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微电网结构特性分析与设计_黄文焘

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第40卷 第18期 电力系统保护与控制 Vol.40 No.18 2012年9月16日 Power System Protection and Control Sep. 16, 2012

微电网结构特性分析与设计

黄文焘１，邰能灵１，范春菊1，兰森林２，唐跃中２，钟 勇３

（1.上海交通大学电气工程系，上海 200240；2.上海市电力公司市南供电公司，上海 200233；

3.上海思南电力通信有限公司，上海 201112）

摘要：典型微网网架结构是微网能量管理、控制、保护与稳定的基础。在分析微网网架的基础上，根据微网特点将微网分为

交流微网、直流微网和交直流混合微网。分析了各种典型微网结构的特点、适用范围，以微网负荷与电源容量匹配为基本原

则，同时考虑微网地理特点、接入的配电网结构、运行方式等基本要素研究了微网结构的设计方法，提出微电网结构设计流

程。

关键词：微电网；微网结构；交流微网；直流微网；混合微网；网架设计

Study on structure characteristics and designing of microgrid

HUANG Wen-tao1, TAI Neng-ling1, FAN Chun-ju1, LAN Sen-lin2, TANG Yue-zhong2, ZHONG Yong3

(1. Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Southern Shanghai Municipal Electric Power Company, Shanghai 200233, China; 3. Shanghai Sinan Power Communication Limited Company, Shanghai 201112, China)

Abstract: Typical microgrid structure is fundamental to energy management, control, protection and stability of microgrid. Based on the analysis of the structure and the characteristic of microgrid, the microgrid is divided into three kinds, including AC microgrid, DC microgird and AC/DC hybrid microgrid. According to each typical architecture of the three microgrids, related characteristics and suitable scopes are analyzed in the paper. Considering the basic principle of matching of source and load, some element factors such as geographical feature, structure of distributed network, operation modes and procedures are analyzed and microgird’s design methodology is studied. At last, procedures are put forward to provide a reference for the microgird’s design. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51177066) and New Century Excellent Talents of Ministry of Education Funded Project (No. NCET-08-0356). Key words: microgrid；microgrid structure；AC microgrid；DC microgrid；AC/DC hybird microgrid；microgrid designing

中图分类号： TM72 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2012)18-0149-07

0 引言

伴随着能源需求不断增加，化石能源日趋枯

竭，核能发展受到一定限制，电力系统结构的老化，

环保等一系列问题的出现，分布式电源的研究和应

用得到了快速的发展，但分布式电源在解决能源和

电力系统一些问题的同时也带来了诸多技术问

题[1-2]。电力可靠性技术协会（CERTS）提出微网是

一种由负荷和微型电源共同组成的系统[3]，可用来

协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布

式能源为电网和用户所带来的价值和效益[4-5]。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51177066）；教育部新世纪优秀人才资助项目(NCET-08-0356) 微网的研究以微网结构为基础，微网结构体现

