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摘要：微电网不仅在电力的发、输、配过程中大大节约了成本，而且提升了整个电网的传输效率，确保了系统的整体可靠性。本文阐述了微电网的概念和历史发展情况、基本结构和运行方式，并对微型电源及其控制策略进行了分析和概括。
关键词：微电网；；微型电源；控制策略
1 引言
随着电力电子技术及现代控制理论的快速发展，智能电网的新成员——微电网显现在人们面前。这里，分布式电源也称作微型电源（MS）。微电网内部有各类MS、储能装置、控制装置和负荷等，通过公共联接点（PCC）联络主网，对外表现为单一可控单元，且仅需PCC处满足IEEE-P1547标准，而无需所有MS均满足此标准[3]。这就为各类MS接入中低压配电网提供了安全可靠的载体。
微电网具有积极的理论意义和应用价值，是当前的研究热点。目前亟待解决的问题有：在孤、并网条件下各类MS的控制策略及运行要求；MS接入后对系统的影响；状态估计时对现有算法作何改进，能否适用于微电网而获得理想结果等。
2 微电网的概念
微电网是由微型电源（MS）、负荷和储能装置在相应控制方式下组成的配电子系统。对于外电网，微电网作为一个可控单元，能迅速满足外部需求；对于负载侧来说，又可作为一个独立的电力系统，满足不同用户的要求，如保持电压稳定、降低馈电线路损耗、使用余热增大能源利用率及保证供电可靠性等。微电网通过PCC和外电网进行电源上的互相备用，基本结构如图1所示[1]。
图1中的微电网包括3条馈线A、B和C，整个网络呈放射状。馈线通过PCC与配电系统相连，可实现孤网与并网运行模式间的无缝转换。其中A和B是重要负荷，安装有多个DG，馈线A中含有一个运行于热电联产的DG，该DG向用户提供热能和电能。馈线C为非敏感负荷，孤网条件下微电网内部过负荷运行时可以切断系统对C的供电。当外界大电网出现故障停电或电力质量问题时，微电网可通过主断路器切断与电网的联系，孤网运行。此时，微电网的负荷全部由DG承担，馈线C继续通过母线得到来自主网的电能并维持正常运行。如果孤网情况下无法保证电能的供需平衡，可以断开馈线C，停止对非重要负荷供电。当故障消除后，主断路器重新合上，微电网重新恢复和主电网功角同步运行，保证系统平稳过渡到孤网前的运行状态。
3 微电网的运行方式
微电网系统的运行模式有并网运行和孤网运行。在正常运行时，微电网通过PCC与外系统并网，供应多余的电能或由电网向自身输入电能以满足电量缺额。此时微电网呈现配电网特性，即为配电网的一部分。其电压、频率都由上级配电网支持，工作在允许范围内，功率分配由内部负荷及MS限额决定[2]。
当系统出现故障时，通过静态开关快速隔离进入孤岛运行模式，MS成为唯一的电源。它们采用不同的控制方法，提供不间断电源以调节负载电压，保持微电网运行于额定电压和额定频率，必要时切除非重要负荷。故障消除后，微电网需同上级配电网重新同步，通过PCC重新连接，平滑返回系统状态并网运行。在这种情况下，多个MS可以就地提供电压支撑和必需电能，减轻了直接从外网购电和传输电能的负担，降低了主网故障时重要负荷受影响的风险[3]。
4 微型电源及其控制方式
在微电网中，MS是微电网的重要组成部分，主要有微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、风力发电机等。它们的特点如下[4]：
（1）微型燃气轮机是以汽油、柴油、天然气等为燃料的超小型汽轮机。发电效率达30%，若热电联产，则可提高到75%以上。它有质量轻、体积小、污染小、发电效率高、检修维护简单等优点，是目前最具市场竞争力、应用最成熟的微型电源。
（2）燃料电池并不燃烧燃料，而是通过电化学过程将燃料的化学能转化为电能。它的原理是通过富氢燃料与空气中的氧结合生成水，从而OH-在外电路定向移动形成电流，这类似于水电解的逆过程。通常燃料电池发电单元由电池反应堆部分、燃料处理部分和电力电子换流控制部分组成。
目前已经研发投产了五种燃料电池：碱性燃料电池（AFC）、聚合電解质膜电池（PEM）、固体电解质燃料电池（SOFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）。这些燃料电池优点明显：①副产品只有热水和少量的CO2，通过联合循环或者热电联产综合利用发出的热能，发电功效几乎是传统发电厂的两倍；②废物排放量几乎为零、清洁环保、噪声低；③安装位置灵活、安装周期短。
