分布式电源与微网管控技术综述

摘 要：分布式电源具有投资省、方式灵活、与环境兼容等特点，是实现新能源利用的重要组成。为了降低分布式电源的不利影响而使光伏发电单元、风力发电单元、负荷、储能装置和控制装置等构成的小型电网-微电网，微网满足电能质量和供电可靠性、安全性。微电网管控技术是微电网稳定可靠运行的关键技术。基于此，文中重点介绍风力和光伏等分布式发电技术，以及基于分布式电源的微网管理控制技术。探讨该领域的研究热点和发展前景。

关键词：分布式电源；微电网；光伏发电；风力发电；管理控制

Distributed generation and Microgrid control technology

WANG Jun, LIN Li, LI Quan, SUN Zhang, WANG Hui-ling

（Xihua University Institute of electric information, Sichuan Chengdu 610039）

Abstract: Distributed power supply has investment province, flexibility, compatibility with the environment and other characteristics, is the realization of the utilization of new energy sources. In order to reduce the adverse effects of distributed power and make the photovoltaic generating unit, a wind power generation unit, load, energy storage device and control apparatus consisting of small power - micro grid, micro network satisfies the power supply reliability and quality, safety. Micro electric network control technology is stable and reliable operation of micro power system key technology. Based on this, this paper focuses on the introduction of wind and photovoltaic distributed power generation technology, and based on the distributed power control technology of micro net management. To explore the field of research and development prospects.

Keywords: distributed power supply; microgrid; photovoltaic power generation; wind power generation; management and control

全球能源危机及环境恶化已成为全球关注的重点问题。可持续发展思想迅速成为国际社会共识，开发利用可再生能源开始受到世界各国的广泛关注。我国目前已全面迈出建设坚强智能电网的步伐，满足经济快速发展对电力的需求。智能电网建设的一项重要内容便是实现新能源的利用，着力实现可再生能源集约化开发、大规模、远距离输送和高效利用，改善能源结构。分布式电源这些技术具有投资省、发电方式灵活、与环境兼容等特点，基于分布式电源建立的微网，又可以提供传统的电力系统无可比拟的可靠性和经济性，越来越多应用于电网。

本文阐述了分布式电源的特点，重点介绍了分布式电源的典型技术如太阳能和风能发电技术。并对并网带来的技术问题进行简单的探讨。与此同时介绍了微网管控技术进行阐述。

1 研究背景

1.1 分布式电源的概念及其背景

分布式电源[1]指小型(容量一般小于50 MW)、向当地负荷供电、可直接连到配电网上的电源装置。它包括分布式发电装置与分布式储能装置。

分布式发电(DG)装置一般分为两类化石能源发电和可再生能源发电。石能源发电常见的如热电冷联产发电、燃气轮机发电和内燃机组发电。可在能能源是近年研究的热点，它包括水力、风能、地热、太阳能、生物能及潮汐发电。其中风能在我国发展迅速，近10年，新疆、内蒙、广东、浙江、辽宁建几十个风场，总装机2 000多万kW，2015年末并网风电装机容量达1亿千瓦。预计到2030年风力发电将为人类提供三成电力 。光伏发电技术已经开始市场化运作，我国兆瓦级的光伏电站有宁夏石嘴10兆瓦光伏电站，上海崇明1兆瓦光伏电站，上海临港新城1.2兆瓦光伏，浙江2兆瓦级屋顶光伏电站，贺兰山脉50兆瓦光伏电站。2009年7月21日，财政部、科技部、国家能源局联合发布了《关于实施金太阳示范工程的通知》，决定综合采取财政补助、科技支持和市场拉动方式加快国内光伏发电的产业化和规模化发展，并计划在2～3年内，采取财政补助方式支持不低于500兆瓦的光伏发电示范项目。该项目诞生意味着太阳能产业在政策面上，将会得到更大力度的支持。

分布式储能[2](DES)装置有电化学储能(如蓄电池储能装置)、电磁储能(如超导储能和超级电容器储能等)、机械储能装置(如飞轮储能和压缩空气储能等)，热能储能装置。