了微电网的基本特征，也揭示出微电网的基本单元。

文献[6]指出微网结构包含分布式电源和负荷的类

型、微网并网接口形式等重要信息；文献[7]认为微

网结构是解决电压控制、潮流控制和解列时负荷分

配、稳定等问题的关键，也为继电保护及微网运行

的研究提供基础。文献[8-9]提出设计合理的微网结

构提高了微网接入中低压配电网的灵活性与可靠

性。由此可见，微网网架结构的研究对微网发展和

应用有实际意义。

本文根据微电网特性将微网划分为直流微网、

交流微网和交直流混合微网；结合微网研究和应用

现状，介绍了上述三种微网的典型网架，分析了每种典型微网结构的特点及其应用条件；最后根据分- 150 - 电力系统保护与控制

析结果总结出微网网架结构设计的原则、要素与流

程。

1 微电网分类

微网的分类标准有很多，可以根据其复杂程度、

功能、结构等进行划分。文献[1]讨论了基于微网结

构的微电网类型，根据微电源连接方式以及微网的

控制方式将微网分为并联式结构微网和串联结构微

网。CERTS提出的微网结构，也体现了微网的并联

和串联连接方式。如图1示，馈线1上各个微电源

均连接在一条馈线上，馈线始端再接入微网母线，

这种连接关系即为串联结构；而同时各个微电源与

附近负荷共同组成的小型发电系统，接入母线构成

并联结构，即馈线1和馈线2上的微电源连接方式

为并联连接。

图1 CERTS微网结构 Fig. 1 Microgrid architecture of CERTS

微网系统中微电源、负荷性质以及电能质量要

求等因素决定了微网的结构，也在一定程度上影响

微网采用何种方式（交流、直流、交直流混合）供

电。如果将微网经济性、灵活性也纳入考虑时，微

网采用的供电方式就成为其网架基本结构设计的决

定性因素之一。文献[10]根据交、直流微网网架结

构以及供电特点的不同，将微网分为交流微网、直

流微网和交直流混合微网。

2 交流微网结构及特性

目前，交流微网仍然是微网的主要形式。交流

微网的网架基本结构相似，大多采用辐射状网架，DG、储能装置等均通过电力电子装置连接至交流母

线，通过PCC处开关的控制，可实现微网并网运行

与孤岛运行模式的转换。但交流网架结构与微电源

容量及负荷对电能质量要求也密切相关，通常可以

根据容量大小将交流微网系统分为三类：系统级微

网、工商业区级微网以及偏远乡村级微网[8]。 2.1系统级微网

系统级微网结构由母线和多条馈线呈辐射状组

成，每条馈线可分层接入大量分布式电源和就地负

荷，网架可以经多个PCC接入电网。如图2所示，

微网由两条汇流母线和四条馈线组成，每条馈线可

分层接入大量的分布式电源：三联供系统、光伏系

统、风机系统、储能系统等，单个分布式电源的最

大容量可达到5~10 MW；汇流母线上可接入小型常

规发电系统。当电网或降压变压器故障时，PCC开

关跳开，微网进入孤岛运行；待电网侧恢复正常，

闭合PCC开关，微网并网运行。

图2 系统级微网结构 Fig. 2 Architecture of utility microgrid

系统级微网结构允许各种不同DG和储能系统

的接入，它有如下优点：①降低了分布式电源的间

歇性和波动性对电网的影响；②降低了负荷对传统

发电系统的依赖，减少了化石燃料的使用，低碳环

保；③大量的分布式电源与就地负荷组成小型微网

系统，很大程度上解决了负荷增长给输电网带来的

阻塞和中压配电网需要不断扩建的问题；④具有充

足的调峰和调压能力，允许微网在孤岛和并网两种

方式下自由切换，运行方式灵活，提高了重要负荷

的供电可靠性；⑤在电网发生严重故障时，可作为

电网的黑启动电源。

系统级微网结构适合分布式能源种类较为丰

富、负荷相对分散的地区，利用不同种类分布式能

源间的相互补充，电源与负荷相互协调来提高微网

的稳定性与可靠性[11]。系统级微网大量使用电力电

子设备，微网的控制与保护复杂，技术难度较大。

若系统级微网中分布式电源与负荷容量相差较大，

微网注入配电网的功率大于准入容量上限，则微网并网运行会给配电网稳定运行带来影响。系统级微 黄文焘，等 微电网结构特性分析与设计 - 151 -

网网架规模较大，设备较多，投资价格相对较高，

这也是目前阻碍其应用的一个重要原因。

2.2 工商业区级微网

工商业区级微网结构有高度的冗余性，可以保

证接入网架的重要负荷和敏感负荷有多个回路、不

同类型的电源提供电能[12]。如图3所示，工商业区

内的负荷由光伏系统（PV）、三联供系统（CCHP）

以及电池储能系统（BESS）和配电网供电。当配电

网发生故障或电能质量不能满足负荷要求时，PCC1

开关跳开，微网进入孤岛运行状态。在电源容量充

足的情况下，可满足微网内负荷的不间断供电；若

此时电源容量小于负荷总容量，则依次切除不重要

负荷（二类负荷和三类负荷）以保证对微网内一类

负荷的供电。考虑最严重情况，微网孤岛运行时母

线A发生永久性故障，PCC2跳开，由三联供系统

和一类负荷组成的单元微网系统进入孤岛运行，仍

可保证对一类负荷的可靠供电。因此工商业区级微

