一、微電網(wǎng)重出江湖之背景

 

今天的電網(wǎng)架構(gòu)和它一百多年前誕生之初并沒有什么本質(zhì)的不同。它的設計基于集中式結(jié)構(gòu)，幾個大型的發(fā)電廠生產(chǎn)電力，再通過電網(wǎng)輸送到幾百數(shù)千公里外的用戶側(cè)。

 

 

盡管有成熟的電力技術(shù)、復雜的網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)和備用設備作為保障，這種集中式的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)的靈活性和可靠性方面還是有所不足。在集中式的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，監(jiān)測和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)在配電網(wǎng)層面相對較為薄弱，更何況在單個用戶的層面，所以這種中心網(wǎng)絡模型從根本上來說缺少必要的對于用戶側(cè)的智能控制和管理能力。

 

其次，發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的變化也給電網(wǎng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，例如新能源的大規(guī)模并網(wǎng)，電動汽車，直流電源或負載等，這些因素在當初電網(wǎng)設計的時候沒有得到充分的考慮，其引發(fā)的不良后果已經(jīng)顯現(xiàn)。以美國電力市場為例，如果僅僅在現(xiàn)有電網(wǎng)的基礎(chǔ)上大規(guī)模并入綠電，網(wǎng)絡擁塞是一個大問題，會導致某些區(qū)域市場的邊際價格驟然增高，從而阻礙了風電、家用光伏等新能源的進一步并網(wǎng)。

 

再者，對于如此復雜龐大的電網(wǎng)，需要承擔高額的運行和維護費用，尤其是在電網(wǎng)基礎(chǔ)設施老化的情況下。電網(wǎng)老化主要體現(xiàn)在四個方面：電器設備老化（例如美國有超過50%的變電所變壓器運行時間超過35年），系統(tǒng)布局老舊，施工管理過時，陳舊的問題解決方案。

 

對于以上問題，小型分布式發(fā)電并入電網(wǎng)是一個解決方案。事實上，這并不是它第一次出現(xiàn)在公眾的視野。19世紀末期電氣化的初始階段，愛迪生提出了建設小型直流電網(wǎng)的概念，但是由于當時的技術(shù)難以實現(xiàn)，特斯拉的交流電網(wǎng)最終勝出，廣為流傳?，F(xiàn)在微電網(wǎng)的回歸，相較于當年愛迪生的版本，運行靈活性、效率和可靠性都有顯著的提升，同時初投資和運行費用也降低了不少。此外，還增加了之前設計所不具有的技術(shù)，例如：電力電子接口，儲能設備，需求側(cè)管理以及智能控制。其中，電力電子技術(shù)可以說是現(xiàn)代微網(wǎng)的關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)。

 

二、微電網(wǎng)的基本組成

 

 

微電網(wǎng)是指由分布式電源、用電負荷、配電設施、監(jiān)控和保護裝置等組成的小型發(fā)配用電系統(tǒng)（必要時含儲能裝置）。分為并網(wǎng)型微電網(wǎng)和獨立型微電網(wǎng)，可實現(xiàn)自我控制和自治管理。并網(wǎng)型微電網(wǎng)既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以離網(wǎng)獨立運行；獨立型微電網(wǎng)不與外部電網(wǎng)連接，電力電量自我平衡。根據(jù)建設目的和經(jīng)濟環(huán)境的不同，微網(wǎng)的形狀結(jié)構(gòu)可能各不相同，但是它們的技術(shù)架構(gòu)大體類似。下面簡要探討下微網(wǎng)的基本組成。

 

電源：在所有微電網(wǎng)系統(tǒng)中，最基本的組成部分是電源。電源要滿足微網(wǎng)內(nèi)負荷的需求，例如容量，以及其他技術(shù)層面、經(jīng)濟層面的種種考慮。其中，分布式光伏受到廣泛關(guān)注。尤其是近年來光伏電池模塊價格的下降，讓基于分布式光伏的微網(wǎng)的經(jīng)濟可行性上升。

 

對于位于偏遠地區(qū)的基于光伏的微網(wǎng)來說，挑戰(zhàn)主要來自系統(tǒng)的維護和儲能系統(tǒng)的要求。一方面，當暴露在高溫高濕的環(huán)境中時，光伏電池的性能會下降。另一方面，由于能量來源（太陽光）具有間斷性，儲能設備便必不可少，而它的投資占系統(tǒng)支出的很大一部分，對系統(tǒng)經(jīng)濟性影響較大，并且光伏電池裝機容量越大，儲能系統(tǒng)容量也要相應增大。

