和多样化地利用各种清洁和可再生能源，未来分布式能源系统将会越来越广泛地应用在各种场合和被普遍接受，因而是极有发展前途的。目前较为多见的是DG直接接入配电系统(380V或10kV配电系统，一般低于66kV电压等级)并网运行，也有直接向负荷供电而不与电力系统相连，形成独立供电吸入(Stand-alone system)，或形成所谓的孤岛运行的方式(Islanding Operation Mode)。有些电源容量较大(如50MW以上的燃气轮机发电机组)，尽管它接在负荷附近，若它直接接入高压网(如110k

5、V及以上)，并接受电力系统调度部门的统一调度，仍属中央发电范畴，一般不再称为分布式发电(电源)。当DG采用并网的方式运行时，一般不需要储能系统，但采取独立(孤岛)运行的方式时，为保持小型供电系统的频率和电压的稳定，储能系统往往是必不可少的。1.6 分布式发电系统的主要类型按照DG的一次能源或原动机的不同，分布式发电系统可分为：小型或微型燃气轮机(MT，Micro/Mini Turbine，又称微透平或微燃机)发电系统、燃气发动机发电系统、风力发电系统、太阳光伏发电系统、燃料电池发电系统等。1.6.1 小型燃气发动机发电系统燃气发动机发电系统将可燃物燃烧后膨胀做功带动曲轴连杆运动实现发电机转子旋

6、转。燃气发动机具有发电效率较高，发电容量范围较宽，运行受外界温度和大气压力变化影响小等优势。但它也有着明显缺点：运行产生较多氮化物易造成环境污染，同时运行噪音也较大；由于直线往复运动部件较多，系统需要经常维护。20世纪80年代它们常作为工业或商业的自用电源。它们过去主要以油为燃料，现在发展到使用燃气，因天然气较油要贵许多，实际仍较多使用油或油气混合使用。1.6.2 风力发电系统风力发电是将风能转化为电能的发电技术。风电的主要优点是：(1)风能资源丰富。(2)风能是可再生能源。(3)清洁无污染。(4)施工周期短。(5)投资少，投资灵活回收快。(6)设施占地少，对土地要求低。(7)风电场运行维护简

7、单。(8)风电技术比较成熟。(9)风电具有较高的经济性，单位发电成本低。其局限性主要表现在：(1)风能的能量密度小。(2)风速不稳定。(3)风能不能大量储存。(4)风轮机的效率较低。(5)对生态环境有一些影响。(6)产生较大机械和电磁噪声。(7)接入电网时，对电网有不利的影响。目前先进的变转速风力发电系统具备效率可调整和可优化的特点，能够最大限度地利用风能。大中型风电机组并网发电，已经成为世界风能利用的主要形式。所发电力经整流、逆变或与电网直接相连。随着风电并网机组需求量增长，机组更新换代加快，单机容量提高，机组性能优化，生产成本下降，风电已经逐步具各与常规能源竞争的能力。出于可持续发展要求以

8、及能源危机的压力，欧美主要发达国家对风力等可再生能源发电系统非常推崇，各国相继制定了各种风电计划。1.6.3 太阳光伏发电系统太阳能发电一般均指光伏发电，少数国家也曾尝试采用太阳能高温集热发电。光伏发电技术利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为直流电。1999年我国累计只有15MW的光伏发电装机容量。自从实用性硅电池问世以来，世界上很快就开始了光伏发电的应用。它具有不消耗化石能源、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点。主要缺点是单位容量的光伏电池成本仍高于采用燃气等高效清洁化石能源发电形式。光伏发电受制于日光，具有发电持续性差、可靠性差等缺点，基本上不能单独完成全日发电。提高光伏转换

9、效率，开发高效储能技术、与其他DG配合使用等是太阳光伏发电研究的重要课题。1.6.4 燃料电池发电系统燃料电池是一种在恒定的温度下，直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的发电装置，理论上几乎不存在废弃物排放，是很有潜力的发电技术。它们本质上就是电池，但与普通电池相比其燃料几乎是无穷无尽的。因为它们以氢为原料，而氢可以从天然气、丙烷和其他碳水化合物中提取。氢与空气中的氧气产生化学反应并产生电压。目前进入商业试验运行的基于燃料电池的DG系统容量从5kW到2MW不等。它们也使用可燃气体，但与GT发电技术相比，从碳水化合物中分解氢气的代价很不经济，而且燃料电池电站目前的建设成本

10、过于昂贵，容量的突破也有一定困难，所以燃料电池目前在燃气型分布式发电技术中应用并不广阔。1.6.5 生物质能发电系统生物质能发电系统采用农业、林业、城市垃圾和工业废弃物为原料的发电形式。人类使用生物质能由来已久，约15%的能源来自生物质能。它是一种理想的可再生能源，来源广泛，每年都有大量的工业、农业及森林废弃物产出。即使不被用于生产能源，这些废弃物的处理也是令人头疼的事情。目前采用固态垃圾填埋产生沼气发电、固态垃圾直接焚烧发电以及液态污水沉淀物分解产生沼气发电在发达国家人口密集的大中城市里应用广泛。1999年我国生物质能发电的容量约为800MW。1.6.6 微型/小型燃气轮机发电系统GT发电是