1.2 微网概念

微网[3-4]是将分布式电源、负荷、储能装置和控制装置结合，形成一个单一可控的供电系统。微网内部的电源主要是由电力电子装置负责能量转换，并提供必须的控制；微网相对外部大电网表现为单一的可控单元，同时满足用户对电能质量和供电可靠性、安全性的要求。从2000开始，欧盟提出了微网工程(Micro grids Project)，随后美国，日本和加拿大相继开始微网的研究，系统实验证明微网的运行、控制、保护和安全性。

2 分布式电源技术研究

2.1 光伏并网技术

由于传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，为实现能源的可持续发展，全世界都把目光投向了可再生能源。这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。太阳能是一种分布极其广泛，储量十分巨大，易于为人们利用的清洁可再生能源。太阳能光伏发电成为了人们获取清洁可再生能源的重要途径。

(1)光伏发电系统的组成与控制

光伏发电系统由光伏电池板阵列、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、控制器组成。其中DC/DC变换器将光伏电池板所发出的电能变换成为稳定的直流电压，同时实现最大功率点跟踪控制；DC/AC逆变器将稳定的直流电变成稳定的交流电，经过滤波器滤波，然后再经过变压器与电网相连或直接带负载[5]。

光伏发电系统主要作为可再生分布式电源，向独立发电系统或者电力网络供电，具有一般电力系统电源的特点。由于受光伏电池板的输出功率限制，所以光伏发电系统的输出功率都不是很高，功率等级一般为千瓦至兆瓦级。

光伏发电系统的传输能量来源于光伏电池，从电池输出分析，输出电压和电流曲线是非线性的，二者之间有一定的约束条件，并受光照强度和温度的影响，输出功率会有变化。光伏并网系统直流侧的伏安特性曲线呈非线性，但有功和无功输出都是可控的，在一定条件下可以实现有功和无功的解耦控制。

光伏发电系统需要对系统的输出电流和输出功率进行控制，常用的控制为电流内环和功率外环的双闭环控制。内环控制主要采用各种优化的PWM控制策略，外环主要是保证系统处于最大功率点输出而采用最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制；并且为了使系统的输出功率因数满足国标要求，通常还需要对电网电压进行锁相控制[6]。

随着社会的发展，人们对光伏发电系统的各种要求也越来越高，因此，现代的光伏发电系统还包含逆变器并联控制技术以实现光伏并网系统的扩容，孤岛检测技术以防止系统的岛运行，低压穿越技术以满足系统故障运行标准等。

(2)光伏发电的发展历程

我国于1958年开始研究光伏发电，1971年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星上。我国光伏工业在上世纪八十年代的发展处于起步阶段。受到价格和产量的限制，市场发展很缓慢，除了作为卫星电源，在地面上太阳能电池仅用于小功率电源系统，功率一般在几瓦到几十瓦之间。

在“六五”和“七五”期间，国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给以支持，中央和地方政府在光伏领域的资金投入，使得我国的光伏发电产业逐步发展起来，有了一系列的成果。

1995年，在西藏的无水力无电县，建成两个功率分别为10千瓦和20千瓦的光伏电站。2002 年，国家计委启动“西部省区无电乡通电计划”，通过分布式发电解决西部七省区(西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙古、陕西和四川)700多个无电乡的用电问题，光伏用电量达到15.5兆瓦。

2003年底，中国太阳能电池的累计装机已经达到55兆瓦。2004年8月，总容量为 1 兆瓦的当时国内装机容量最大的太阳能发电系统在深圳投入应用。到2006年，我国太阳能电池的装机量已达到 80 兆瓦。2007 年，中国光伏发电累计装机总量已达 10万千瓦。至2008 年底，我国太阳能光伏发电累计装机约为 15 万千瓦[7]。

(3)光伏发电的成本问题

光伏发电的成本，决定了其能否与传统电力行业相竞争。由数据可知，光伏发电成本随着产业的发展而不断降低。与传统电力相比，目前光伏发电成本仍然比较高，大大阻碍了太阳能光伏发电的推广和使用。故其暂时还无法同火电、风电等竞争。然而近期太阳能光伏发电的大规模市场发展和快速的技术进步正在使光伏系统设备和发电成本[8]有效降低，预计未来几年每千瓦时发电成本可降为1.5元人民币以下。

