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【摘要】《分布式光伏发电微电网供能系统实践教学研究》是郑州市教育局《关于郑州民办高校教育教学中重要课题的研究》立项研究项目。该课题坚持改革与建设紧密结合，研究与实践紧密结合，专业建设与地方经济紧密结合，把国家的能源发展策略落实到实践教学当中，为行业发展提供理论支撑，更好地服务于中原经济区建设。本文从我国能源现状分析、分布式发电供能系统发展前景展望、分布式光伏发电供能系统的技术应用研究和微电网供电可靠性的研究四个方面对本课题进行了论证。
【关键词】分布式 微电网 研究
【Abstract】"Distributed micro-grid PV systems for energy research practice teaching "is the Zhengzhou Municipal Bureau of Education" on the Zhengzhou private colleges teaching an important research topic "project research projects. The topics closely adhere to the reform and construction， research and practice closely， closely combined with professional construction and the local economy， the country's energy development strategy into practice teaching， to provide theoretical support for the development of the industry， to better serve the Central Plains Economic Zone construction. From the analysis of China's energy situation， the development of distributed power generation systems for energy outlook， distributed photovoltaic power generation technology for the application of energy systems and research in four areas of micro-grid reliability were demonstrated on the subject.
【Keywords】Distributed Micro Grid Research
1.我国能源现状分析
传统的煤炭、石油等一次能源是不可再生的，终归要走向枯竭。因此，提高能源利用效率、开发新能源、加强可再生能源的利用，就成为解决我国经济和社会快速发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择。研究与实践已表明，随着全球能源领域竞争的加剧和世界各国在相关领域投资的不断加大，分布式发电供能技术得到了迅速发展，其发电成本越来越低，尤其是风力发电、太阳能发电和采用燃气机组的冷/热/电联供（CCHP）系统的经济性，几乎可以与传统的发电方式相竞争。采用分布式发电供能技术，有助于充分利用各地丰富的清洁和可再生能源，向用户提供"绿色电力"，是实现我国"节能减排"目标的重要举措。分布式发电供能是提高可再生能源利用水平，解决当今世界能源短缺和环境污染问题的重要途径。
2.分布式发电供能系统发展前景展望
分布式发电供能是指利用各种可用的分散存在的能源，包括可再生能源（太阳能、生物质能、小型风能、小型水能、波浪能等）和本地可方便获取的化石类燃料（主要指天然气）进行发电供能，是分布式能源最清洁、最高效的利用方式。作为技术较为成熟的可再生能源发电方式之一，光伏发电技术逐渐受到国际社会的重视。我国已将新能源作为七大战略性新兴产业之首，2020年新能源将成为国民经济的先导产业之一；《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将"可再生能源低成本规模化开发利用"确定为能源重点领域优先主题。到2020年，光伏发电将在能源供给和节能减排上作出实质性贡献。