11、将燃料燃烧时释放出来的热量转变为电能的发电设施。按容量划分：大于20MW的属于大中型GT发电系统，10002000kW的属于小型GT发电系统，而小于1000kW的则为微型GT发电系统。大中型GT发电用于热电站和联合循环电站，采用常规同步发电机以恒速方式运行，升压到110kV以上直接接入输电网。因GT发电机组起停快速，发达国家往往将它们作为调峰、调频机组，在整个电力产业中保持着8%12%的比例。我国因燃气和石油资源匮乏，大中型GT发电机组很少。近年“西气东输”捆绑项目在东南沿海经济发达地区规划了十余座GT电站，目前部分项目已在建设中。1.7 分布式发电的优缺点与传统集中式发电比较，尽管集中式发电

12、因为容量大，燃料费用便宜而具有规模效益。但是，随着分布式发电技术水平不断提高，这种优势在可预见的未来将逐渐减少，并且对以传统化石燃料为主要燃料的集中式发电机污染控制费用也极大减少了其相对分布式发电机的经济效益。此外，电力改革引起电力工业所有参与者，无论是买方，还是卖方对市场力都更加敏感。通过安装DG可以避免传统集中式发电带来的“搁浅费用”。将DG引入电力系统主要应用优势如下：(1)在偏远地区、负荷突然增长地区，安装DG可以避免大量的输配电设备扩容费用。(2)通过合理优化分布式电源在电网位置和容量，可以明显降低电网线路损耗。(3)对于一些对可靠性要求较高的工业和商业用户，一些受到输配电网络潮流约

13、束的地区，或者对于一些旋转备用边界正在减小，电力短缺的国家，DG机组可以作为后备机组或者紧急备用机组提高系统供电可靠性，减少停电损失。(4)发电系统在将燃料能量转化为电能的过程会产生大量热能，常规发电厂经常废弃了这些热能。分布式发电通过建立热电联产装置，可在居民区或商业区发挥供电供热双重作用，提高燃料利用效率并减少污染。(5)在峰值负荷或者峰值电价时，允许用户自行安装的DG机组卖电给电网公司，可以发挥削峰和抑制电价作用，具有较好的经济效益，并为用户安装DG提供了经济动机。(6)应用可再生能源或燃料电池等无污染或少污染的DG技术，满足了世界环保用电，节能及可持续发展要求。(7)DG容量小，体积小

14、的特征使其安装便捷，投资时间短，降低了安装费用和投资风险。然而，DG的引入使配电网中各支路的潮流不再是单方向地流动，因此将会给整个电网带来深刻的影响。其影响主要表现在下面几个方面。1.对系统潮流和网络损耗的影响在配电网中的负荷近旁接入分布式发电系统，整个配电系统的功率流向将发生变化。分布式发电可能增大也可能减小系统损耗，这取决于分布式电源的位置、其与负荷量的相对大小以及网络的拓扑结构等因素。如果配电网中含有风力发电或光伏(PV)发电系统，由于它们的输出受天气的影响很大，具有随机变化的特性，使系统的潮流具有随机性，传统的潮流算法将不再适用。2.对电压的影响分布式电源主要接入配电网，在接入DG之后

15、，配电系统从放射状结构变为多电源结构，潮流的大小和方向有可能发生巨大改变，使配电网的稳态电压也发生变化，原有的调压方案不一定能满是接入分布式电源后的配电网电压要求。以上讨论的都是分布式电源对配电网的影响。当风电场接入电网后，由于风电场输入风能变化的随机性，并且风力发电大多采用异步发电机，需从电网吸收大量无功功率，故很容易引起整个电网的电压稳定问题，甚至会导致整个电力系统的电压崩溃，而并不局限于所在配电系统。例如美国加利弗利亚洲Bakersfield的Seawest风电场就经常出现电压稳定问题导致电网无法接受风电，强迫风电场停机。3.对电能质量的影响分布式发电是建立在电力电子技术基础之上的，大量

16、的电力电子转换器增加了大量的非线性负载，将会引起电网电流、电压波形发生畸变，引起电网的谐波污染，但是分布式发电也存在改善电能质量的潜力，当电网关联负载较大时，分布式发电可以快速投入使用，使系统尽可能减少故障，提高整个电网的稳定性，从而保证了电能质量。4.对系统保护的影响配电网中大量的继电保护装置早已存在，不可能为了新增的DG而做大量改动，因此DG必须与之配合并适应它。当配电网中接入了分布式电源之后，放射状网络将变成遍布电源和用户互联的网络，潮流也不再单向地从变电站母线流向各负荷，因此，分布式发电将对配电网原有的继电保护产生较大的影响：(1)DG运行时可能会引起继电保护的失效。DG产生的故障电流

17、可能会减小流过馈线继电器的电流，从而使继电保护失效。(2)DG接入配电网后可能会使继电保护误动作。相邻馈线的故障有可能会使原本没有故障的馈线跳闸。(3)改变了配电网的故障水平。故障水平提高还是降低取决于运行的分布式电源数量和种类，故障水平的提高要求开关设备的升级，故障水平的降低可能会给过电流保护带来问题。因此，若某配电区域的分布式电源容量很大，而使故障电流产生大幅度的变化，则必须提高其断路器的容量和升级保护装置。5.对可靠性的影响如果DG仅作为备用电源则可以提高系统供电的可靠性，但如果DG与电网并联运行，就可能降低系统的可靠性，例如对于含有大量DG的系统，如果DG间相互协调不好，DG就会降低系

