微电网的研究现状及在我国的应用前景

第32卷第16期电网技术Vol.32No.162008年8月PowerSystemTechnologyAug.2008文章编号：1000-3673（2008）16-0027-05中图分类号：TM727文献标识码：A学科代码：470·4099微电网的研究现状及在我国的应用前景郑漳华，艾芊（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市闵行区200240）PresentSituationofResearchonMicrogridandItsApplicationProspectsinChinaZHENGZhang-hua，AIQian（SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering，ShanghaiJiaotongUniversity，MinhangDistrict，Shanghai200240，China）ABSTRACT:Inthispaper,atfirsttheappearancebackgroundofmicrogridanditsmeaningaswellastheconceptandstructureofmicrogridarepresented,andaclassicaldiagramofmicrogridisgiven.Then,thepresentdevelopmentofmicrogridsinUnitedStates,EuropeandJapananddemonstrationprojectsaredescribedindetail,thedevelopmentideasandthefuturedevelopmentdirectionofmicrogridsintheseplacesarecomparedandsummarized.Atlast,thesignificanceofmicrogridsinfuturedevelopmentofpowergridsinChinaisprospectedandsomeproblemstobeespeciallyconsideredinthedomesticresearchonmicrogridareputforward.KEYWORDS:microgrid；distributedgeneration(DG)；powerqualityandreliability(PQR)摘要：首先介绍了微电网概念的产生背景和意义以及微电网的概念和结构，并给出了微电网的经典示意图；然后详细介绍了美国、欧洲和日本微电网的发展现状及其示范工程，对比了3者不同的微电网发展理念，概述了其微电网的未来发展方向；昀后，展望了微电网对于中国未来电网发展的重要意义，提出了国内微电网研究应重点考虑的一些问题。关键词：微电网；分布式发电；电能质量与供电可靠性0引言进入21世纪以来，随着石油价格的日益上涨，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。开发利用清洁高效的可再生能源是解决未来世纪能源问题的主要出路。目前常见的几种新能源包括太阳能、风能、生物质能等，均为分布式电源(distributedenergyresources，DERs)。相应的一些发电技术称为分布式发电技术(distributedgeneration，DG)，又称分散式发电(dispersedgeneration)，也称嵌入式发电(embeddedgeneration)。DG指的是通过在配电网建立单独的发电单元来对重要负荷进行供电，并通过PCC(pointofcommoncoupling)和外界电网进行能量交换。分布式发电一般靠近负荷用户，通过将电能和热能的利用相结合来提高能量的利用率。同时，又由于发电的位置离负荷距离较近，故还可以提高电能质量和供电的可靠性。大电网与分布式发电相结合，被国内外许多专家学者认为是降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式[1]。综上所述，分布式发电主要有以下几个特点：（1）提高能量利用率。（2）减少各种碳化物的排放，比较环保。（3）提高电能质量和供电的可靠性。（4）减少了由电能远距离传输所带来的线损和各种稳定方面的问题。（5）延缓了由于负荷不断增长所造成的电网的不断膨胀。尽管DERs有投资低、环保好、灵活性高等优点，但是它对大电网的影响确是不得不考虑的一个重要问题。IEEEP1547对分布式能源的单独并网标准做了规定：当电力系统发生故障时，分布式能源必须马上退出运行。这就大大限制了分布式能源的充分发挥，也间接限制了对新能源的利用[2]。为了能尽可能地利用分布式发电所带来的经济效益和对可靠性的改善，并尽量减少其对主网的冲击，微电网(microgrids)的概念[3-8]被提了出来。本文主要关注目前微电网在世界上的发展现基金项目：国家863高技术基金项目(2007AA05Z458)。TheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentofChina863Program(2007AA05Z458)．DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2008.16.02028郑漳华等：微电网的研究现状及在我国的应用前景Vol.32No.16状，着重介绍世界上主要微电网的研究和示范工程，通过对比各国微电网研究所存在的差异，提出中国微电网研究所需要重点解决的问题，为中国微电网的发展提供参考。1微电网的概念微电网[9-11]是规模较小的分散的独立系统，它采用了大量的现代电力技术，将燃气轮机、风电、光伏发电，燃料电池，储能设备等并在一起，直接接在用户侧。对于大电网来说，微电网可被视为电网中的一个可控单元，它可以在数秒钟内动作以满足外部输配电网络的需求[12]；对用户来说，微电网可以满足他们特定的需求，如增加本地可靠性、降低馈线损耗、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用的效率及提供不间断电源等。