大型光伏电站的发展趋势是：（1）电站容量越来越大，向百兆瓦甚至千兆瓦级发展；（2）并网逆变器大型化，采用上百千瓦到兆瓦级甚至更大容量的光伏并网逆变器；（3）电站接入电网电压等级越来越高；（4）电网适应性要求提高，提出了光伏电站具备有功/无功控制能力、低电压穿越能力，以及能够参与电网调度等技术要求。 随着光伏电站规模的增大，光伏电站对电网的影响逐渐显现：首先，光伏电站出力具有间歇性、随机性和波动性，目前大型光伏电站还不具备有功功率和无功功率调节能力，不能参与支撑电网的安全稳定运行，并且由于不具备低电压穿越能力，在电网发生短路等大扰动故障时极易发生脱网现象，有时会导致恶化电网的安全稳定；其次，大型光伏电站容易引起电网谐波和电压变动等电能质量超标问题。
3.分布式光伏发电供能系统的技术应用研究
以分布式光伏发电微电网供能系统的高效应用为出发点，结合光伏电源、储能装置和负荷的供、用电特性，研究独立型光伏发电系统和分布式光伏发电并网系统的新型控制、分布式光伏发电直流型微电网拓扑结构与控制、分布式光伏发电交直流型微电网控制，基于中心城镇办公楼宇供电特点，建设一套分布式光伏发电微电网实验平台，建设特色光伏专业，拓展实践教学，为学生成才提供实践平台；同时获得微电网运营时的实际数据，为行业发展提供理论依据。本课题结合不同的分析方法和技术手段，从以下几方面提出新的供能系统应用形式和工作原理，解决现有技术中存在的问题，从而更好地为地方经济服务。 3.1 建立各种分立元件的仿真模型
以及带各种控制方法的光伏电源模块模型，为分布式光伏发电微电网供能系统研究、仿真提供方便。
3.2 针对常用的独立型光伏发电系统拓扑结构
分析系统各种工作状态，以及系统基于能量管理控制器的传统控制策略的研究：对系统各种工作模式下维持能量平衡的控制方法进行研究，并基于阻性负荷随母线电压上升获取功率逐渐增大规律及能量平衡原理，实现对光伏电池输出功率的平滑控制，代替传统控制下的工作模式转换。
3.3 微电网内光伏电池阵列因地制宜分布式配置
并通过DC/DC电路联接到各供电单元低压分支直流母线，系统通过分支直流母线为本地负荷提供电能，既方便光伏电池阵列接入又方便供电电压等级不高的数码电器等直流负荷获取电能；同时设置高压主直流母线通过双向DC/DC电路联接各供电单元和储能装置，便于较远距离传输电能时降低电能损耗。直流型微电网依据能量平衡原理，对微电网内母线电压进行控制，确保系统稳定；为提高供电可靠性，微电网通过功率因数校正电路与公共电网单向联系。
3.4 两级三相并网逆变器无直流链电压传感器控制策略的研究
该控制策略不再需要传统控制中必需的直流链电压传感器，在不降低逆变器整体性能的基础上，取消直流链电压传感器及其相关电路，减少电磁干扰对采样系统的影响，该策略可以提高系统的可靠性，同时还降低了成本。
3.5 两级并网逆变器直流侧无电压传感器控制策略的研究
该控制策略进一步利用前级光伏电池端DC/DC电路在电感电流连续模式下输入、输出电压与占空比的对应关系，仅需测量光伏电池电流来实施MPPT的方法。该控制策略在实现光伏电池阵列最大功率并网发电以及不降低逆变输出性能的基础上，取消了两级并网逆变器直流侧所有电压传感器及其相应电路。
3.6 离网模式下交流微电网逆变器并联控制策略的研究
直流微电网侧逆变器为主逆变器，采用恒电压幅值和p-f下垂控制建立交流微电网电压，其它少数就近接入交流母线的分布式光伏电源小容量逆变器为从逆变器，采用p-f下垂控制策略，基于控制光伏电池阵列工作于恒流源特性区来对其最大功率进行实时估算，从而自适应地修改p-f下垂系数，使得分布式光伏电源逆变器输出功率跟随光伏电池阵列最大功率变化：当其最大功率变小时，逆变器输出功率变小；当其最大功率变大时，逆变器输出功率也变大。
3.7 微电网实验平台的研究
建设一套以光伏发电为主的微电网实验平台，获得微电网运营时的实际数据，为研究和验证分布式光伏发电系统和微电网控制机理等提供实用化的基础实验平台，实现分布式光伏发电系统和光伏发电直流微电网仿真与专业教学的对接，为专业建设服务。
4.微电网供电可靠性的研究
微电网也称微网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的系统，具有自治、稳定、兼容、灵活的特点。既可与外部大电网并网运行，也可以孤立运行。并网运行时可由外部电网和内部分布式电源联合向负荷供电，当外部电网出现故障或存在电能质量问题时，可由微电网中心控制系统控制微电网与主网断开实现孤立运行，即仅由内部分布式电源给负荷供电，当故障解除后，微电网重新恢复并网运行。