(4)光伏发电的展望

太阳能发电有着良好的发展前景。太阳辐射到地球表面的能量相当于目前全世界一年能源总消耗量的3.5万倍。从长远看，太阳能光伏发电在将来不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主要部分。根据欧洲JRC的预测，到2030年太阳能光伏发电在世界总电力的供应中将达到10%以上；2040年太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到21世纪末太阳能发电将占到60％以上。

在我国发展大型光伏发电系统，是改变和优化电力结构的理想选择，也是可持续电力供应的理想模式。根据科学家何祚庥院士提出的观点，荒漠电站是最具发展力的项目，仅内蒙古沙漠地区的太阳能就可以解决中国未来的能源问题。大型沙漠光伏电站由于利用沙漠荒地，可大幅度减少土地利用和投资成本。根据国家发改委的规划，到2020年底累计沙漠(戈壁)光伏电站装机达到200兆瓦。

国家发改委和一些省区政府正积极规划、部署和实施大型光伏发电项目。青海太阳能光伏发电总装机容量在全省范围内达到300兆瓦；到2013年，太阳能光伏发电总装机容量达到1吉瓦。甘肃敦煌10兆瓦并网光伏发电示范工程项目2008年9月已获国家能源局复函，同意采取特许权招标方式建设，光伏发电项目特许经营期25年。甘肃发改委希望以规模化的市场需求带动建立20～30个类似光伏发电项目。

光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色，按照国家发改委编制的《可再生能源中长期发展规划》，到2020年累计装机容量将达到30吉瓦，预计2050年我国电力装机容量30亿千瓦(按年均增长3%估算)中，太阳能发电装机容量可达6亿千瓦。

2.2 风力发电并网技术[9]-[10]

风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术。风力发电机组并网运行时。要求发电机的输出频率与电网频率一致。风力发电并网技术可分为恒速恒频并网技术和变速恒频并网技术两大类。

恒速恒频采用失速调节或主动失速调节的风力发电机，以恒速运行时，主要采用异步感应发电机；变速恒频采用电力电子变频器将发电机发出的频率变化的电能转化成频率恒定的电能。变速恒频发电技术有因最大限度地捕捉风能、较宽的转速运行范围、可灵活调节系统的有功功率和无功功率和采用先进的PWM控制等优点，逐渐成为当前风力发电的主流技术。双馈风力发电并网和直驱风力发电并网是风能并网的两种主要形式，它们有相同之处又有各自的特点。

(1)双馈风力发电并网特点

①双馈风力发电并网有独立的有功、无功调节能力。

②可在变速情况下实现并网。

③在空载并网和带独立负载并网两种方式中，转子励磁变流器直接与电网连接，双馈发电机定子与电网经过开关连接；而孤岛方式则是定子与转子励磁变流器直接相连，在经过开关连接到电网，电网经过预充电变压器与直流母线电容连接。

(2)直驱风力发电并网特点

①直驱式风力发电常见的并网拓扑结构最采用双PWM型变流电路。

②该电路的优点是可以对网侧和机侧分别进行控制，能够与大阻抗的同步发电机相连接，与二极管不可控整流相比，输入电流为正弦波减少了发电机的铜耗和铁耗，可实现单位功率因数并网。

③直驱式风力发电并网对控制系统的基本要求有：需要对机组的运行状态进行监测；需要对机组的启动、并网、运行、脱网、停机、急停等进行控制；需要对机组进行一定的优化控制。

3 微网管控技术及其应用

微电网管控技术是保障微电网稳定可靠运行的关键性技术，微网管控技术的研究重点主要集中在负荷预测、分布电源发电预测、微电网潮流分析、电能质量管理及经济调度算法方面的研究。

3.1 微电网负荷预测

将负荷的历史数据加以处理，并结合当时的具体情况(气候因素、设备故障等)加以修正，对微网单元的负荷变化情况做出短期预测。目前主要的负荷预测算法[11-14]有：时间序列方法、回归分析法、指数平滑化法和神经网络算法等。时间序列方法优点是所需数据少、工作量小、计算速度较快反映了负荷近期变化的连续性，时间序列方法存在的不足是建模过程比较复杂，需要较高的理论知识；回归分析法的优点是计算原理和结构形式简单，预测速度快，外推性能好，存在的不足是对历史数据要求较高，结构形式过于简单，精度较低。指数平滑法的原理是加权平均，通过平滑作用可以消除序列中的随机波动，但很难反映当前的经济、天气等变换情况。神经网络算法，人工神经网络短期预测有较好的精度，具有信息记忆、自主习、知识推理和优化计算等智能处理能力，其不足之处在于神经网络的层数和神经元个数多依据主观经验确定，难以科学地确定网络结构，学习速度慢和存在局部极小点等。