18、统的可靠性。另外，在系统中出现扰动时，由于DG的高度不确定性(如受太阳辐射强度影响的光伏电池)，也可能降低系统的可靠性。6.对故障电流的影响虽然在许多情况下DG接入配电网侧装有逆功率继电器，正常运行时不会向电网注入功率，但当配电系统发生故障时，短路瞬时会有DG的电流注入电网，增加了配电网开关的短路电流水平，可能使配电网的开关短路电流超标。如图所示，当配电网发生短路故障时，多个DG都会提供短路电流。目前配电网的短路电流水平已经接近了开关设备的额定电流，所以故障等级的提高要求电力系统增加投资成本改进开关设备。7.引起非计划孤岛在某些情况下(如跳闸、断线等)，一部分电网突然与大系统断开，这部分小电网

19、内的DG将临时向负荷独立供电， 这种状态就是非计划的孤岛运行，如图所示。由于非计划孤岛的出现具有不可预知性，运行条件缺乏事先规划，因而绝大多数不能满足电力系统安全可靠性的要求，将会带来许多问题：(1)电能质量下降。孤岛小系统内功率不平衡，频率和电压都发生变化，很难保证电能质量。(2)威胁公众及运行人员的安全。由于非计划孤岛的范围不确定，不能明确系统元件、线路是否带电，造成了对维修人员、运行人员、公众的安全威胁。(3)影响自动重合闸。形成孤岛运行后，分布式电源可能仍对跳闸线路的另一端供电，造成检无压重合闸失败，或因孤岛与主系统失步，检同期合闸失败，从而引起不必要的停电。8.对配电系统的实时监视、

20、控制和调节的影响原先配电系统的实时监视、控制和调度是由供电部门统一来执行的，由于原配电网是一个无源的放射型电网，信息的采集、开关的操作、能源的调度等相应比较简单。DG的接入使这些过程复杂化，需要增加哪些信息，这些信息是作为监视信息、还是作为控制信息，由谁来执行等，均需要依据定，并通过具体DG的并网协议最终确定。9.其他影响由于DG安装在负荷中心，远离发电控制中心，为了保证DG高效可靠运行，必须增加大量分散控制设备，这样往往比安装输配电设备更复杂并增加了它的服务费用；对于应用燃料的分布式发电机，可能造成大量的燃料运输费用；一些新兴的DG技术如微汽轮机缺乏实际运行性能数据，投资者对它的运行可靠性、

21、安全性缺乏了解而持谨慎态度，它们的推广应用仍然具有一定风险；联网费用计算、收取标准难以制定。DG接入系统可能会带来备用等辅助服务需求，它自由接入或者退出网络特点使配电公司对DG投资商收费比传统发电机复杂，而且联网收费设置太高容易导致DG和T&D系统投资水平不高。第9章微网技术基础9.1微电网的定义9.1.1 微电网概念的提出进入21世纪以来，世界范围内的能源供应持续紧张，合理开发利用绿色能源已经成为一个重要课题。越来越多地利用太阳能、风能、生物质能等的分布式电源(Distributed Generation， DG)被应用于现有电网，但DG的迅速渗透同时也产生了一些不良影响：(1)DG使得线路

22、调压复杂化。(2)DG使得继电保护选型和配置困难。(3)DG使得电网短路容量增大，发生故障容易毁坏设备。(4)DG对电能质量有较大干扰。当然DG还会影响接地系统的设计，当总容量达到一定量后，可能会对电网频率以及稳定性产生影响。因容量小、运行不确定性强，DG可能不会直接受电力系统调度。部分DG受制自然条件，缺少灵活可控的特点。为了解决电力系统与分布式电源间的矛盾，充分发挥分布式电源为电力系统和用户所带来的技术经济效益，进一步提高电力系统运行的灵活性、可控性和经济性，以及更好地满足电力用户对电能质量和供电可靠性的更高要求，微电网(Micro-grid)概念应运而生。9.1.2 微电网的定义目前，国

23、际上对微网的定义各不相同。美国电气可靠性技术解决方案联合会(CERTS-Consortium for Electric Technology Solutions)给出的定义为：微网是一种由负荷和微型电源共同组成系统，它可同时提供电能和热量；微网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。欧盟微网项目(European Commission Project Micro-grid)给出的定义是：利用一次能源；使用微型电源，分为不可控、部分可控和全控三种，并可冷、热、电三联供；配有储能装置；使用

24、电力电子装置进行能量调节。美国威斯康星麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)的R. H. Lasseter给出的概念是：微网是一个由负载和微型电源组成的独立可控系统，对当地提供电能和热能。这种概念提供了一个新的模型来描述微网的操作；微网可被看作在电网中一个可控的单元，它可以在数秒钟内反应来满足外部输配电网络的需求；对用户来说，微网可以满足他们特定的需求：增加本地可靠性，降低馈线损耗，保持本地电压，通过利用余热提供更高的效率，保证电压降的修正或者提供不间断电源。尽管对微网的定义不尽相同，但国际上基本认为：微网是由各种分布式电源/微电源、储能单元、负荷以及监控

25、、保护装置组成的集合；具有灵活的运行方式和可调度性能，即能在并网运行和孤岛(自主)运行两种模式间切换；通过相关控制装置间的协调配合，可以同时向用户提供电能和热能；根据实际情况，系统容量一般为数千瓦至数兆瓦；通常接在低压或中压配电网络中。9.2微电网的基本结构9.2.1 微电网结构的划分微电网一般设在配电站下级，可以包括一个配电站，网内有多根配电线和负载群。每根配电线有多个断路器，网内潮流控制器和电压控制器给电源提供控制信号，调节配电线潮流和母线电压，使其处在能量管理器要求的水平。隔离装置实现电网和微电网间的连接和隔离。微电源(或DG)均通过电力电子装置与系统相连接，为当地负载提供电力及电压支撑