现有研究和实践已表明，将分布式发电供能系统以微网的形式接入大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电供能系统效能的最有效的方式。通过在用户侧安装分布式电源并形成微网，有助于消除输配电瓶颈、减少网络损耗，延缓发/输/配电系统的建设等；分布式发电供能系统由于采用就地能源，可以实现分区分片灵活供电，通过合理的规划设计，在大电网崩溃和意外灾害（例如地震、暴风雪、人为破坏、战争）出现时，由于微网可以孤网独立运行，可保证重要用户供电不间断，并为大电网崩溃后的快速恢复提供电源支持。分布式发电供能技术还可利用天然气、冷、热能易于在用户侧存储的优点，通过与大电网配合运行，实现电能在用户侧的分布式替代存储，从而间接解决电能无法大量存储这一世界性难题，促进电网更加安全高效运行。另一方面，分布式发电供能系统与大电网并网运行，有助于克服一些分布式电源的间歇性给用户负荷造成的不利影响，进而提高系统供电的电能质量。
总之，大电网与分布式发电供能系统相结合，不仅有助于提高分布式发电的供能质量，有助于分布式发电技术的大规模推广应用；也有助于防止大面积停电，提高电力系统的安全性和可靠性，增强电网抵御自然灾害的能力，对于电网乃至国家安全都有重大现实意义。
参考文献
[1] 陈哲照，薛媛，王涛，王云鹏.分布式电源并网系统控制策略的研究[J].电力电子技术，2008，42（4）：41-44.
[2] 王建，李兴源，邱晓燕.含有分布式发电装置的电力系统研究综述[J].电力系统自动化，2005，29（24）：90-97.
[3] 王志群，朱守真，周双喜.分布式发电对配电网电压分布的影响[J].电力系统自动化，2004，28（16）：56-60.
[4] 刘杨华，吴政球，涂有庆，黄庆云，罗华伟.分布式发电及其并网技术综述[J].电网技术，2008，32（15）：71-75.
[5] 王成山，肖朝霞，王守相.微网综合控制与分析[J].电力系统自动化，2008，32（7）：98-103.
[6] 杨占刚，王成山，车延博.可实现运行模式灵活切换的小型微网实验系统[J].电力系统自动化，2009，33（14）：89-92.
【关键词】分布式 微电网 研究
【Abstract】"Distributed micro-grid PV systems for energy research practice teaching "is the Zhengzhou Municipal Bureau of Education" on the Zhengzhou private colleges teaching an important research topic "project research projects. The topics closely adhere to the reform and construction， research and practice closely， closely combined with professional construction and the local economy， the country's energy development strategy into practice teaching， to provide theoretical support for the development of the industry， to better serve the Central Plains Economic Zone construction. From the analysis of China's energy situation， the development of distributed power generation systems for energy outlook， distributed photovoltaic power generation technology for the application of energy systems and research in four areas of micro-grid reliability were demonstrated on the subject.
