中國儲能網訊：微網是相對傳統大電網的一個概念，是指多個分布式電源及其相關負載按照一定的拓撲結構組成的網絡，并通過靜態(tài)開關關聯至常規(guī)電網，微電網是智能電網在用戶端的重要存在形式。微電網既可以與外部電網并網運行，也可以孤立運行。
是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、相關負荷和監(jiān)控、保護裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統，是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統。
智能電網框架下的微電網主要特征是包含了分布式電源、儲能裝置、能量轉換以及相關負荷監(jiān)控保護裝置等。
(一)分布式電源
1.分布式電源概述。
分布式電源裝置是指功率為數千瓦至50MW小型模塊式的、與環(huán)境兼容的獨立電源(包括光伏、風電、水電)。這些電源由電力部門、電力用戶或第3方所有，用以滿足電力系統和用戶特定的要求。
現階段我國的能源方式仍以集中供能系統為主，分布式能源的發(fā)展并不能取代傳統的能源供應方式，將是集中供能系統的有益補充。因此，在我國可再生能源發(fā)電模式將是集中發(fā)電遠距離輸電與分布式發(fā)電相結合的方式。截至2012年底，我國已并網投產的分布式電源1.56萬個，裝機容量3436萬kW，其中分布式水電2376萬kW，世界第一；余熱、余壓、余氣資源綜合利用和生物質發(fā)電近年來增長迅速，裝機871萬kW，分布式光伏是未來發(fā)展的重點，前景非?？捎^。
2.分布式發(fā)電接入對電網的影響。
為了鼓勵和規(guī)范分布式電源的發(fā)展，國網公司企業(yè)標準《Q/GDW480-2010分布式電源接入電網技術規(guī)定》于2010年8月2日發(fā)布并實施。該標準適用于國家電網公司經營區(qū)域內以同步電機、感應電機、變流器等形式接入35kV及以下電壓等級電網的分布式電源接入電網應滿足的技術要求。(http://www.diangon.com/ 版權所有)標準中明確了分布式電源接入系統的原則，規(guī)定了公共連接點處分布式電源并網容量限制；短路電流限制；并網推薦電壓等級等。且對功率控制和電壓調節(jié)也進行了規(guī)定。
為了規(guī)范分布式電源的準入條件，減小大規(guī)模分布式電源接入后對電網造成的沖擊，國家電網公司規(guī)定了分布式電源接入電網應遵循的基本原則：
(1)并網點的確定原則為電源并入電網后能有效輸送電力并且能確保電網的安全穩(wěn)定運行。
(2)當公共連接點處并入一個以上的電源時，應總體考慮它們的影響。分布式電源總容量原則上不宜超過上一級變壓器供電區(qū)域內最大負荷的25%。
(3)分布式電源并網點的短路電流與分布式電源額定電流之比不宜低于10。
(4)分布式電源接入電壓等級宜按照：200kW及以下分布式電源接入380V電壓等級電網；200kW以上分布式電源接入10kV(6kV)及以上電壓等級電網。經過技術經濟比較，分布式電源采用低一電壓等級接入優(yōu)于高一電壓等級接入時，可采用低一電壓等級接入。
分布式電源通常接入配電網(主要是不接地、經消弧線圈接地系統，為單電源輻射型供電網絡)，由于傳統配電網的設計并未考慮分布式電源的接入。在并入分布式電源后，網絡的結構發(fā)生了根本變化，將從原來的單電源輻射狀網絡變?yōu)殡p電源甚至多電源網絡。潮流不再單向地從變電站母線流向負荷。DG并網運行對配電網的影響主要有以下幾個方面：電網電壓及頻率；電能質量；繼電保護裝置；配電網管理系統。
3.分布式發(fā)電對配電網保護的影響。
(1)對低壓電網原有繼電保護的影響。分布式電源接入電網將提供一定大小的短路電流，對低壓電網原有繼電保護整定有一定影響，分布式電源的接入應充分考慮公共連接點的短路容量?？紤]分布式電源提供的短路電流后，原有繼電保護原則上無需更換，一般情況下只需修改相應定值即可。如分布式電源提供的短路電流較大，可在原有繼電保護裝置上加裝方向元件即可解決誤動的問題。若由于分布式電源接入使得公共連接點允許的短路電流超過規(guī)定限值時，分布式電源需考慮增加限流阻抗。