26、。在正常工作模式下，微网与公共系统(STS)在公共连接点通过固态转换开关相连。当系统出现故障时，通过固态转换开关进行高速隔离。一旦隔离，分布式发电系统成为唯一的电源，因此DG必须能调节负载电压，提供不间断电源，并按预先确定的DG功率进行分配，在微电网内分担负载；当故障清除后，微网需要与公用电网重新同步，由STS重新接通，并平滑返回系统，实现正常的并网运行。根据应用场合的不同产生了四种微电网的体系架构：(1)单个设施级微网，指所带负荷量小于2MW，应用于小型工业或商业建筑、大的居民楼以及医院等单幢建筑物的网络。(2)多个设施级微网，指所带负荷量在25MW范围内，应用于包含多种建筑物、多样负荷类型

27、的网络，如校园、军事基地、工业和商业综合区及居民区等。(3)馈线级微网，容量在510MW范围内，它管理一条配电网母线内所有单元的运行。这种类型的微网可能由多个包含单一或多样化单元的较小型的微网组合而成，这种微网适用于公共设施、政府机构及监狱等场合。(4)变电站级微网，容量在510MW范围内，管理连接到配电网变电站的所有发电和/或负荷单元的运行情况。这种类型的微网可能包括一些变电站内的发电单元以及一些馈线级和设施级的微网。在日本的微网研究中，除了可再生能源外，还将以化石能源为燃料的独立电力系统纳入其中，这大大扩展了微网的容量，使应用于工业区大规模微网的容量可达到上干兆瓦。9.2.2 CERTS提

28、出的微电网基本结构下图是美国电力可靠性技术解决方案协会(CERTS)提出的微电网基本结构。图中包括3条馈线A，B和C及1条负荷母线，网络整体呈辐射状结构。馈线通过主分隔装置(通常是一个静态开关)与配电系统相连，可实现孤网与并网运行模式间的平滑切换。该开关点即PCC所在的位置，一般选择为配电变压器的原边侧或主网与微电网的分离点。IEEEP1547标准草案规定：在PCC处，微电网的各项技术指标必须满足预定的规范。负荷端的馈线电压通常是480V或更低。该图展示了光伏发电、微型燃气轮机和燃料电池等微电源形式，其中一些接在热力用户附近，为当地提供热源。微电网中配置能量管理器和潮流控制器，前者可实现对整个

29、微电网的综合分析控制，而后者可实现对微电源的就地控制。当负荷变化时，潮流控制器根据本地频率和电压信息进行潮流调节，当地微电源相应增加或减少其功率输出以保持功率平衡。该图还示范了针对3类具有不同供电质量要求的负荷的个性化微电源供电方案。对于连接在馈线A上的敏感负荷，采用光伏电池供电；对于连接在馈线C上的可调节负荷，采用燃料电池和微型燃气轮机混合供电；对于连接在馈线B上的可中断负荷，没有设置专门的微电源，而直接由配电网供电。这样，对于敏感负荷和可调节负荷都是采用双源供电模式，外部配电网故障时，馈线A、C上的静态开关会快速动作使重要负荷与故障隔离且不间断向其正常供电，而对于馈线B上的可中断负荷，系统

30、则会根据网络功率平衡的需求，在必要时将其切除。9.2.3 微电网的特点上述结构初步体现了微电网的基本特征，也揭示出微电网中的关键单元。(1)每个微电源的接口、控制：分布式发电和微电网用分布式发电控制器进行有功和无功的控制。当网压出现不平衡或负载变化时，与DG耦合的功率和电压控制器能快速响应，无需与上级系统通信。(2)能源管理器：为每个分布式发电控制器设定工作点(功率和电压工作点)，提供运行控制功能，其响应时间以分钟计算。整个微电网的能量管理器，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。(3)继电保护：包括各个微电源及整个微电网的保护控制。微电网内的保护通过电力电子技术实现并

31、与电网接口，因此需要采用单独的解决方案，以提供所需要的功能。微电网虽然也是分散供电形式，但它并不是对电力系统发展初期的孤立系统的简单回归。微电网采用了大量先进的现代电力技术，如快速的电力电子开关与先进的变流技术、高效的新型电源及多样化的储能装置等，而原始孤立系统根本不具有这样的技术水平。此外，微电网与大电网是有机整体，可以灵活连接、断开，其智能性与灵活性远在原始孤立系统之上。9.3微电网的控制微电网存在两种经典的运行模式：与外部电网并网运行和孤岛运行。并网模式是指在正常情况下，微电网与常规电网并网运行时向电网提供多余的电能或由电网补充自身发电量的不足。孤岛运行模式是指当检测到电网故障或电能质量

32、不满足要求时，微电网可以与主网断开形成孤岛模式，由DERs向微电网内的负荷供电。在微网实验平台得到的结果表明：采用合理的控制策略时，微网可以并网或孤网运行，并可实现两种运行状态的平滑过渡和转换。微网的孤网运行为系统提供了更高的供电可靠性和供电不可间断性。相对主网，微网可作为一个模块化的可控单元，对内部电网提供满足负荷用户需求的电能。实现这些功能必须具有性能良好的微网控制和管理系统，主要控制设备有DERs控制器、可控负荷管理器、中央能量管理系统、继电保护装置。在运行控制过程中，微网可以基于本地信息对电网中的事件做出快速独立的响应，当网内电压跌落、故障、停电时，微型分布式发电系统应该利用本地信息自

