微电网能量管理系统概述

微电网能量管理系统概述
一、微电网能量组成
微电网是近年来出现的一种新型能源网络化供应与管理技术的简称，它能够利地将可再生能源和清洁能源系统的接入，实现需求侧管理以及现有能源的最大化利用。

微电网将发电子系统、储能系统及负荷相结合,通过相关控制装置间的配合,可以同时向用户提供电能和热能,并能够适时有效地支撑大电网,起到消峰填谷的作用。

所以微电网概念一经提出,就引起世界能源专家和电力工业界的广泛重视,世界很多国家都加强了相关基础科学研究的力度,对微电网的认识随着研究的进行在不断地具体化、深入化和系统化。

而微电网对于解决我国现有大电网运行中凸显的问题,以及能源危机等相关问题,无疑是提供了一个好的解决途径。

1.1风能
风能是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量。

空气流具有的动能称风能。

空气流速越高，动能越大。

人们可以用风车把风的动能转化为旋转的动作去推动发电机，以产生电力，方法是透过传动轴，将转子（由以空气动力推动的扇叶组成）的旋转动力传送至发电机。

到2008年为止，全世界以风力产生的电力约有94.1 百万千瓦，供应的电力已超过全世界用量的1%。

风能虽然对大多数国家而言还不是主要的能源，但在1999年到2005年之间已经成长了四倍以上。

风能优点：
1.风能为洁净的能量来源。

2.风力发电是可再生能源，很环保。

3.风能设施多为不立体化设施，可保护陆地和生态。

4.风能设施日趋进步，大量生产降低成本，在适当地点，风力发电成本已
低于发电机。

1.风力发电需要大量土地兴建风力发电场，才可以生产比较多的能源。

2.进行风力发电时，风力发电机会发出庞大的噪音，所以要找一些空旷的
地方来兴建。

3.在一些地区、风力发电的经济性不足：许多地区的风力有间歇性，更糟
糕的情况是如台湾等地在电力需求较高的夏季及白日、是风力较少的时
间；必须等待压缩空气等储能技术发展。

1.2光伏
光伏是太阳能光伏发电系统的简称。

是一种利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。

光伏能量的来源由光伏板组件，它是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。

由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。

简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明，并为电网供电。

光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力。

近年，天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。

光伏优点：
1.普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或
岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输。

2.无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污
染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。

3.巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总
量属现今世界上可以开发的最大能源。

4.长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，
而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是
用之不竭的。

1.分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。

平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳
辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳
能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。

而在冬
季大致只有一半，阴天一般只有1/5左右，这样的能流密度是很低的。

因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当
大的一套收集和转换设备，造价较高。

2.不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限
制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳
辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了
难度。

为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规
能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的
太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太
阳能利用中较为薄弱的环节之一。

3.效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可
行的，技术上也是成熟的。

但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成
本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。

在今后相当一段
时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。

1.3柴油发电机
柴油发电机是一种小型发电设备，系指以柴油等为燃料，以柴油机为原动机带动发电机发电的动力机械。

整套机组一般由柴油机、发电机、控制箱、燃油箱、起动和控制用蓄电瓶、保护装置、应急柜等部件组成。

整体可以固定在基础上，定位使用，亦可装在拖车上，供移动使用。

柴油发电机组属非连续运行发电设备，若连续运行超过12h，其输出功率将低于额定功率约90%。

尽管柴油发电机组的功率较低，但由于其体积小、灵活、轻便、配套齐全，便于操作和维护，所以广泛应用于矿山、铁路、野外工地、道路交通维护、以及工厂、企业、医院等部门，作为备用电源或临时电源。

柴油发电优点：
1.燃油经济、热效高、工况变化时，燃油消耗率曲线变化比较平坦，低负
荷下也经济。

2.工作可靠、耐久。

3.因为没有点火系统，故障低。

4.使用范围广。

有害排放物较低。

5.防火安全性好。

1.4生物质
生物质发电是利用生物质所具有的生物质能进行的发电，是可再生能源发电的一种，包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电。