网结构充分保证了重要负荷的供电可靠性。

图3 工商业区微网结构 Fig. 3 Architecture of industry/commercial microgrid

供电的高可靠性是工商业区级微网结构的最大

特点，同时它允许多种DG的接入也降低了微网对

配电网的影响。这种网架形式通常用在医院、学校、

大型商业中心以及数字通信大楼等一类负荷区[13]。

供电的高可靠性要求结构的高度冗余也使得微网网

架投资成本较高，因此对供电可靠性及电能质量要

求不高的负荷区一般不采用这类网架。

2.3 偏远乡村级微网

偏远乡村级微网通常运行在孤岛状态，网架结

构为简单的串并联形式。如图4所示，分布式电源

与负荷组成微型供用电系统，再并联接入馈线。乡

村级微网结构要预留足够多的DG接口，一方面应

对微网负荷增长；其次分布式电源不仅提供微网正常运行时所需的电能，而且要有充足的备用容量应

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微电网你并网运行

微电网你并网运行

摘要

微电网为新能源并网发电规模化应用提供了有效技术途径，微电网技术可以对分布式电源进行有效管理，降低分布式电源对大电网安全运行的影响，有助于实现分布式电源的“即插即用”，同时可以最大限度地利用可再生能源，符合我国新能源发电和可持续发展战略的要求。随着微电网技术不断发展的新需求，微电网中微电源的协调控制、微网运行模式切换等诸多问题亟待解决，因此，本文将从微电网的控制系统角度进行研究，以实现微网技术的规模化应用。

首先，本文系统详细的阐述了微网主要的整体控制策略以及微电源逆变器接口侧的控制方法，并对各种控制策略的工作原理、适用范围以及优缺点进行分析；其次，提出了基于P-f /Q-V下垂控制的微网功率最优分散协调控制方法。针对微电网功率分配因微电源到负荷线路的影响而分配不合理的问题进行了深入的研究;分析了传统P-f

/Q-U下垂控制的缺点，给出了P-f/Q-V下垂控制方法，建立了微网的数学模型，通过部分输出量反馈最优分散协调控制方法，使微网在实现微电源功率合理分配的基础上，保证电压和频率处在正常范围内，仿真结果表明微电网在输出有功功率分配不受影响的前提下，输出无功功率的分配情况得到明显的优化，而且微网始终处于稳定运行状态。最后，提出了将对等控制与主从控制相结合的控制策略。针对微网运行模式转换时存在的问题，给出了符合我国国情的微电网运行模式转换的条件，通过分析对等控制以及主从控制在微网运行模式切换时的

优缺点，提出了将两者相结合的控制策略，并结合控制器状态跟随的平滑切换控制方法实现了微网运行模式的平滑、可控切换，减小了切换过程对微网的冲击，通过仿真实验验证了该控制策略的可行性。

关键词:微网;功率分配;协调控制;并网运行模式;孤岛运行模式

目录

摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 微电网的研究现状与前景

1.2.1 微电网的定义

风光柴储孤立微电网系统协调运行控制策略设计

风光柴储孤立微电网系统协调运行控制策略设计

风光柴储孤立微电网系统协调运行控制策略设计

一、本文概述

随着全球能源结构的转型和可持续发展目标的提出，微电网作为一种集成多种分布式电源和负荷的电力系统，受到了广泛关注。其中，风光柴储孤立微电网系统，凭借其独立运行、自给自足的特性，在偏远地区、海岛等无常规电网覆盖的地方具有广泛的应用前景。然而，风光柴储微电网中由于各类分布式电源的间歇性和不确定性，使得系统的稳定运行面临诸多挑战。因此，研究风光柴储孤立微电网系统的协调运行控制策略，对于提高系统的供电可靠性、优化能源利用效率和促进可再生能源的发展具有重要意义。

本文旨在探讨风光柴储孤立微电网系统的协调运行控制策略设计。文章将介绍风光柴储微电网的基本结构和特点，分析系统面临的主要问题和挑战。接着，将深入研究适用于该系统的协调运行控制策略，包括功率平衡控制、能量管理优化、故障检测和恢复等方面的内容。在此基础上，文章将提出一种基于多代理系统的协调运行控制策略，通过仿真实验验证其有效性和优越性。文章将总结研究成果，并展望风光柴储孤立微电网系统未来的发展方向和应用前景。

通过本文的研究，旨在为风光柴储孤立微电网系统的稳定运行提供理论支持和实践指导，推动可再生能源在微电网领域的应用和发展。 二、风光柴储孤立微电网系统分析

孤立微电网系统，作为一种集成了风力发电、光伏发电、柴油发电以及储能设备等多种能源形式的电力系统，具有自主供电、独立运行和高度可控等特点。这种系统能够在主电网无法覆盖或供电不稳定的地区提供稳定、可靠的电力供应，对提升能源利用效率、优化能源结构、保护生态环境具有重要意义。

风光柴储孤立微电网系统中的风力发电和光伏发电部分，依赖自然环境条件，具有间歇性和随机性。风力发电受风速变化影响，光伏发电则受光照强度和时间影响。因此，这两部分电源的输出功率具有较大的波动性和不确定性。为了平抑这种波动性，需要引入储能设备，如蓄电池、超级电容等，来存储多余电能，并在风力或光照不足时释放电能，以维持电网的稳定运行。