33、动有效地转换到独立运行方式，不再接受传统方式的统一调度。微网控制的主要目标如下：(1)调节微网内的馈线潮流，对有功和无功功率进行独立解耦控制。(2)调节每个微型电源接口处的电压，保证电压的稳定性。(3)孤网运行时，确保每个微型电源能快速响应，并分担用户负荷。(4)根据故障情况或系统需要，平滑自主地与主网分离、并列或实现两者的过渡转化运行。9.3.1 分布式电源的控制方法分布式电源分为三类：传统发电模式，如柴油发电机、小水电等；新兴的发电模式，如微型燃气轮机、燃料电池等；可再生能源发电模式，包括风力发电、光伏发电。一般地，分布式电源都是通过电力电子接口与电网连接。对燃料电池发电、光伏电池发电以及

34、蓄电池等，产生的是直流，经过DC/AC变换为50Hz的交流电；而风力发电、微型燃气轮机等通常先经过AC/DC变为直流，然后再经过DC/AC变换为工频交流电。因此，电力电子技术尤其是逆变技术在分布式发电中占有很重要的地位。逆变电源的一般结构通常如图所示，主要部件包括能源、直流电容器、电压或电流型逆变器以及连接电感。为了简化建模过程，做一些假设：若直流电源为光伏电池，将它看作恒流源；若直流侧为燃料电池，将它看作恒压源。由于燃料电池、微型燃气轮机等电源的时间常数较大，在10200s之间。当负载变化时电源功率输出不能及时增大或减小，因此直流侧电容器能够起到功率调节的作用；当电源发出功率大于负载功率时电

35、容器充电；而当电源发出功率小于负载功率时电容器放电，以平衡瞬时功率变化。有时电容器可以用蓄电池代替，但暂态稳定性不如电容器好。1.PQ控制法逆变器作为微电源与交流电网之间的接口，最基本的功能就是控制输出的有功和无功功率。电压源逆变器能够控制输出的电压幅值和相角，而逆变器输出的电压相量与交流侧电压以及连接电感共同决定了直流侧到交流侧的有功和无功功率，公式如下当(V-E)足够小时，有功P主要由(V-E)决定，而无功功率Q主要由电压幅值决定。因此，有功无功的控制就简化为逆变器输出电压的幅值和相角控制。电压型逆变器PQ控制的基本电路见图。其中，Pref、Qref分别为有功无功定值，分别与测量到的交流侧

36、的有功、无功做差，经过PI调节器，分别控制逆变器的相角和幅值，从而达到控制输出有功和无功的目的。连接电感L的大小对控制也有很大的影响，根据下图的逆变电源输出的功角特性知道，为了保证功率与相角之间的线性关系， (V-E)最好小于30。一般地，连接电感L取110mH。另外，微电源组成的系统的最大问题是没有“热备用”，对负载瞬时变化的响应速度慢。在传统电网中，发电机存在转动惯量，因此当负载增加时，转子可以降低转速从而使频率略微减小以满足初始时的功率平衡。但是在逆变器接口的电网中，不存在转动惯量。如前所述，一种解决方案就是利用蓄电池来实现快负荷跟踪或者使用电容器来增强暂态稳定性。由于直流侧电容或蓄电池

37、蓄能装置有相应的控制和保护来保证直流侧电压的稳定性并且能够迅速跟踪负荷功率变化，因此我们将重点放在逆变器的控制上。2.有功-电压(PV)控制法有功-电压控制法的原理框图如图所示。PV控制法用来调节输出有功大小并且保持母线电压维持在一定的水平上。有功控制通过一个闭环控制，与前面的PQ控制法类似，电压调节是通过测量值与给定值的比较，然后通过PI调节器来控制逆变器的输入电压幅值V。由最大电压和最小电压限制，两者分别对应无功需求的最大和最小值。其中直流侧与连接电感的问题与PQ控制里所述相同。3.电压-频率控制法电压-频率控制法主要控制逆变器输出的电压和频率为给定值。由于微电网不仅要并网运行，而且也要求

38、能够在孤岛运行模式下运行。在后一种模式下，必须至少有一个电源作为主电源来给整个孤立的微型电网提供电压和频率参考值，保证电压和频率水平。其中电压控制和前面的PV控制类似，频率控制通过测量值与给定工频值50Hz做差，然后同样需要经过PI调节器输出来控制逆变器相角。频率测量通过一阶锁相环实现，如图所示。4.不同类型微电源的控制方法PQ控制法一般用于控制最大功率输出方式或者接入点的恒功率潮流运行；PV控制法控制DG输出最大有功功率或者恒定有功，同时保证负载端电压恒定；而Vf控制法控制DG输出以保证负载的电压和频率保持恒定。因此可以看出，Vf控制法对DG的要求最高，用于微电网孤岛运行时作为主发电单元提供

39、参考电压和频率，要求微电源具有一定的容量，同时功率输出具有持久性和稳定性。一般，燃料电池、微型燃气轮机、柴油发电机、小水电等可以作为参考单元。风力发电和太阳能光伏电池发电由于受天气影响大，输出功率随机性较大且不连续，因而可以采用PQ或PV控制法在并网方式下运行，或者与参考DG配合在孤岛运行方式下为负载提供功率。在并网运行条件下，所有的DG根据控制要求采用PQ或者PV控制法提供恒定潮流或者恒定电压。9.3.2 微电网控制策略1.主从控制模式主从控制模式，是指在微网处于孤岛运行模式时，其中一个DG(或储能装置)采取定电压和定频率控制(简称Vf控制)，用于向微网中的其他DG提供电压和频率参考，而其他