分布式發(fā)電接入電網后對繼電保護產生的影響有如下幾個方面：改變原有繼電保護的保護范圍；原有繼電保護流過逆向短路電流時，由于無相應的方向元件，可能誤動；使得重合閘不成功；影響繼電器之間的配合關系；增加的短路電流可能超過斷路器的開斷容量，造成設備損壞
(2)對上一級電網繼電保護的影響。為防止逆流對上一級電網產生較大的影響，導致上一級電網需要在繼電保護設置等方面做出大范圍的調整，分布式電源所產生的電力電量盡量在本級配電區(qū)域內平衡，為次國網公司特別規(guī)定了分布式電源總容量原則上不宜超過上一級變壓器供電區(qū)域內最大負荷的25%，避免了分布式電源向上一級電網倒送電力。該限值的取值主要根據區(qū)域內負荷峰谷差估算分布式電源所產生的電力能在本供電區(qū)域內全部平衡掉，從而保證了分布式電源的輸出不會對上一級電網運行造成大的影響。
(3)分布式電源自身須配置繼電保護裝置。分布式電源應配置繼電保護和安全自動裝置，保護功能主要針對電網安全運行對電源提出保護設置要求確定，包括低壓和過壓、低頻和過頻、過流、短路和缺相、防孤島和恢復并網保護。分布式電源不能反向影響電網的安全，電源保護裝置的設置必須與電網側線路保護設置相配合，以達到安全保護的效果。
為了介紹分布式電源的繼電保護裝置，須特別介紹孤島的概念。孤島是這樣一種狀態(tài)，即一部分電網已經從電氣上與電網的公共部分隔離，而同時這部分電網僅由一個或多個分布式電源在相應的公共連接點處提供電源。孤島運行的危害主要有以下三點：
第一，危及電網線路維護人員和用戶的生命安全。由于繼電保護裝置的動作使此部分電網與公共電網隔離開，此時線路檢修人員可能誤認為線路已無電而發(fā)生觸電事故，而實際上分布式電源仍在繼續(xù)向電網線路供電。
第二，干擾電網的正常重合閘。一般配電網所配保護均帶有自動重合閘功能，如果在分布式電源未脫離電網之前重合，則會引起電弧重燃，造成重合失敗，影響電網恢復正常運行的時間。因此，目前分布式電源自身所帶保護必須與線路保護做好配合，即在重合閘動作之前使DG脫離電網，避免影響電網的正常重合閘。
第三，孤島內的電壓和頻率無保障，可能引起用戶設備損壞。孤島形成之后，由于規(guī)模較小，發(fā)電機出力和用戶負荷很難做到匹配，電壓調整能力也很可能不足，因此孤島內的電壓和頻率基本處于失去控制狀態(tài)，極有可能導致用戶設備的損壞。(http://www.diangon.com/ 版權所有)
為此，須保證在電網線路跳開后，由分布式電源所配繼電保護裝置檢測到異常的電壓和頻率后自動跳開與電網脫離。對于同步電機、異步電機類型分布式電源，其運行特性已經使其不可能在孤島情況下運行，無需再專門設置防孤島保護，電網失壓后的切除時間只需要與線路保護相配合即可保證系統安全穩(wěn)定運行；而變流器類型分布式電源，受其運行控制特性影響，孤島后有可能繼續(xù)向電網線路送電，必須設置專門的防孤島保護，以防止孤島運行的出現，保證檢修人員的人身安全和設備的運行安全，其防孤島保護需要與電網側線路保護相配合。變流器的防孤島控制有主動式和被動式兩種，主動防孤島保護方式主要有頻率偏離、有功功率變動、無功功率變動、電流脈沖注入引起阻抗變動等判斷準則；被動防孤島保護方式主要有電壓相位跳動、3次電壓諧波變動、頻率變化率等判斷準則。
(二)儲能是微電網的重要元素
儲能系統作為微電網中必不可少的部分，發(fā)揮了至關重要的作用。
微電網可被看作電網中的一個可控單元，它可以在數秒鐘內反應來滿足外部輸配電網絡的需求，增加本地可靠性，降低饋線損耗，保持本地電壓，保證電壓降的修正或者提供不間斷電源。
1.儲能技術在微電網中的作用。