【Keywords】Distributed Micro Grid Research
1.我国能源现状分析
传统的煤炭、石油等一次能源是不可再生的，终归要走向枯竭。因此，提高能源利用效率、开发新能源、加强可再生能源的利用，就成为解决我国经济和社会快速发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择。研究与实践已表明，随着全球能源领域竞争的加剧和世界各国在相关领域投资的不断加大，分布式发电供能技术得到了迅速发展，其发电成本越来越低，尤其是风力发电、太阳能发电和采用燃气机组的冷/热/电联供（CCHP）系统的经济性，几乎可以与传统的发电方式相竞争。采用分布式发电供能技术，有助于充分利用各地丰富的清洁和可再生能源，向用户提供"绿色电力"，是实现我国"节能减排"目标的重要举措。分布式发电供能是提高可再生能源利用水平，解决当今世界能源短缺和环境污染问题的重要途径。
2.分布式发电供能系统发展前景展望
分布式发电供能是指利用各种可用的分散存在的能源，包括可再生能源（太阳能、生物质能、小型风能、小型水能、波浪能等）和本地可方便获取的化石类燃料（主要指天然气）进行发电供能，是分布式能源最清洁、最高效的利用方式。作为技术较为成熟的可再生能源发电方式之一，光伏发电技术逐渐受到国际社会的重视。我国已将新能源作为七大战略性新兴产业之首，2020年新能源将成为国民经济的先导产业之一；《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将"可再生能源低成本规模化开发利用"确定为能源重点领域优先主题。到2020年，光伏发电将在能源供给和节能减排上作出实质性贡献。大型光伏电站的发展趋势是：（1）电站容量越来越大，向百兆瓦甚至千兆瓦级发展；（2）并网逆变器大型化，采用上百千瓦到兆瓦级甚至更大容量的光伏并网逆变器；（3）电站接入电网电压等级越来越高；（4）电网适应性要求提高，提出了光伏电站具备有功/无功控制能力、低电压穿越能力，以及能够参与电网调度等技术要求。 随着光伏电站规模的增大，光伏电站对电网的影响逐渐显现：首先，光伏电站出力具有间歇性、随机性和波动性，目前大型光伏电站还不具备有功功率和无功功率调节能力，不能参与支撑电网的安全稳定运行，并且由于不具备低电压穿越能力，在电网发生短路等大扰动故障时极易发生脱网现象，有时会导致恶化电网的安全稳定；其次，大型光伏电站容易引起电网谐波和电压变动等电能质量超标问题。
3.分布式光伏发电供能系统的技术应用研究
以分布式光伏发电微电网供能系统的高效应用为出发点，结合光伏电源、储能装置和负荷的供、用电特性，研究独立型光伏发电系统和分布式光伏发电并网系统的新型控制、分布式光伏发电直流型微电网拓扑结构与控制、分布式光伏发电交直流型微电网控制，基于中心城镇办公楼宇供电特点，建设一套分布式光伏发电微电网实验平台，建设特色光伏专业，拓展实践教学，为学生成才提供实践平台；同时获得微电网运营时的实际数据，为行业发展提供理论依据。本课题结合不同的分析方法和技术手段，从以下几方面提出新的供能系统应用形式和工作原理，解决现有技术中存在的问题，从而更好地为地方经济服务。 3.1 建立各种分立元件的仿真模型
以及带各种控制方法的光伏电源模块模型，为分布式光伏发电微电网供能系统研究、仿真提供方便。
3.2 针对常用的独立型光伏发电系统拓扑结构
分析系统各种工作状态，以及系统基于能量管理控制器的传统控制策略的研究：对系统各种工作模式下维持能量平衡的控制方法进行研究，并基于阻性负荷随母线电压上升获取功率逐渐增大规律及能量平衡原理，实现对光伏电池输出功率的平滑控制，代替传统控制下的工作模式转换。
3.3 微电网内光伏电池阵列因地制宜分布式配置
并通过DC/DC电路联接到各供电单元低压分支直流母线，系统通过分支直流母线为本地负荷提供电能，既方便光伏电池阵列接入又方便供电电压等级不高的数码电器等直流负荷获取电能；同时设置高压主直流母线通过双向DC/DC电路联接各供电单元和储能装置，便于较远距离传输电能时降低电能损耗。直流型微电网依据能量平衡原理，对微电网内母线电压进行控制，确保系统稳定；为提高供电可靠性，微电网通过功率因数校正电路与公共电网单向联系。