（3）光伏电池是将源源不断的太阳能转换为电能的发电装置。国外目前流行的屋顶式光伏电池技术已获得了广泛的应用。德国最著名的两千户屋顶工程已经使超过两千个家庭受益，平均每个发电单元发电量达到3kW。虽然光伏电池受光能强度、投资成本高、电池结温等方面影响，但是它利用的是无穷无尽的太阳能，且不受地域限制、清洁环保、安装灵活和维护方便，仍具有广阔的应用前景。
（4）风力发电机组从能量转换的角度可以分为两部分：风力机和发电机。风能为风力机的叶片提供转矩，该转矩驱动轮毂转动，通过齿轮箱高速轴、联轴器和刹车盘与异步发电机转子相连，从而发电运行。并网技术是风力发电机运行的一大难点，目前常用的风力发电机有：同步发电机、双馈电机和异步发电机，其中使用最广泛的是异步发电机，本文也主要讨论异步发电机模型。风力发电技术比较适用于偏远农村、牧区和海岛等风力资源丰富且无电网的地区，满足居民生产生活上的电力需求。风力发电技术目前在新能源领域已比较成熟，经济指标接近清洁煤发电，因不耗燃料、不污染环境、可再生，运行成本低而广受关注。
5微电网的意义
微电网及各类MS虽然主要与中低压配电网相联，但对整个电力系统的影响却将是巨大而深远的[6]。
（1）对发电、输电系统的影响在于，对新建集中式发电厂和远距离输电线的需求将减少。
（2）对配电系统的影响在于，配电系统将发生根本性的变化，即配电系统将从一个辐射式的网络变为一个遍布电源和用户互联的网络，配电系统的控制和管理将变得更加复杂，配电变电站将成为“有源变电站”。
（3）对整个电力行业的影响在于，微电网及MS的普及将对电力市场的走向和最后格局产生深远的影响。
参考文献
[1] 张建华，黄伟.微电网运行控制与保护技术[M].北京：中国电力出版社，2010
[2] Katiraei F.， Iravani M. R.， Lehn P. W.. Micro-grid Autonomous Operation During and Subsequent to Islanding Process[J]. IEEE Power & Energy Society， 2005， 20（1）： 248-257
[3] 李乐，黄伟，马雪玲.超级电容器储能系统在微电网中的应用[J].陕西电力，2010， （8）： 12-16
[4] 王光亮.能量缓冲器及其在微电网控制中的应用[D].北京：华北电力大学，2009
蒋勇（1977-），本科，担任公司工程综合管理专责，项目前期管理专责。主要负责电力系统继电保护、自动化设备的安装、调试与检修工作。Email：alt2012@126.com
关键词：微电网；；微型电源；控制策略
1 引言
随着电力电子技术及现代控制理论的快速发展，智能电网的新成员——微电网显现在人们面前。这里，分布式电源也称作微型电源（MS）。微电网内部有各类MS、储能装置、控制装置和负荷等，通过公共联接点（PCC）联络主网，对外表现为单一可控单元，且仅需PCC处满足IEEE-P1547标准，而无需所有MS均满足此标准[3]。这就为各类MS接入中低压配电网提供了安全可靠的载体。
微电网具有积极的理论意义和应用价值，是当前的研究热点。目前亟待解决的问题有：在孤、并网条件下各类MS的控制策略及运行要求；MS接入后对系统的影响；状态估计时对现有算法作何改进，能否适用于微电网而获得理想结果等。
2 微电网的概念
微电网是由微型电源（MS）、负荷和储能装置在相应控制方式下组成的配电子系统。对于外电网，微电网作为一个可控单元，能迅速满足外部需求；对于负载侧来说，又可作为一个独立的电力系统，满足不同用户的要求，如保持电压稳定、降低馈电线路损耗、使用余热增大能源利用率及保证供电可靠性等。微电网通过PCC和外电网进行电源上的互相备用，基本结构如图1所示[1]。
图1中的微电网包括3条馈线A、B和C，整个网络呈放射状。馈线通过PCC与配电系统相连，可实现孤网与并网运行模式间的无缝转换。其中A和B是重要负荷，安装有多个DG，馈线A中含有一个运行于热电联产的DG，该DG向用户提供热能和电能。馈线C为非敏感负荷，孤网条件下微电网内部过负荷运行时可以切断系统对C的供电。当外界大电网出现故障停电或电力质量问题时，微电网可通过主断路器切断与电网的联系，孤网运行。此时，微电网的负荷全部由DG承担，馈线C继续通过母线得到来自主网的电能并维持正常运行。如果孤网情况下无法保证电能的供需平衡，可以断开馈线C，停止对非重要负荷供电。当故障消除后，主断路器重新合上，微电网重新恢复和主电网功角同步运行，保证系统平稳过渡到孤网前的运行状态。
3 微电网的运行方式