(1)提供短時供電。微電網存在兩種典型的運行模式：并網運行模式和孤島運行模式。在正常情況下，微電網與常規(guī)配電網并網運行；當檢測到電網故障或發(fā)生電能質量事件時，微電網將及時與電網斷開獨立運行。微電網在這兩種模式的轉換中，往往會有一定的功率缺額，在系統中安裝一定的儲能裝置儲存能量，就能保證在這兩種模式轉換下的平穩(wěn)過渡，保證系統的穩(wěn)定。在新能源發(fā)電中，由于外界條件的變化，會導致經常沒有電能輸出(光伏發(fā)電的夜間、風力發(fā)電無風等)，這時就需要儲能系統向系統中的用戶持續(xù)供電。
(2)電力調峰。由于微電網中存在大量的分布式電源，其負荷量不可能始終保持不變，并隨著天氣的變化等情況發(fā)生波動。另外一般微電網的規(guī)模較小，系統的自我調節(jié)能力較差，電網及負荷的波動就會對微電網的穩(wěn)定運行造成十分嚴重的影響。為了調節(jié)系統中的峰值負荷，就必須使用調峰電廠來解決，但是現階段主要運行的調峰電廠，運行昂貴，實現困難。儲能系統可以有效地解決這個問題，它可以在負荷低落時儲存電源的多余電能，而在負荷高峰時回饋給微電網以調節(jié)功率需求。儲能系統作為微電網必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，其作用越來越重要。它不僅避免了為滿足峰值負荷而安裝的發(fā)電機組，同時充分利用了負荷低谷時機組的發(fā)電，避免浪費。
(3)改善微電網電能質量。近年來人們對電能質量問題日益關注，國內外都做了大量的研究。微電網要作為一個微源與大電網并網運行，必須達到電網對功率因數、電流諧波畸變率、電壓閃變以及電壓不對稱的要求。此外，微電網必須滿足自身負荷對電能質量的要求，保證供電電壓、頻率、停電次數都在一個很小的范圍內。儲能系統對于微電網電能質量的提高起著十分重要的作用，通過對微電網并網逆變器的控制，就可以調節(jié)儲能系統向電網和負荷提供有功和無功，達到提高電能質量的目的。對于微電網中的光伏或者風電等微電源，外在條件的變化會導致輸出功率的變化從而引起電能質量的下降。如果將這類微電源與儲能裝置結合，就可以很好地解決電壓驟降、電壓跌落等電能質量問題。在微電網的電能質量調節(jié)裝置，針對系統故障引發(fā)的瞬時停電、電壓驟升、電壓驟降等問題，此時利用儲能裝置提供快速功率緩沖，吸收或補充電能，提供有功功率支撐，進行有功或無功補償，以穩(wěn)定、平滑電網電壓的波動。利用儲能系統來解決諸如電壓驟降等電能質量問題。當微電網與大電網并聯運行時，微電網相當于一個有源電力濾波器，能夠補償諧波電流和負載尖峰；當微電網與大電網斷開孤島運行時，儲能系統能夠很好地保持電壓穩(wěn)定。
(4)提升微電源性能。多數可再生能源諸如太陽能、風能、潮汐能等，由于其能量本身具有不均勻性和不可控性，輸出的電能可能隨時發(fā)生變化。當外界的光照、溫度、風力等發(fā)生變化時，微源相應的輸出能量就會發(fā)生變化，這就決定了系統需要一定的中間裝置來儲存能量。如太陽能發(fā)電的夜間，風力發(fā)電在無風的情況下，或者其他類型的微電源正處于維修期間，這時系統中的儲能就能起過渡作用，其儲能的多少主要取決于負荷需求。
2.微電網中主要儲能方式比較。
鑒于微電網系統的特點和儲能的作用，對儲能裝置的性能特點具有較為獨特的要求。概括起來包括：能量密度大，能夠以較小的體積重量提供較大的能量；功率密度大，能夠提供系統功率突變時所需的補償功率，具有較快的響應速度；儲能效率高；高低溫性能好，能夠適應一些特殊環(huán)境；以及環(huán)境友好等?，F階段微電網中可利用的儲能裝置很多，主要包括蓄電池儲能、超導儲能、飛輪儲能、超級電容器儲能等。(http://www.diangon.com/ 版權所有)
(1)蓄電池儲能。蓄電池儲能是目前微電網中應用最廣泛、最有前途的儲能方式之一。蓄電池儲能可以解決系統高峰負荷時的電能需求，也可用蓄電池儲能來協助無功補償裝置，有利于抑制電壓波動和閃變。然而蓄電池的充電電壓不能太高，要求充電器具有穩(wěn)壓和限壓功能。蓄電池的充電電流不能過大，要求充電器具有穩(wěn)流和限流功能，所以它的充電回路也比較復雜。另外充電時間長，充放電次數僅數百次，因此限制了使用壽命，維修費用高。如果過度充電或短路容易爆炸，不如其他儲能方式安全。由于在蓄電池中使用了鉛等有害金屬，所以其還會造成環(huán)境污染。蓄電池的效率一般在60%-80%之間，取決于使用的周期和電化學性質。