 

除了分布式光伏，常見的能量來源還包括：分布式風能，燃料電池，微型渦輪機，往復式內(nèi)燃機，以及其他分布式發(fā)電技術(shù)（小型水電，小型潮汐發(fā)電，小型波浪發(fā)電，地熱發(fā)電，分布式核能發(fā)電等）。

 

電力管理系統(tǒng)：電力管理系統(tǒng)主要負責電力從電源輸送到用電設備。具體功能包括：一是，將電源處各形式的電能轉(zhuǎn)換成符合出所需要的形式，例如使用逆變器將光伏產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成通常負荷所需要的50Hz交流電。二是，作為儲能設備的界面，來使微網(wǎng)內(nèi)的電力供需達到平衡。現(xiàn)代微網(wǎng)通常融入了軟件和控制系統(tǒng)，例如智能電表，從而實現(xiàn)微網(wǎng)的高效和穩(wěn)定運行。

 

儲能系統(tǒng)：儲能系統(tǒng)對微網(wǎng)的重要性不言而喻。它可以讓微網(wǎng)實現(xiàn)內(nèi)部的電力供需平衡，從而維持電壓和頻率的穩(wěn)定。也可保證用戶的用電需求隨時能得到滿足。微網(wǎng)系統(tǒng)中常見的儲能設備為：電池，燃料電池+電解池，超級電容以及飛輪等。

 

用電設備：微網(wǎng)中用電設備的電力來源是系統(tǒng)中全部的發(fā)電和儲能設備。綜合考量用電設備是很有必要的，因為它們決定了用電負荷在微網(wǎng)中的位置，相應地也會影響發(fā)電裝機容量以及對儲能系統(tǒng)的要求。例如，對一個基于分布式光伏發(fā)電的微網(wǎng)來說，為手機充電的負荷對系統(tǒng)影響微乎其微，而開啟電冰箱這樣的有長期穩(wěn)定的用電設備則對系統(tǒng)管理用電負荷帶來了一定的困難。

 

對外連接：微網(wǎng)通常與大電網(wǎng)相連，從而實現(xiàn)之間的電力交換。這種類型的微電網(wǎng)在校園和醫(yī)院中十分常見。此外，電網(wǎng)的發(fā)展趨勢之一是使用先進的監(jiān)測和控制系統(tǒng)，將很多個微電網(wǎng)連接起來。

 

三、微電網(wǎng)的作用

 

1.就近消納，提高能源效率。微電網(wǎng)內(nèi)部的電來自于天然氣、光伏及風電等分布式能源。在西北之類風光資源充足的地方，修建大型風電場、光伏電站，用戶(工業(yè)園區(qū)、商業(yè)區(qū)、學校、醫(yī)院甚至大型的地產(chǎn)項目)在接入小型的風機、光伏、儲能、燃氣輪機等電源設備時，就能使電能就近消納，省去了在電網(wǎng)中傳輸?shù)膿p耗，提高了能源的使用效率。

 

2.單點連接，減少對大電網(wǎng)沖擊。微電網(wǎng)與電網(wǎng)系統(tǒng)之間電能交流，是通過微電網(wǎng)與電網(wǎng)系統(tǒng)的公共連接點連接，避免了多個分布式電源與電網(wǎng)系統(tǒng)直接連接。微電網(wǎng)主要用于區(qū)域內(nèi)部的供電，不向外輸送或輸送很小的功率，對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響可以忽略不計。

 

3.提高供電可靠性，解決電能需求。微電網(wǎng)采用先進的控制方式以及大量電力電子裝置，將分布式電源、儲能裝置、可控負荷連接在一起，使得它對于電網(wǎng)系統(tǒng)成為一個可控負荷，并且可以施行并網(wǎng)和獨立兩種運行方式，充分維護了微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

 

四、微電網(wǎng)如何運行？

 

 

微電網(wǎng)存在兩種典型的運行模式：正常情況下微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運行，稱為聯(lián)網(wǎng)模式;當檢測到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時，微電網(wǎng)將及時與電網(wǎng)斷開而獨立運行，稱為孤島模式。兩者之間的切換必須平滑而快速。微電網(wǎng)相對于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全等方面的要求。微電網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負責能量的轉(zhuǎn)換，并提供必要的控制。