3.2 微电网发电预测

(1)光伏发电系统

Tcell=T+■×S(1)

Pmax=Pn[1-0.5%(Tcell-T0)](2)

其中：Pn表示光伏电池在标准条件下的功率输，Tcell为光伏电池内部温度，T为电池的外部温度，NCOT模块温度指示值，S为日照强度。对光伏系统的发电功率预测根据式(1)和(2)结合环境温度、日照强度综合考虑。

(2)风力发电系统

在公式Pw=1/2ρAV3中，Pw为风力机功率，ρ为空气密度，A是截面面积，V是垂直吹过截面的风速，对风力发电系统发电量预测时应将发电单元的发电能力与风速、空气密度结合起来。

3.3 电能质量管理

由于风力资源和太阳能资源的不确定性和波动性以及各微源子系统的运行特性使得各子系统的输出特性出现波动，从而会影响电网的电能质量。微网的电能质量主要存在电压波动和电力谐波与间谐波的问题，因此需要对微网中电能的波形质量进行在线监测，并采取相应的补偿措施。

3.4 经济调度

电力系统经济调度分为静态调度和动态调度，其中动态经济调度考虑了各时段之间的内在联系，更加符合系统的实际运行要求[15-18]。针对经济调度中存在的各种各样问题，许多优化算法及改进的算法不断涌现，如动态规划法、神经网络、遗传算法等等。其中动态规划法编程简单，但状态离散点数目多，易造成“维数灾”；神经网络具有学习能力，便于调度知识的提取，其并行处理能力能够满足实时调度的需要，但该方法需要大量的训练样本和很长的训练时间才能保证调度的效果；另外随问题规模的增大，网络的规模也将急剧增大；遗传算法在机组组合、优化调度等领域中都有成功的应用，但其自身存在的不足(局部搜索能力差、存在未成熟收敛和随机游走现象)导致算法的收敛性能差，需要很长时间才能找到最优解；粒子群优化算法是由美国社会心理学家James Kennedy和电气工程师Russell Eberhart在1999年IEEE国际神经网络会议共同提出的，其本质上是一种多代理算法，对复杂非线性问题具有较强的寻优能力，且简单通用、鲁棒性强、实现容易、精度高收敛快，在解决实际问题中具有优越性。

4 分布式电源与管控平台的特点与竞争优势

(1)适合国情

构建配电网末端的分布式电源应用体系，既能有效控制对配电网的不良影响，又能实现对分布式电源电能和电力主网电能的经济高效利用，同时产权清晰，有利于今后的商业运营，更适合我国的实际情况。

(2)安全可控

产品管控的分布式电源工作在变压器的380 V低压侧，提供并网控制与保护功能，对配电网的影响很小。提供并网与孤岛运行的安全切换和运行管理，确保在配电网发生停电、限电、故障时，能够保证一定时间内的持续供电，又能确保计划性检修时的安全。

(3)经济高效

产品能够实现多种分布式电源的灵活利用与协同工作，充分发挥各种分布式电源的互补优势和规模化效应。在谷段电价时进行蓄电，在峰段供电，既实现了对电网电能的经济利用，为用户节省了用电成本。

5 结束语

随着电力系统的发展，电网互联已成为一种发展的必然趋势，其中分布式电源因其投资省、发电方式灵活、与环境兼容等特点，日益普遍的与大电网进行并网运行。因此，如何对各种分布式电源的并网运行进行有效的控制对现代电力系统的发展具有重要的意义。分布式发电的应用是可再生能源的发展趋势。加速发展大型分布式电源并网发电，是改变和优化电力结构的理想选择，也是可持续电力供应的理想模式。并且分布式发电的发展有利于实现电力产业的多元化，可以通过引进、研发和储备大量多元化的分布式发电技术把产业推向更高的层次，有利于分布式发电在更宽广的领域中的应用。我们有充分理由相信未来的大型输电线路和传统供电系统，必将会被洁净、小型的分布式电源所代替。

参考文献

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