目前，按照其使用不同的化學物質，可以將蓄電池儲能分為以下幾種方式：1)鉛酸蓄電池，盡管鉛酸蓄電池還有不少缺點，但是目前能夠商業(yè)化運用的主要還是鉛酸蓄電池，它具有幾個比較顯著的優(yōu)點：成本低廉，原材料豐富，制造技術成熟，能夠實現大規(guī)模生產。但是鉛酸蓄電池體積較大，特性受環(huán)境溫度影響比較明顯。2)鋰離子電池，鋰離子電池是近年來興起的新型高能量二次電池，由日本的索尼公司在1992年率先推出。其工作電壓高、體積小、儲能密度高(300～400kWh/m3)、無污染、循環(huán)壽命長。但是鋰離子電池要想大規(guī)模生產還有一定難度，因為它特殊的包裝和內部的過充電保護電路造成了鋰離子電池的高成本。3)其他電池，隨著技術的不斷發(fā)展，近年來鈉硫電池和液流釩電池的研究取得突破性進展。這兩種電池具有高能量效率、無放電現象、使用壽命長等優(yōu)良特性，在國外一些微電網研究系統中得到運用[9]。但是，由于價格原因，在微電網中的大規(guī)模運用還有待時日。
(2)超導儲能。超導儲能系統(SMES)利用由超導體制成的線圈，將電網供電勵磁產生的磁場能量儲存起來，在需要時再將儲存的能量送回電網或直接給負荷供電。SMES與其他儲能技術相比，由于可以長期無損耗儲存能量，能量返回效率很高；并且能量的釋放速度快，通常只需幾秒鐘，因此采用SMES可使電網電壓、頻率、有功和無功功率容易調節(jié)。但是，超導體由于價格太高，造成了一次性投資太大。隨著高溫超導和電力電子技術的發(fā)展促進了超導儲能裝置在電力系統中的應用，在20世紀90年代已被應用于風力發(fā)電系統和光伏發(fā)電系統。SMES快速的功率吞吐能力和較為靈活的四象限調節(jié)能力，使得它可以有效地跟蹤電氣量的波動，提高系統的阻尼。提出使用超導儲能單元使風力發(fā)電機組輸出的電壓和頻率穩(wěn)定，SMES單元接于異步發(fā)電機的母線上，SMES的有功控制器采用異步發(fā)電機的轉速偏差量作為控制信號。利用超導儲能系統使光伏系統運行穩(wěn)定性增加，并能提高吸收和釋放有功、無功的速率。
(3)飛輪儲能。飛輪儲能技術是一種機械儲能方式。早在20世紀50年代就有人提出利用高速旋轉的飛輪來儲存能量，并應用于電動汽車的構想。但是直到80年代，隨著磁懸浮技術、高強度碳素纖維和現代電力電子技術的新進展，使得飛輪儲能才真正得到應用。
飛輪儲能具有效率高、建設周期短、壽命長、高儲能量等優(yōu)點，并且充電快捷，充放電次數無限，對環(huán)境無污染。但是，飛輪儲能的維護費用相對其他儲能方式要昂貴得多。國內外對其在微電網中的運用做了不少研究。(http://www.diangon.com/ 版權所有)提到利用飛輪儲能解決微電網穩(wěn)定性的問題，建立了微網中的飛輪儲能模型，并利用PQ控制實現了系統的穩(wěn)定性。采用靜止無功補償器與飛輪儲能系統相結合，以減小風電引起的電能質量問題，文中建立了系統的模型，并取得了很好的效果。
(4)超級電容器儲能。超級電容器是由特殊材料制作的多孔介質，與普通電容器相比，它具有更高的介電常數，更大的耐壓能力和更大的存儲容量，又保持了傳統電容器釋放能量快的特點，逐漸在儲能領域中被接受。根據儲能原理的不同，可以把超級電容器分為雙電層電容器和電化學電容器。超級電容器與蓄電池比較具有功率密度大、充放電循環(huán)壽命長、充放電效率高、充放電速率快、高低溫性能好、能量儲存壽命長等特點。與飛輪儲能和超導儲能相比，它在工作過程中沒有運動部件，維護工作極少，相應的可靠性非常高。這樣的特點使得它在應用于微電網中有一定優(yōu)勢。在邊遠的缺電地區(qū)，太陽能和風能是最方便的能源，作為這兩種電能的儲能系統，蓄電池有使用壽命短、有污染的弱點，超導儲能和飛輪儲能成本太高，超級電容器成為較
(三)電動汽車入網(V2G)
1.新能源汽車。