 

1、并網(wǎng)運行

 

并網(wǎng)運行就是微電網(wǎng)與公用大電網(wǎng)相連，微網(wǎng)斷路器閉合，與主網(wǎng)配電系統(tǒng)進行電能交換。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電。儲能系統(tǒng)可進行并網(wǎng)模式下的充電與放電操作。并網(wǎng)運行時可通過控制裝置轉(zhuǎn)換到離網(wǎng)運行模式。

 

2、離網(wǎng)運行

 

離網(wǎng)運行也稱孤島運行，是指在電網(wǎng)故障或計劃需要時，與主網(wǎng)配電系統(tǒng)斷開，由DG、儲能裝置和負荷構(gòu)成的運行方式。儲能變流器PCS工作于離網(wǎng)運行模式為微網(wǎng)負荷繼續(xù)供電，光伏系統(tǒng)因母線恢復供電而繼續(xù)發(fā)電，儲能系統(tǒng)通常只向負載供電。

 

五、微電網(wǎng)核心技術(shù)

 

目前，有三種比較常見的微電網(wǎng)控制方式：

 

1、基于電力電子技術(shù)等概念的控制方法。該方法根據(jù)微電網(wǎng)的控制要求與發(fā)電機的下垂特性將不平衡功率動態(tài)分配給各機組承擔，具有簡單、可靠、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。

 

2、基于能量管理系統(tǒng)的控制。該方法采用不同的控制模塊分別對有功和無功進行控制，很好地滿足了微電網(wǎng)的多種控制要求，此外該方法針對微電網(wǎng)中對無功的不同需求，功率管理系統(tǒng)采用了不同的控制方法從而提高了控制性能。

 

3、基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)控制。該方法將計算機領(lǐng)域的多代理技術(shù)應用到微電網(wǎng)，代理的自治性、自發(fā)性等特點能夠很好地適應和滿足微電網(wǎng)分散控制的要求。

 

微電網(wǎng)的保護方法與傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護方法不同，主要是微電網(wǎng)的多電源特性，使得兩者區(qū)別很大。主要難點在潮流的雙向流動、并網(wǎng)和孤立運行時短路容量的變化方面。因此，傳統(tǒng)配電網(wǎng)在低壓側(cè)集中無功補償?shù)姆椒ㄒ呀?jīng)不適合微電網(wǎng)。

 

大部分的新能源發(fā)電技術(shù)所發(fā)出的電能在頻率和電壓水平上不能滿足現(xiàn)有互聯(lián)電網(wǎng)的要求，因此無法直接接入電網(wǎng)，需通過電力電子設備才能接入。為此要大力加強對電力電子技術(shù)的研究，研制一些新型的電力電子設備作為配套設施，如并網(wǎng)逆變器、靜態(tài)開關(guān)和電能控制裝置。

 

六、微電網(wǎng)與售電

 

2017年4月，中國國電集團所屬龍源電力集團股份有限公司承建的吐魯番新能源城市微電網(wǎng)示范項目獲得售電許可，成為我國首個獲得電力業(yè)務許可證（供電類）的微電網(wǎng)。

 

據(jù)龍源電力有關(guān)負責人介紹，吐魯番新能源城市微電網(wǎng)是我國首個微電網(wǎng)示范項目，于2013年底建成投產(chǎn)。項目在293棟居民樓頂建設屋頂光伏8.7兆瓦，同期建設1座10千伏開關(guān)站及監(jiān)控中心、1座1兆瓦儲能裝置、1座公交充電站等，通過微電網(wǎng)系統(tǒng)向區(qū)域內(nèi)5700多戶居民及機關(guān)事業(yè)單位、商業(yè)用戶、地緣熱泵等用戶供電。

 

該項目實行“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)、電網(wǎng)調(diào)劑”的運營機制，項目公司在微電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)具有經(jīng)營權(quán)、管理權(quán)和售電權(quán)。電力業(yè)務許可證的取得，標志著負責該項目的龍源吐魯番新能源有限公司順利取得配售電業(yè)務資質(zhì)，成為擁有配電網(wǎng)運營權(quán)的售電公司。