微电网系统的运行模式有并网运行和孤网运行。在正常运行时，微电网通过PCC与外系统并网，供应多余的电能或由电网向自身输入电能以满足电量缺额。此时微电网呈现配电网特性，即为配电网的一部分。其电压、频率都由上级配电网支持，工作在允许范围内，功率分配由内部负荷及MS限额决定[2]。
当系统出现故障时，通过静态开关快速隔离进入孤岛运行模式，MS成为唯一的电源。它们采用不同的控制方法，提供不间断电源以调节负载电压，保持微电网运行于额定电压和额定频率，必要时切除非重要负荷。故障消除后，微电网需同上级配电网重新同步，通过PCC重新连接，平滑返回系统状态并网运行。在这种情况下，多个MS可以就地提供电压支撑和必需电能，减轻了直接从外网购电和传输电能的负担，降低了主网故障时重要负荷受影响的风险[3]。
4 微型电源及其控制方式
在微电网中，MS是微电网的重要组成部分，主要有微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、风力发电机等。它们的特点如下[4]：
（1）微型燃气轮机是以汽油、柴油、天然气等为燃料的超小型汽轮机。发电效率达30%，若热电联产，则可提高到75%以上。它有质量轻、体积小、污染小、发电效率高、检修维护简单等优点，是目前最具市场竞争力、应用最成熟的微型电源。
（2）燃料电池并不燃烧燃料，而是通过电化学过程将燃料的化学能转化为电能。它的原理是通过富氢燃料与空气中的氧结合生成水，从而OH-在外电路定向移动形成电流，这类似于水电解的逆过程。通常燃料电池发电单元由电池反应堆部分、燃料处理部分和电力电子换流控制部分组成。
目前已经研发投产了五种燃料电池：碱性燃料电池（AFC）、聚合電解质膜电池（PEM）、固体电解质燃料电池（SOFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）。这些燃料电池优点明显：①副产品只有热水和少量的CO2，通过联合循环或者热电联产综合利用发出的热能，发电功效几乎是传统发电厂的两倍；②废物排放量几乎为零、清洁环保、噪声低；③安装位置灵活、安装周期短。
（3）光伏电池是将源源不断的太阳能转换为电能的发电装置。国外目前流行的屋顶式光伏电池技术已获得了广泛的应用。德国最著名的两千户屋顶工程已经使超过两千个家庭受益，平均每个发电单元发电量达到3kW。虽然光伏电池受光能强度、投资成本高、电池结温等方面影响，但是它利用的是无穷无尽的太阳能，且不受地域限制、清洁环保、安装灵活和维护方便，仍具有广阔的应用前景。
（4）风力发电机组从能量转换的角度可以分为两部分：风力机和发电机。风能为风力机的叶片提供转矩，该转矩驱动轮毂转动，通过齿轮箱高速轴、联轴器和刹车盘与异步发电机转子相连，从而发电运行。并网技术是风力发电机运行的一大难点，目前常用的风力发电机有：同步发电机、双馈电机和异步发电机，其中使用最广泛的是异步发电机，本文也主要讨论异步发电机模型。风力发电技术比较适用于偏远农村、牧区和海岛等风力资源丰富且无电网的地区，满足居民生产生活上的电力需求。风力发电技术目前在新能源领域已比较成熟，经济指标接近清洁煤发电，因不耗燃料、不污染环境、可再生，运行成本低而广受关注。
5微电网的意义
微电网及各类MS虽然主要与中低压配电网相联，但对整个电力系统的影响却将是巨大而深远的[6]。
（1）对发电、输电系统的影响在于，对新建集中式发电厂和远距离输电线的需求将减少。
（2）对配电系统的影响在于，配电系统将发生根本性的变化，即配电系统将从一个辐射式的网络变为一个遍布电源和用户互联的网络，配电系统的控制和管理将变得更加复杂，配电变电站将成为“有源变电站”。
（3）对整个电力行业的影响在于，微电网及MS的普及将对电力市场的走向和最后格局产生深远的影响。
参考文献
[1] 张建华，黄伟.微电网运行控制与保护技术[M].北京：中国电力出版社，2010
[2] Katiraei F.， Iravani M. R.， Lehn P. W.. Micro-grid Autonomous Operation During and Subsequent to Islanding Process[J]. IEEE Power & Energy Society， 2005， 20（1）： 248-257
[3] 李乐，黄伟，马雪玲.超级电容器储能系统在微电网中的应用[J].陕西电力，2010， （8）： 12-16
[4] 王光亮.能量缓冲器及其在微电网控制中的应用[D].北京：华北电力大学，2009
蒋勇（1977-），本科，担任公司工程综合管理专责，项目前期管理专责。主要负责电力系统继电保护、自动化设备的安装、调试与检修工作。Email：alt2012@126.com