1.5电网
联系发电和用电的设施和设备的统称。

属于输送和分配电能的中间环节，它主要由联结成网的送电线路、变电所、配电所和配电线路组成。

通常把由输电、变电、配电设备及相应的辅助系统组成的联系发电与用电的统一整体称为电力网。

简称电网。

二、微电网负载组成
2.1负载概述
负载是指连接在电路中的电源两端的电子元件。

电路中不应没有负载而直接把电源两极相连，此连接称为短路。

常用的负载有电阻、引擎和灯泡等可消耗功率的元件。

不消耗功率的元件，如电容，也可接上去，但此情况为断路。

把电能转换成其他形式的能的装置叫做负载。

电动机能把电能转换成机械能，电阻能把电能转换成热能，电灯泡能把电能转换成热能和光能，扬声器能把电能转换成声能。

电动机、电阻、电灯泡、扬声器等都叫做负载。

晶体三极管对于前面的信号
源来说，也可以看作是负载。

对负载最基本的要求是阻抗匹配和所能承受的功率。

2.2负载组成与分部
根据负荷对电力需求的特性可将负荷分为基本两大类：
敏感负荷：对这一级负荷断电，将造成人身事故、设备损坏，将生产废品，使生产秩序长期不能恢复，人民生活发生紊乱等。

这是这是敏感负荷中的重要负荷。

由于供电中断会造成大量减产、人民生活会受到较大影响的用户负荷，这是敏感负荷中的比较重要的负荷。

一般负荷（非敏感负荷）：敏感负荷以外的属于一般负荷。

可视为一个可控的负荷参与微电网的能量调度，并且在适当的时候（孤网模式时）可中断其供电，以此确保敏感负荷的正常供电。

负荷接入设备功能：
1.负荷通断控制：在正常情况下，敏感负荷与一般负荷均应正常供电，当
微电网系统因事故出现功率缺额或运行在孤岛模式，应采取切断一般负
荷，确保敏感负荷的正常供电。

2.负荷保护：具有自动跳闸和电动合闸功能，可切断故障电流，发挥保护
作用。

3.微电网功率平衡控制－自动低频减载：当微电网系统因事故出现功率缺
额时，其频率将随之急剧下降，自动低频减载装置的任务是迅速断开相
应数量的一般负荷，使系统频率在不低于某一允许值的情况下，达到有
功功率的平衡，以确保微电网系统安全运行。

4.负荷监测：提供微电网线路负荷的实时数据包括负荷功率，线路电流情
况。

对所有线路进行监控，对大负荷及超负荷提供预警和报警信号。

三、微电源分类、工作方式及接入设备功能
3.1微电源典型工作方式
光伏电池具有MPPT和定电压两种工作方式。

当工作在MPPT工作方式且无功功率可调时遵循Q-V下垂特性。

当工作在定电压工作方式时遵循P-f下垂特性。

1.当工作在功率可调的方式时遵循P-f下垂特性和Q-V下垂特性。

在此工
作方式下，风力发电机可作为具有自适应调节功能的调节电源，快速跟
踪负荷有功功率和无功功率的变化。

2.当工作在定功率的方式时按照设定值输出有功功率和无功功率。

风力发电机组采用PQ控制策略．为保证最大限度地利用可再生能源。

3.2微电源接入设备功能
由于光伏电池电压等级低，需采用DC-DC中的Boost电路升压至合适的电压等级，然后通过逆变把直流电变换为标准的交流电，供给负荷或并入电网。

即经过DC-DC-AC变换接入微电网。

并可根据系统稳定运行要求自动切换工作方式的功能。

3.3微电源控制功能
微电源的基本控制由微电源控制器完成，主要功能包括微电源自身的调节功能即微电源机组工作方式的切换。

能量调节功能包括有功/无功控制、电压/频率调节、孤岛模式下负荷分配/电压、频率调节等。

3.4微电源工作方式的切换
根据微电网负荷用电需求并结合微电源控制策略切换微电源的工作方式。

1.对于光伏电池在MPPT和定电压模式之间切换。

2.风力发电机可工作在定功率与功率可调的模式两种方式下。

在功率可调时可
工作低位运行和高位运行两种方式下。

3.储能装置根据蓄电池的荷电状况以及此时的负荷是需求，蓄电池可工作在充
电模式与放电模式。

3.5能量调节功能
1、有功功率调节：在并网运行模式时，系统的频率是固定，微电源发送分配好的有功功率，在孤网运行模式下，通过快速的电力电子装置，根据P-f下垂特性，调节微电源的输出有功功率使功率输出与负荷需求保持平衡。