40、DG则可采用定功率控制(简称PQ控制)，如图所示。采用Vf控制的DG(或储能装置)控制器称为主控制器，而其他DG的控制器则称为从控制器，各从控制器将根据主控制器来决定自己的运行方式。适于采用主控制器控制的DG需要满足一定的条件。在微网处于孤岛运行模式时，作为从控制单元的DG一般为PQ控制，负荷变化主要由作为主控制单元的DG来跟随，因此要求其功率输出应能够在一定范围内可控，且能够足够快地跟随负荷的波动。在采用主从控制的微网中，当微网处于并网运行状态时，所有DG一般都采用PQ控制，而一旦转入孤岛模式，则需要作为主控制单元的DG快速由PQ控制模式转换为Vf控制模式，这就要求主控制器能够满足在两种控制

41、模式间快速切换的要求。常见的主控制单元选择包括下述几种：(1)储能装置作为主控制单元。这类典型示范工程包括荷兰Continuon微网、希腊NTUA微网、日本Wakkanai微网等。以储能装置作为主控制器，在孤岛运行模式时，因失去了外部电网的支撑作用，DG输出功率以及负荷波动将会影响系统的电压和频率。由于该类型微网中多采用不可调度单元，为维持微网的频率和电压，储能装置需通过充放电控制来跟踪DG输出功率和负荷的波动。由于储能装置的能量存储量有限，如果系统中负荷较大，使得储能系统一直处于放电状态，则其支撑系统频率和电压的时间不可能很长，放电到一定时间就可能造成微网系统电压和频率的崩溃。反之，如果系统

42、的负荷较轻，储能系统也不可能长期处于充电状态。因此，将储能系统作为主控制单元，微网处于孤岛运行模式的时间一般不会太长。(2)DG为主控制单元。当微网中存在像微燃机这样输出稳定且易于控制的DG时，由于这类DG的输出功率可以在一定范围内灵活调节，输出稳定且易于控制，将其作为主控单元可以维持微网在较长时间内稳定运行。如果微网中存在多个这类DG，可选择容量较大的DG作为主控制单元，这样的选择有助于微网在孤岛运行模式下长期稳定运行。(3)DG加储能装置为主控制单元。这类典型示范工程包括德国MVV微网等。当采用微燃机等DG作为主控制单元时，在微网从并网模式向孤网模式过渡过程中，由于系统响应速度以及控制模式

43、切换等方面的制约，很难实现无缝切换，有可能造成系统的频率波动较大，部分DG有可能在低频或低压保护动作下退出运行，不利于一些重要负荷的可靠供电。在对电能质量要求非常高的负荷情况下，可以将储能系统与DG组合起来作为主控制单元，充分利用储能系统的快速充放电功能和微燃机这类DG所具有的可较长时间维持微网孤岛运行的优势。采用这种模式，储能系统在微网转为孤岛运行时可以快速为系统提供功率支撑，有效抑制由于微燃机等DG动态响应速度慢所引起的电压和频率的大幅波动。2.对等模式所谓对等控制模式，是指微网中所有DG在控制上都具有同等的地位，各控制器间不存在主、从的关系，每个DG都根据接入系统点电压和频率的就地信息进

44、行控制，如图所示。对于这种控制模式，DG控制器的策略一般选取下垂特性(Droop)控制法。对于常规电力系统，发电机输出的有功功率与系统频率、无功功率和端电压之间存在一定的关联性：系统频率降低，发电机的有功功率输出将加大；端电压降低，发电机输出的无功功率将加大。DG的下垂控制方法主要也是参照这样的关系对DG进行控制，典型的下垂特性如图所示。在对等控制模式下，当微网运行在孤岛模式时，微网中每个采用Droop控制策略的DG都参与微网电压和频率的调节。在负荷变化的情况下，自动依据下垂系数分担负荷的变化量，亦即各DG通过调整各自输出电压的频率和幅值，使微网达到一个新的稳态工作点，最终实现输出功率的合理分

45、配。显然，采用Droop控制可以实现负载功率变化在DG之间的自动分配，但负载变化前后系统的稳态电压和频率也会有所变化，对系统电压和频率指标而言，这种控制实际上是一种有差控制。与主从控制模式相比，在对等控制中的各DG可以自动参与输出功率的分配，易于实现DG的即插即用，便于各种DG的接入，省去了昂贵的通信系统，降低了系统成本。同时，由于无论在并网运行模式还是在孤岛运行模式，微网中DG的Droop控制策略可以不加变化，系统运行模式易于实现无缝切换。在一个采用对等控制的实际微网中，一些DG同样可以采用PQ控制，在此情况下，采用Droop控制的多个DG共同担负起了主从控制器中主控制单元的控制任务：通过D

46、roop系数的合理设置，可以实现外界功率变化在各DG之间的合理分配，从而满是负荷变化的需要，维持孤岛运行模式下对电压和频率的支撑作用等。目前，采用对等控制的微网系统大多数仍停留在实验室研究阶段(如美国Wisconsin微网实验系统、新加坡南洋理工微网实验系统、比利时Katholieke微网实验系统、西班牙Catalunya大学微网实验系统等)。应用于实际的示范工程相对较少，仅有的示范工程都对系统参数提出了比较严格的要求。以CERTS微网示范工程为例，其DG采用了3台规格、容量完全一致的60kW微型燃气轮机，以实现对等控制。3.分层控制模式分层控制模式一般都设有中央控制器，用于向微网中的DG发出