电力系统中的微电网建模与分析

电力系统中的微电网建模与分析

电力系统中的微电网建模与分析

随着可再生能源技术的快速发展和消费者对能源的需求多样化，电力系统中的微电网逐渐成为了一个重要的研究领域。微电网是由分布式能源资源（DERs）和能源存储设备组成的小型电力系统，具有独立运行的能力并可以与主电网进行连接。微电网能够提供可靠的能源供应，减少对传统能源源的依赖，并促进能源的可持续发展。

微电网建模是研究微电网运行和优化的关键步骤。建立微电网模型可以帮助我们更好地理解微电网的行为和性能，并指导我们进行微电网的规划和运营。微电网建模通常包括以下几个方面。

首先，微电网的电力部分建模是建立微电网能源资源的数学模型。微电网通常包含多种能源资源，如太阳能光伏电池、风能、燃料电池等。建模过程中需要考虑这些能源资源的特性、输出功率的变化和与主电网的交互等因素。此外，还需要将不同的能源设备进行适当的连接和组合，以实现最佳的能源利用效率。

其次，微电网的负荷建模是建立微电网负荷需求的数学模型。微电网的负荷需求是指微电网内部各个用户的用电需求。建模过程中需要考虑负荷的大小、负荷曲线的变化和负荷之间的关联等因素。通过准确建模微电网的负荷需求，可以更好地预测和调控微电网的电力供应，确保能够满足用户的需求。

此外，微电网的能源存储系统建模也是非常重要的一步。能源存储系统通常用于储存和释放电力能量，以平衡微电网的供需差距。建模过程中需要考虑能源存储系统的储能容量、充放电效率和响应时间等因素。合理地建模能源存储系统可以提高微电网的能源利用效率，并且在应对突发情况时具备备份能源的能力。

最后，微电网的电力系统建模是将以上所述的电力部分、负荷和能源存储系统进行整合建模的过程。该模型可以预测微电网的电力网络行为，优化微电网的电力供应和协调微电网内各个组件之间的能量流动。电力系统建模可以利用电力系统仿真软件进行实现，以得出微电网运行过程中的关键参数，如功率输送效率、能源利用效率和电网稳定性等。

光伏发电在微电网中的接入与动态特征

光伏发电在微电网中的接入与动态特征

浅谈光伏发电在微电网中的接入与动态特征

摘要：本文主要通过建立光伏发电微电网模型，在根据光伏发电微电网运行过程中输出功率的波动特征分析的基础上，实现对于微电网系统中光伏电源的接入问题的分析研究，同时文章中通过使用光伏电源平均输出功率对于微电网储能设备容量进行计算分析的优化配置方法，来实现光伏电源在微电网系统中的即插即用功能，然后对于微电网系统中光伏逆变器运行输出的谐波电流畸变率，以及光照强度之间的波动变化特征进行分析。

关键词：光伏发电；微电网；光照强度；储能设备；波动变化；特征；分析

中图分类号：u665.12 文献标识码：a 文章编号：

光伏发电是一种通过对于光伏能源的开发利用，从而实现电能转换开发的分布式发电技术，是在社会经济发展以及新能源鼓励支持开发利用的背景下的一种新能源技术。本文通过建立光伏发电微电网模型，结合微电网与电网的并网运行特征分析，实现对于光伏发电在微电网的接入以及动态特征的分析研究。

1、光伏发电技术与微电网介绍

在电网工程中，分布式发电在实际发电应用中，由于能源利用率较高以及对于生态环境污染少、安装应用灵活等特征，在实际中发电应用以及发展中的速度相对比较快。但是分布式发电在进行电网系统的接入过程中，一旦出现较多的分布式发电能源接入到电网

系统，就会对于电网系统的正常运行造成一定的不利影响。微电网系统就是针对分布式发电技术在进行电网接入时的这一局限性问题专门提出的解决方案。为电网系统是一个由分布式电源以及储能装置设备和负荷等组成的独立性可控系统，在实际发电应用中能够直接就地进行电网与热能的提供实现。在微电网系统中，微电网的分布式电源多是一种微型电源，也就是一种含有电力电子界面的小型机组系统，通常情况下，微型电源装置主要包括微型燃气轮机以及燃料电池、光伏电池、风力发电机等。在实际发电应用中，微电网系统既可以与大型的电网进行联网运行实现，也可以在实际电网出现运行故障或者问题是，自动与电网进行断开保护，并独立进行运行实现，在实际发电运行应用中具有一定的可靠性。