微电网和大电网通过PCC进行能量交换，双方互为备用，从而提高了供电的可靠性。图1展示了光伏发电、风能、燃料电池、微型燃气轮机等微电源形式，其中一些接在热力负荷附近，可以为当地用户提供热源，从而提高了能量的利用率[13]。负荷负荷光伏风能生物能储能燃料电池微型燃气轮机热力负荷热力负荷大电网从主网传入的功率微电网图1微电网示意图Fig.1Thesketchmapofmicrogrid微电网解决了DERs并网的问题，并且由于所采用的先进的电力电子技术是灵活可控的，因此微电网可以利用DERs对微电网的潮流流动进行有效调节。微电网作为对单一大电网的有益补充，其广泛应用的潜力巨大。目前，世界上一些主要发达国家和地区，如美国、欧盟、日本和加拿大等，都开展了对微电网的研究。2美国微电网的研究现状2.1概述美国昀早提出了微电网概念，近年来，其微电网研究一直在有条不紊地进行着。美国的微电网研究项目主要受到了美国能源部的电力提供和能源可靠性办公室、加州能源委员会的资助，其研究的重点主要集中在满足多种电能质量的要求、提高供电的可靠性、降低成本和实现智能化等方面[14-15]。2.2可靠性技术解决方案协会微电网1999年，可靠性技术解决方案协会(theConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolutions，CERTS)首次对微电网在可靠性、经济性及其对环境的影响等方面进行了研究。到2002年，较为完整的微电网概念被提出来，CERTS给出的微电网定义是：微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必要的控制；微电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方面的要求。后来，美国北部电力系统承建了第一个微电网示范工程。和世界上其他微电网项目一样，CERTS的微电网考虑的也是当微电网和主网因为故障突然解列时，微电网还能够维持对自身内部的负荷的电能供应，直到故障排除。CETRS微电网所接入的DERs都是峰值≤2MW的小机组，这就避免了采用快速却昂贵的控制，并且使得系统具有很好的鲁棒性。图2所示的CERTS微电网有3条馈线及负载，网络呈辐射状结构[6]。该微电网内的微电源可以为光伏发电、微型燃气轮机和燃料电池等微电源形式，靠近热力用户的微电源还可以为本地用户提供热源，从而保证了能量的充分利用。当负荷变化时，该微电网的本地微电源自行调节功率输出。微电网中还配备了能量管理器和潮流控制器，能实现对整个微电网的综合控制和优化。该微电网与大电网只有一个公共连接点，并且它是不向大电网输出能量的。所以，从系统的角度来看，该微电网也可以看成是一个单一的可控负荷。能量管理器潮流控制器静态开关线路C：可中断负荷线路B：可调节负荷线路A：敏感负荷图2CERTS提出的微电网结构Fig.2ThestructureofmicrogridputforwardbyCERTS第32卷第16期电网技术29从图2可以看出，该微电网有3类对供电质量有不同要求的负荷，即敏感负荷、可调节负荷、可中断负荷。馈线C和主网有直接联系，当主网的供电质量出现诸如电压跌落等问题时，静态开关将跳开，线路A和线路B形成独立运行的系统，直到主网恢复到正常状态。CERTS微电网是一个分散的即插即用系统(plug-and-playsystem)，整个系统的灵活性很好，发电机组可以安置在能够使能量得到充分利用的地方，进而提高了能量的利用率。CERTS微电网的可行性研究已经在威斯康星大学麦迪逊分校的实验室得到了初步检验。威斯康星大学麦迪逊分校微电网于2001年建立，目前的系统容量为200kW，电压等级为280V/480V。CERTS计划对微电网进行全面检验，近期，美国俄亥俄州哥伦布杜兰技术中心已经开始了对微电网的全面测试。CERTS的微电网设计理念是不采用快速电气控制、单点并网不上网、提供多样化的电能质量与供电可靠性、随时可接入的DERs等。这些突出的特点使它成为世界上所提出的微电网中昀权威、认可度昀高的一个。2.3其他微电网研究美国能源部还与通用电气共同资助了第二个“通用电气(GeneralElectricCompany，GE)全球研究(GlobalResearch)”计划，投资约400万USD。GE的目标是开发出一套微电网能量管理系统(microgridenergymanagement，MEM)，使它能向微电网中的器件提供统一的控制、保护和能量管理平台。MEM的设计旨在通过优化对微电网中互联元件的协调控制来满足用户的各种需求，如运行效率昀高、运行成本昀小等等。这项微电网计划分两个阶段施行，第一个阶段已经完成，该阶段主要对一些基础的控制技术和能量管理技术方面进行研究，并探索该计划的市场前景。第二阶段计划在2008年中完成，主要是将第一阶段的技术在具体的模型下进行仿真，并建造示范工程进行具体的实现。这项微电网计划对于目前该领域的其他微电网研究是一个很好的补充。CERTS微电网研究主要集中在对DERs的设计和鲁棒控制，GE微电网则更多地关注在外部监控回路的研发上，以及对能量利用和运行成本的优化上。除了上述微电网研究之外，在美国还开展了许多在这方面的研究，它们促进了微电网的发展，如加州能源委员会资助的分布式效能集成测试平台、美国国家可再生能源实验室所完成的对佛蒙特州微电网的安装和运行的检验。3欧洲微电网的研究现状3.1概述欧洲DERs的研究和发展主要考虑的是有利于满足能源用户对电能质量的多种要求以及欧洲电网的稳定和环保要求等。微电网被认为是未来电网的有效支撑，它能很好地协调电网和DERs之间的矛盾，充分发挥DERs的优势。欧洲各国对微电网的研究越来越重视，近几年来各国之间开展了许多合作和研讨。2005年，欧洲提出“SmartPowerNetworks”概念[16]，欧盟微电网项目(EuropeanCommissionProjectMicrogrids)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，