3.4 两级三相并网逆变器无直流链电压传感器控制策略的研究
该控制策略不再需要传统控制中必需的直流链电压传感器，在不降低逆变器整体性能的基础上，取消直流链电压传感器及其相关电路，减少电磁干扰对采样系统的影响，该策略可以提高系统的可靠性，同时还降低了成本。
3.5 两级并网逆变器直流侧无电压传感器控制策略的研究
该控制策略进一步利用前级光伏电池端DC/DC电路在电感电流连续模式下输入、输出电压与占空比的对应关系，仅需测量光伏电池电流来实施MPPT的方法。该控制策略在实现光伏电池阵列最大功率并网发电以及不降低逆变输出性能的基础上，取消了两级并网逆变器直流侧所有电压传感器及其相应电路。
3.6 离网模式下交流微电网逆变器并联控制策略的研究
直流微电网侧逆变器为主逆变器，采用恒电压幅值和p-f下垂控制建立交流微电网电压，其它少数就近接入交流母线的分布式光伏电源小容量逆变器为从逆变器，采用p-f下垂控制策略，基于控制光伏电池阵列工作于恒流源特性区来对其最大功率进行实时估算，从而自适应地修改p-f下垂系数，使得分布式光伏电源逆变器输出功率跟随光伏电池阵列最大功率变化：当其最大功率变小时，逆变器输出功率变小；当其最大功率变大时，逆变器输出功率也变大。
3.7 微电网实验平台的研究
建设一套以光伏发电为主的微电网实验平台，获得微电网运营时的实际数据，为研究和验证分布式光伏发电系统和微电网控制机理等提供实用化的基础实验平台，实现分布式光伏发电系统和光伏发电直流微电网仿真与专业教学的对接，为专业建设服务。
4.微电网供电可靠性的研究
微电网也称微网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的系统，具有自治、稳定、兼容、灵活的特点。既可与外部大电网并网运行，也可以孤立运行。并网运行时可由外部电网和内部分布式电源联合向负荷供电，当外部电网出现故障或存在电能质量问题时，可由微电网中心控制系统控制微电网与主网断开实现孤立运行，即仅由内部分布式电源给负荷供电，当故障解除后，微电网重新恢复并网运行。
现有研究和实践已表明，将分布式发电供能系统以微网的形式接入大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电供能系统效能的最有效的方式。通过在用户侧安装分布式电源并形成微网，有助于消除输配电瓶颈、减少网络损耗，延缓发/输/配电系统的建设等；分布式发电供能系统由于采用就地能源，可以实现分区分片灵活供电，通过合理的规划设计，在大电网崩溃和意外灾害（例如地震、暴风雪、人为破坏、战争）出现时，由于微网可以孤网独立运行，可保证重要用户供电不间断，并为大电网崩溃后的快速恢复提供电源支持。分布式发电供能技术还可利用天然气、冷、热能易于在用户侧存储的优点，通过与大电网配合运行，实现电能在用户侧的分布式替代存储，从而间接解决电能无法大量存储这一世界性难题，促进电网更加安全高效运行。另一方面，分布式发电供能系统与大电网并网运行，有助于克服一些分布式电源的间歇性给用户负荷造成的不利影响，进而提高系统供电的电能质量。
总之，大电网与分布式发电供能系统相结合，不仅有助于提高分布式发电的供能质量，有助于分布式发电技术的大规模推广应用；也有助于防止大面积停电，提高电力系统的安全性和可靠性，增强电网抵御自然灾害的能力，对于电网乃至国家安全都有重大现实意义。
参考文献
[1] 陈哲照，薛媛，王涛，王云鹏.分布式电源并网系统控制策略的研究[J].电力电子技术，2008，42（4）：41-44.
[2] 王建，李兴源，邱晓燕.含有分布式发电装置的电力系统研究综述[J].电力系统自动化，2005，29（24）：90-97.
[3] 王志群，朱守真，周双喜.分布式发电对配电网电压分布的影响[J].电力系统自动化，2004，28（16）：56-60.
[4] 刘杨华，吴政球，涂有庆，黄庆云，罗华伟.分布式发电及其并网技术综述[J].电网技术，2008，32（15）：71-75.
[5] 王成山，肖朝霞，王守相.微网综合控制与分析[J].电力系统自动化，2008，32（7）：98-103.
[6] 杨占刚，王成山，车延博.可实现运行模式灵活切换的小型微网实验系统[J].电力系统自动化，2009，33（14）：89-92.