2、无功功率调节：在并网运行模式下，能量控制器监测负荷和无功的变化，通过储能装置进行无功调节，并补偿无功，维持系统功率平衡。

3、在孤网运行模式下，应具备三个功能：
⑴据预先设定的Q-V特性阻止末端电压偏压；
⑵参与特定负荷线路的电压调整；
⑶根据负荷设定的功率因数补偿无功。

4、电压调节：通过调节微电源电压的幅值，相角，与系统要求相匹配，而且负荷和微电网的功率因数可得到控制。

5、功率因数调节：当电动机启停时负载的功率因数是变化的，可以影响到微电网的电压稳定。

通过调节微电源无功输出使负载的功率因数保持在预先设定的工作点。

对分布式电源的控制除了满足以上要求外，微电源自身还应具有以下功能：
(1) 通信功能，接受能量管理系统的调度，同时上传自身的各种状态信息。

(2) 辅助的电能质量改善功能，微电源在自身不对电网造成污染的前提下，能在一定程度上对电网进行谐波抑制和不平衡补偿等。

(3) 保护功能，微电网内部有数量众多的分布式电源，且它们之间的距离短，这就造成了短路电流的急剧增大，而传统的继电保护装置因时效性难以起到应有的保护作用，严重威胁了电力电子设备的安全，所以分布式电源自身必须具备各种可靠的保护功能(如过压、过流及故障等)。

四、储能装置分类、工作方式及接入设备功能
4.1储能装置的分类与特点
铅酸蓄电池尽管能量密度小，但功率密度高、放电时间长、由于技术成熟性价比高，因此成为当今使用最为广泛的蓄电池。

当蓄电池作为调节电源时，每次调度之前应先检查蓄电池的剩余容量，若负荷低谷时蓄电池容量已经达到90%以上，则不给蓄电池充电;若剩余容量低于20%则暂时不用蓄电池，将它作为负载进行充电(负荷高峰时不充电)一直到容量达到80%以上为止，否则作为电源参加经济调度。

4.2典型工作方式
蓄电池可工作在功率可调的运行方式或定功率的运行方式。

1.当工作在功率可调的方式时遵循P-f下垂特性和Q-V下垂特性。

在此工
作方式下，蓄电池组可作为具有自适应调节功能的调节电源，快速跟踪
负荷有功功率和无功功率的变化。

2.当工作在定功率的方式时按照设定值输出有功功率和无功功率。

4.3装置接入设备功能
蓄电池为直流电源，由于他们的电压等级低，需采用DC-DC中的Boost电路升压至合适的电压等级，然后通过逆变把直流电变换为标准的交流电，供给负荷或并入电网。

即经过DC-DC-AC变换接入微电网。

蓄电池控制器具有对蓄电池电压、电流、储能的监控功能，还有充放电功能和启停限定功能。

蓄电池充电时，能量管理系统主要监视蓄电池的充电状态、综合健康度和安全中断标准。

主要监测的参数有：电压、电流和温度。

当对蓄电池的所有状态检查完成后。

蓄电池的充电定时器开始启动。

如果检测到蓄电池超过临界安全值，则充电暂停，如果故障持续时间超过一定的值，则停止对蓄电池充电。

并可根据系统稳定运行要求自动切换工作方式的功能。

五、系统运行目标与策略
5.1联网模式下的运行目标与策略
在正常情况下，微电网并网运行，由大电网提供刚性的电压和频率支撑，内部微电源工作在电压源或电流源状态，在能量管理系统控制下，调整各自的功率输出。