新能源汽車是指除汽油、柴油發(fā)動機之外所有其它能源汽車。包括燃料電池汽車、混合動力汽車、氫能源動力汽車和太陽能汽車等。與傳統燃油車輛在使用過程中產生了大量的有害廢氣相比，新能源汽車不僅廢氣排放量比較低，還可以大大減少對不可再生石油資源的依賴。
新能源汽車的發(fā)展，不僅符合低碳出行的概念，也對國家長遠能源戰(zhàn)略發(fā)展起到巨大的作用。國家為鼓勵新能源汽車的發(fā)展，在“十二五”規(guī)劃中明確對整車和零部件方面提出發(fā)展目標。
2.電動汽車入網(V2G)技術研究及其應用。
新能源汽車入網(V2G)描述的是一種未來電網技術，電動汽車不僅作為電力消費體，同時也能在不使用的時候為電網提供電力，電動汽車兼顧了電網儲能的功能。
由于大部分汽車95%的時間都是處于停止狀態(tài)，他們的電池接入電網，可以作為儲能和供能系統。據美國研究測算，每臺汽車每年可以為電力系統創(chuàng)造高達4000美元的價值。
V2G技術體現的是能量雙向、實時、可控、高速地在車輛和電網之間流動，充放電控制裝置既有與電網的交互，又有與車輛的交互，交互的內容包括能量轉換、客戶需求信息、電網狀態(tài)、車輛信息、計量計費信息等。V2G技術是一項較為前瞻的科技，從結構框架上大致分為4個層面：電網層、站控層、智能充放電裝置層和車輛層，通過系統的工作原理實現電能在電網和車輛之間雙向流動的雙向智能控制裝置與參與V2G技術的車輛連接后，將連接車輛可充放電的實時容量、充電狀態(tài)等受控信息提供給后臺服務系統。后臺管理系統根據電網系統的調度指令，下方充放電指令，對所管轄范圍內雙向智能控制裝置進行充放電控制管理并反饋相關信息。
應用V2G技術和智能電網技術，電動汽車電池的充放電將被統一部署，根據既定的充放電策略，電動汽車用戶、電網企業(yè)和汽車企業(yè)將獲得共贏。例如，對電動汽車用戶而言，可以在低電價時給車輛充電，在高電價時，將電動汽車出儲存能量出售給電網公司，獲得現金補貼，降低電動汽車的使用成本；對電網公司而言，不但可以減少因電動汽車大力發(fā)展而帶來的用電壓力，延緩電網建設投資，而且可將電動汽車作為儲能裝置，用于調控負荷，提高電網運行效率和可靠性。
要實現電動汽車入網調峰，還需要依賴動力電池技術的發(fā)展和智能電網的建設。
3.電動汽車發(fā)展與智能電網互惠互利。
第一，智能電網為電動車入網打造平臺。建立完善的智能電網，不僅可實現電動汽車有序充電，還可以降低電動汽車供充電基礎設施投入，對電動汽車基礎設施建設的發(fā)展起到積極作用。
第二，電動汽車成為電網分布式儲能單元。相較于風能及太陽能等可再生能源發(fā)電功率波動性大來說，電動汽車動力電池具有存儲電能的特性，可以有效平抑功率波動，提高電網接納可再生能源發(fā)電的能力?？梢岳闷囘M行“削峰填谷”，提高電力系統運行的穩(wěn)定。
(四)微網效應
微網發(fā)電作為智能電網的重要組成部分，可以使用戶主動調節(jié)用電和繳費模式，例如在北京，已開始進行“智能小區(qū)”的試點家庭，可以在電價較高的時段，自動關閉某些用不著的耗電電器，而在電價較低的時段，自動選擇開啟耗電電器，以達到省電的目的。
微網發(fā)電在具備良好光照條件和風能資源的地區(qū)，可以構建一個“風光互補”的微型發(fā)電網絡，白天多利用太陽能作為生活用電，夜間則可以使用風電。多余的電力可以適個人需要向電網售賣，很大程度上緩解了居民用電的壓力和電力系統的穩(wěn)定。
微電網是大電網的有利補充，通過發(fā)展微電網可以經濟有效地解決偏遠地區(qū)的供電，避免單一供電模式造成的地區(qū)電網薄弱和大面積停電事故，提高供電系統的安全性、靈活性和可靠性；可以延緩電網投資，(http://www.diangon.com/ 版權所有)有效減少電能的遠距離傳輸、多級變送的損耗，有利于建設節(jié)約型社會；可以實現節(jié)能減排；可以促進電力市場發(fā)展，實現市場利益主體多元化；可以提高供電可靠性和電能質量，實現為不同要求的電力用戶提供不同的電能質量，即：定制電力，有利于提高供電企業(yè)的服務水平。