47、控制信息。日本微网展示项目包括爱知微网、京都微网、八户微网等，提供了一种微网的2层控制结构，如图所示。中心控制器首先对DG发电功率和负荷需求量进行预测，然后制定相应运行计划，并根据采集的电压、电流、功率等状态信息，对运行计划进行实时调整，控制各DG、负荷和储能装置的启停，保证微网电压和频率的稳定，并为系统提供相关保护功能。在欧盟多微网项目“多微网结构与控制”中，提供了3层控制结构，方案如图所示。最上层的配电网络操作管理系统主要负责根据市场和调度需求来管理和调度系统中的多个微网；中间层的微网中心控制器(MGCC)负责最大化微网价值的实现和优化微网操作；下层控制器主要包括DG控制器和负荷控制器，负

48、责微网的暂态功率平衡和切负荷管理，整个分层控制采用多代理(Agent)技术实现。9.4微电网的保护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两种工况下，短路电流大小不同且差异很大；微网中电源与负荷电气距离较近；电压等级较低。网络结构、电源特性及电压等级上的差异使得微网故障电流的大小、方向及持续时间与传统闭式输电网和辐射型配电网的情形存在较大差别。在孤网情况下，微网内分布式电源所能提供的故障电流大小仅为正常电流的2倍或更小，传统的电流保护装置已不能做出正常响应或需要几十秒才能做出反应，这无法满足微网保护的要求，因此需要采用更先进的故障诊断方式。

49、下面将具体讨论分布式电源的接入对继电保护造成的影响。9.4.1 保护误动如图所示，保护B2所在线路末端发生短路故障时，由于DG的接入，保护B2检测到的电流IB2将增大，并且DG的容量越大，IB2越大，IB2有可能大于电流保护段整定值Iset2，造成保护误动。由下图可见，BC线路末端发生三相短路故障，当DG容量大于6MVA时，保护B2检测故障电流将大于其速断保护整定值，引起误动作。保护的误动还有另外一种情况。如下图所示，当相邻线路发生三相短路故障时，保护B1将检测到DG提供的反向电流，此时保护B1可能误动，切除DG所在线路。由图可见，相邻线路离母线较近的位置发生三相短路故障时，由于DG的作用，本

50、线路保护可能误动，造成DG所在线路的无故障跳闸。下图是相邻线路短路时B1检测到的故障电流随DG容量的变化。9.4.2 保护的灵敏度降低下图中线路BC发生短路故障，与原配电网相比，在接入DG的情况下，保护B1检测到的故障电流IB1减小，灵敏度将变低。由下图可知，随着DG容量的增大，B1检测到的故障电流迅速减小，过电流保护灵敏度将明显降低。当DG容量超过55MW时，B1处的故障电流小于其过电流保护整定值，此时如果B2速断保护故障，B1将拒动，故障无法隔离。9.4.3 保护可能无法识别故障如下图所示，DG接入配电网末端，短路发生于距离DG较远的位置时，短路电流可能小于最大负荷电流，故障无法被切除。9

51、.5微电网的通信技术9.5.1 微电网并网通信目前存在的各种信息通信技术都能用于支撑微电网的发展。如光纤通信、电力线通信PLC(包括工频通信、窄带和宽带电力载波通信)、电缆通信、无线个人局域网WPAN、无线局域网WLAN、无线城域网WMAN、无线广域网WWAN、3G/B3G通信、卫星通信、微波通信、短波/超短波通信七空间光通信等。微网的运行需要在采集不同特性的DER单元信息的基础上，通过配网级、微网级、单元级各控制器间的通信来实现。以电力电子器件为接口的DER单元与常规同步机的特性有很大差别，因而在微网的运行控制与能量管理过程中对通信技术的可靠性和速度提出了更高的要求。通信技术还直接关系到微网

52、能否提供更快的辅助服务。在响应特性不同的设备间建立连接成为网关技术面临的挑战。对低消耗、高性能、标准型网关的需求和通信协议的标准化是能量管理系统开发中的一个重要组成部分。微网接入接出包括通信子网之间的互联与互操作以及各通信子网与主干网络的互联与互操作。由于不同微网的通信方式是多种多样的，包括有线和无线的各种方式，因此，需要一个有效的中间件将这些不同通信方式结合起来。针对不同的应用场景以及不同的需求，如无线信号的传输障碍是否较少，有线布设的困难程度，原有设备和通信方式能否利用等方面，选择适合的通信方式进行组网，尽可能采用原有的通信方式。因此需要设计一种能够使各种采用的通信方式结合起来的网关，使得

53、上层的控制中心能够对下层的不同通信方式进行无差别的监测和控制，同时，对于通信子网传送的数据，可以无差别的上传到上层网络中去。上层网络并不对通信子网的数据采集方式进行区别，而是针对数据发出统一的下传指令，该网关能够自动识别应当将指令转换成通信子网的哪种数据传输方式，从而传送到具体的通信子网中去。9.5.2 智能电表通信网的具体构建可以智能电表为核心，研究智能电表与其他设备的通信技术，包括分布式能源的信息微网，家用电器如电视机、空调等，电动车充电的相关设备如充电站等，储能设备的信息微网等，通过可靠的信息流保证电网的稳定性和可靠性。在智能电表基础上构建的高级量测体系(advanced meterin