微电网和大电网共同承担内部负荷。

1.并网运行时，微电网能量管理的协调方案为：
2.光伏发电一直保持MPPT模式；
3.检测储能装置的荷电状况以确定是否充电。

当检测到蓄电池未充满时应
充电，若充满就停止充电。

能量控制器检测负荷和无功的变化。

在联网
模式时，蓄电池不参与供电。

仅通过储能装置进行无功调节，并补偿无
功，维持功率平衡，维持系统稳定的作用。

4.风力发电机在联网模式时不参与供电。

5.微电网能量管理器将增加与各级微电源之间的通信协调工作。

并网运行发生故障时，由于微电源的分布式特性，可由微电源能量管理系统迅速定位故障点位置。

当故障点在微电网内部时，由微电网能量管理控制器通过综合各微电源的信息给出相应调整；当故障点在微电网外部时，通过主网调度中心与各高级调度中心相互通信以确定故障严重程度。

如超出自身调节能力，相应微电网可选择与主网断开，进入孤岛运行，这样可同时保证主网与微电网的安全稳定运行。

5.2孤岛模式下的运行目标与策略
当大电网出现电压骤升、骤降、不平衡和谐波等电能质量问题或有计划检修时，微电网转入孤岛运行模式，此时的电压和频率由内部各微电源负责调节。

负荷和微电源地投切常用来维持功率平衡以此确保微电网的电压和相角的恒定。

因此控制策略必须确保敏感负荷的正常供电。

微电网能量管理的协调方案为：
1.应切除可中断负荷确保微电网对敏感负荷的可靠供电，保证敏感负荷的
正常工作；
2.光伏发电尽量一直保持MPPT模式（若需要可工作在电压限制模式）；
3.根据储能装置的运行状况，管理风力发电机的投切和发电容量。

当储能
装置吸收部分能量时，切除部分风力发电机，当储能装置释放能量时，
投入部分风力发电机来供电；
4.能量控制器检测负荷和无功的变化，通过风力发电机或储能装置进行P、
Q调节，并无功补偿，维持功率平衡，保证供电质量。

在孤网模式下各微电源协调控制策略：
1.光伏电池应保持MPPT模式，当光伏电池输出大于负荷消耗且蓄电池充
满时，应工作在定电压模式。

2.蓄电池储能为0，光伏输出持续增加但小于负荷消耗时，蓄电池停止运
行。

光伏输出超过微电网负荷消耗，蓄电池未充满。

蓄电池充电。

3.光伏输出小于负荷消耗时或光伏输出为零，蓄电池有储能，应工作在放
电模式。

4.当光伏输出超过微电网负荷消耗，应工作在低输出运行模式。

当负荷需
求持续增加，光伏电池和蓄电池已不能满足负荷用电需求，风力发电机
则增加输出功率。

光伏发电结束且储能装置储能为零，则完全由大电网
供电。

5.3PCC接入监控设备的功能与要求
微电网PCC的各种状态信息包括系统电压、电流、有功、无功、频率、功率因数等参数以及各个微电源的状态信息能上传给能量管理系统，能量管理系统根据这些参数制定控制方案，发布命令。

5.4微电网能量管理系统的功能与实现方法
微电网能量管理系统具有数据综合处理、方案制定、命令发布及与微电网并网功能，主要包括对微电源的控制、储能装置管理、负荷管理、来电自动并网、
断电或故障自动进入孤岛运行的控制功能等。

1.方案制定、命令发布：经过通信上传的PCC点，各微电源控制器，断路
器，负荷节点的各种参数，经过综合数据处理，制定微电源的投切、工
作方式切换、功率输出等调节，断路器的通断等控制策略。

然后把这些
设定值与控制命令发送各调节装置。

维持微电网的正常运行。

2.对微电源的控制功能：根据能量管理系统的控制命令改变微电源的工作
方式，并且按照发送的设定值调节微电源的功率输出。

能量管理系统检
测调节电源的输出特性。

当负荷需求增大时，通知微电源增加输出功率。

当负荷需求减少且蓄电池充满时，则通知微电源减少输出功率或关闭某
些微电源。

3.储能装置的管理：蓄电池充放电与电压、功率管理可检测蓄电的充放
电状态，并且根据系统需求对其进行充放电管理，并能控制储能装置的
工作方式。

以及输出有功、无功功率，参与有/无功率调节。

4.负荷管理：根据检测到的负荷大小分配微电源的出力，保持微电源与负
荷之间的平衡，在微电网孤网运行时，切除一般负荷，确保敏感负荷的
正常供电。

5.模式切换与通断控制：当检测大电网来电时，能自动的将微电网由孤网
运行模式过渡到并网运行模式下。

当并网后发生故障且故障点在微电网
外部时，通过主网与各微电网相互通信以确定故障严重程度。

如超出自
身调节能力，相应微电网可选择与主网断开，进入孤岛运行。

并可实现
两种运行模式的无缝转换。

并根据微电网的工作状态发布微电源与断路
器逻辑控制控制命令。

当满足投切条件时，能量管理系统通知微电源控
制器和各断路器动作，完成预定的投切操作，以减少或增加输电线路的
功率，确保微电网系统的功率平衡。

六、微电网能量管理系统的组成结构与实现方案
6.1建立模型
建立了典型的微电网模型，包括微电网的电压等级、接线方式、运行方式、负荷模型、微电源类型、容量以及位置的确定并建立合适的微电源仿真模型。

1.电压等级：380V/220V。

2.接线方式：微电网接线采用放射式接线。

3.运行方式：并网运行、孤岛运行。

4.负荷模型：采用恒功率静态模型来表示馈线上各节点的负荷，同时假设
负荷三相对称。

1)负荷类型：敏感负荷非敏感负荷（可中断负荷）。

2)负荷大小最大负荷：敏感负荷与一般负荷功率需求之和为最大负
荷。

3)最小负荷：取最大负荷的30%为最小负荷。

5.微电源类型: 风力发电机、光伏电池、储能装置（铅酸蓄电池）。

6.微电源发电容量确定：微电源的额定功率应该与敏感负荷峰值功率需求
相匹配。

6.2微电网能量管理
1.微电源管理
根据微电网的拓扑结构制定相应的控制策略。

1)在并网模式时，应预先确定微电源的功率输出值，能量管理系统合理分
配设定值给各个微电源。

并监控PCC点的电量参数，当出现无功不平衡
时，并确定无功补偿量，分配这个值于储能装置，使储能装置发无功，
维持系统功率平衡。

并根据并网运行模式下微电源协调控制策略投切微
电源。

2)在孤网模式运行时，根据负荷需求确定微电源的功率输出值，能量管理
系统合理分配设定值与各微电源。

根据预先设定的ＶＱ特性阻止末端电
压偏压；参与特定负荷线路的电压调整；根据负荷设定的功率因数补偿
无功。

通过能量管理系统把这个这分配给调节微电源。

维持电压稳定。

能量管理系统根据能量管理控制算法确定设定值，分配给各微电源参与
系统的调节，以确保系统的稳定运行。

2.储能装置的充放电管理
能量管理系统主要监视蓄电池的充电状态、综合健康度和安全中断标准。

按照能量管理系统的控制指令充放电。

3.负荷管理
提供负荷跟跟随功能，实时检测负荷大小，在并网模式下，负荷的供电主要由大电网提供。

在孤网模式运行时，一般负荷被切除，根据检测到的负荷大小，分配微电源的出力，保持微电源与负荷之间的平衡。

6.3能量管理系统通讯与控制功能
微电网能量管理系统具有数据综合处理、方案制定、命令发布及与微电网并网功能，主要包括对微电源的管理、储能装置管理、负荷管理、断网与并网的控制功能等。

各控制器经过通讯线路上传各自的状态信息，包括的PCC点电网参数，各微电源输出特性参数，断路器通断状态，负荷的各种电量参数，经过能量管理系统的综合数据处理，制定微电源的投切、工作方式切换、功率输出等调节，断路器的通断等控制策略。

然后把这些设定值与控制命令发送各调节装置，维持微电网的正常运行。

1. 上传信息：
1)PCC点：通过大电网监控装置上传大电网的各种参数包括大电网的电压、
频率、相位角等。

在联网运行模式下，将大电网电压、频率与微电网当
前电压和频率做比较，分析是否同步，如果偏差超过允许范围将调节储
能装置和光伏电池的功率输出，以尽快与大电网同步。

2)光伏电池功率电压控制器：上传光伏电池的工作方式（MPPT/定电压），
输出电压、电流、频率，有功功率、无功功率等参数值。