54、g infrastructure， AMI)、自动抄表(automatic meter reading， AMR)系统能为用户提供更加详细的用电信息，使用户可以更好地管理他们的用电量，以达到节省电费和减少温室气体排放的目标；电力零售商可以根据用户的需求灵活地制定分时电价，推动电力市场价格体系的改革；配电公司能够更加迅速地检测故障，并及时响应强化电力网络控制和管理。意大利、英国、荷兰等欧洲国家以及美国、澳大利亚等国均开展了AMI/AMR系统的建设，通过将先进的通信技术引入到新型的电子式计量设备中，研发出了能实现能耗监测、具备双向通信等能力的智能电表。9.5.2.1 智能电表的概念早在20世纪90

55、年代就出现了智能电表(smart meter)的概念。1993年静止式电表刚刚出现时，其价格是机电式电表的1020倍，因此主要应用于大型用户。之后随着具有远程通信能力的电表数量的增加，亟须开发新的系统来实现抄表和数据管理。在这样的系统中，计量数据开始向配网自动化等系统开放，但这些系统还无法有效利用相关数据。同样的，预付费电表的实时能耗数据也很少被用于能量管理或节能措施等应用中。随着技术的进步，批量生产的静止式电表能以很低的成本获得强大的数据处理和存储能力，从而促使小型用户电表的智能化水平得到大幅提升，静止式电表也逐步取代了传统的机电式电表。智能电表是以微处理器应用和网络通信技术为核心的智能化仪

56、表，具有自动计量/测量、数据处理、双向通信和功能扩展等能力，能够实现双向计量、远程/本地通信、实时数据交互、多种电价计费、远程断供电、电能质量监测、水气热表抄读、与用户互动等功能。以智能电表为基础构建的智能计量系统，能够支持智能电网对负荷管理、分布式电源接入、能源效率、电网调度、电力市场交易和减少排放等方面的要求。9.5.2.2 在智能电网中应用范围(1)结算和账务。通过智能电表能够实现准确、实时的费用结算信息处理，简化了过去账务处理上的复杂流程。在电力市场环境下，调度人员能更及时、便捷地转换能源零售商，未来甚至能实现全自动切换。同时用户也能获得更加准确、及时的能耗信息和账务信息。(2)配网状

57、态估计。目前，配网侧的潮流分布信息通常很不准确，主要是因为该信息是根据网络模型、负载估计值以及变电站高压侧的测量信息综合处理得到的。通过在用户侧增加测量节点，将获得更加准确的负载和网损信息，从而避免电力设备过负载和电能质量恶化。通过将大量测量数据进行整合，可实现未知状态的预估和测量数据准确性的校核。(3)电能质量和供电可靠性监控。采用智能电表能实时监测电能质量和供电状况，从而及时、准确地响应用户投诉，并提前采取措施预防电能质量问题的发生。传统的电能质量分析方式在实时性和有效性上都存在差距。(4)负荷分析、建模和预测。智能电表采集的水、气、热能耗数据可以用来进行负荷分析和预测，通过将上述信息与负

58、荷特性、时间变化等进行综合分析，可估算和预测出总的能耗和峰值需求。这些信息将为用户、能源零售商和配网调度人员提供便利，促进合理用电、节能降耗以及优化电网规划和调度等。(5)电力需求侧响应。需求侧响应意味着通过电价来控制用户的负荷及分布式发电。它包括价格控制和负荷直接控制。价格控制大体上包括分时电价、实时电价和紧急峰值电价，来分别满是常规用电、短期用电和高峰时期用电的需求。直接负荷控制则通常由网络调度员根据网络状况通过远程命令来实现负载的接入和断开。(6)能效监控和管理。通过将智能电表提供的能耗信息反馈给用户，能促使用户减少能源消耗或者转换能源利用方式。对于装有分布式发电设备的家庭，还能为用户提

59、供合理的发电和用电方案，实现用户利益的最大化。(7)用户能量管理。通过智能电表提供的信息，可以在其上构建用户能量管理系统，从而为不同用户(居民用户、商业用户、工业用户等)提供能量管理的服务，在满足室内环境控制(温度、湿度、照明等)的同时，尽可能减少能源消耗，实现减少排放的目标。(8)节能。为用户提供实时能耗数据，促进用户调节用电习惯，并及时发现由设备故障等产生的能源消耗异常情况。在智能电表所提供的技术基础上，电力公司、设备供应商及其他市场参与者可以为用户提供新的产品和服务，例如不同类型的分时网络电价、带回购的电力合同、现货价格电力合同等。(9)智能家庭。智能家庭是指将家庭中不同装置、机器和其他

60、耗能设备连接在一个网络中，并根据居民的需求和行为、户外的温度以及其他参数来进行控制。它可以实现供热、报警、照明、通风等系统的互联，从而实现家庭自动化和家电等设备的远程控制等。(10)预防维护和故障分析。智能电表的测量功能有助于实现配网元器件、电能表以及用户设备的预防维护，例如检测出电力电子设备故障、接地故障等导致的电压波形畸变、谐波、不平衡等现象。测量数据还能帮助电网和用户分析电网元件故障和网损等。(11)预付费。相对于传统的预付费方式，智能电表能提供成本更低，更加灵活和友好的预付费方式。(12)电表管理。表计管理包括：安装表计的资产管理，表计信息数据库的维护，对表计的定期访问，确保表计的正常