微電網(wǎng)是由光伏、風力、柴油發(fā)電機、生物質(zhì)能等分布式電源、用電負荷、監(jiān)控保護、儲能等自動化裝置組成的能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部基本用電量平衡的小型供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以并網(wǎng)和離網(wǎng)運行。本文介紹了微電網(wǎng)與虛擬電廠、虛擬同步機的異同點，選取規(guī)劃因子建立分析模型，解析了微電網(wǎng)中的穩(wěn)態(tài)問題、諧波原因，采用分層控制技術調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)的運行，最后結合案例來綜合了解微電網(wǎng)建設中的關鍵技術與難點。

1、 熱點對比

虛擬電廠：VPP，是聚合多種分布式能源資源構成的特殊類型的發(fā)電廠，通過先進的控制、通信等技術實現(xiàn)分布式電源、儲能系統(tǒng)、柔性負荷、電動汽車等分布式單元的協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化運行。

能效電廠：EPP，通過實施一攬子節(jié)電技術和能效項目，獲得需方節(jié)約的電力資源，國際能源界將實施電力需求側(cè)管理，開發(fā)、調(diào)度需方資源所形成的的能力，形象地命名為能效電廠，能源電廠是虛擬電廠的一種模式。

虛擬同步機：VSG，借鑒同步發(fā)電機的機械方程和電磁方程來控制并網(wǎng)逆變器，使得并網(wǎng)逆變器在機理上和外特性上能與同步發(fā)電機相媲美的控制策略，尤其是模仿同步機的慣性時間常數(shù)。

簡單來說，虛擬電廠包括了電源、負荷;而虛擬電廠是對負荷進行控制。常規(guī)所認為的并網(wǎng)型微電網(wǎng)是虛擬電廠的一種存在狀態(tài)。個人認為，未來，和大電網(wǎng)相連的并網(wǎng)型微電網(wǎng)的終極狀態(tài)將是虛擬電廠的一個節(jié)點。

虛擬同步機是目前微電網(wǎng)控制技術中比較重要的一項技術，在微電網(wǎng)方程控制技術中處于中低層。VSG在并網(wǎng)或離網(wǎng)情況下都可以做，和電力電子這種跟隨型的控制技術相比，它是一種主動型的控制技術。在配電網(wǎng)側(cè)，它也是一項非常好的技術，像光伏、風電等只呈現(xiàn)出發(fā)電的屬性，并沒有體現(xiàn)出配電網(wǎng)的調(diào)節(jié)屬性。配電網(wǎng)側(cè)新能源接入比例逐漸增大后，對電源具備配電網(wǎng)調(diào)節(jié)的能力要求將越來越高。

相同點：

都是由各類分布式電源和負荷構成，接入配電網(wǎng)。

不同點：

微電網(wǎng)可以并網(wǎng)和孤島運行，虛擬電廠只能并網(wǎng)運行，

微電網(wǎng)的產(chǎn)權所有者只有一個，虛擬電廠的產(chǎn)權所有者可以是多個，但是它的運營方式只有一個，

微電網(wǎng)只有一個PCC點，虛擬電廠有多個接入點，

目前微電網(wǎng)更側(cè)重于技術問題，如分層控制技術、滲透率控制技術等，隨著電力體制改革和能源戰(zhàn)略結構來看，虛擬電廠更加側(cè)重于技術基礎和商業(yè)模式的探討。

相同點：

被控主體是分布式電源，都在模擬發(fā)電廠的某些外部特性。

不同點：

虛擬電廠主要控制發(fā)電量和用電量，虛擬同步機主要控制PCS等電源，

在大電網(wǎng)或者微電網(wǎng)的分層控制中，越底層速度越高，虛擬同步機動態(tài)時間域在毫秒到秒級之間，而虛擬電廠穩(wěn)定時間域在分鐘級以上，

虛擬電廠是多電源和多負荷協(xié)調(diào)控制，不需要在同步的控制周期下，虛擬同步機對控制的帶寬要求比較高，

虛擬同步機主要是基于電力電子技術和通信技術，虛擬電廠目前主要是考慮商業(yè)運營模式的綜合性技術，或者是商業(yè)化的總包服務或者資產(chǎn)管理、資產(chǎn)交易等。

2、規(guī)劃因子

規(guī)劃因子是微電網(wǎng)選擇的約束模型，基于這個模型可以選擇比較優(yōu)質(zhì)的項目。規(guī)劃因子主要分為組成潛力評估、電網(wǎng)接入評估、電力市場政策和相關能源政策四部分。

3、源荷儲發(fā)電特性契合度

微電網(wǎng)的控制和分析需要先建立模型，知道源網(wǎng)荷儲之間的發(fā)電契合度，如上圖，在這個物理架構的基礎上做一些控制仿真。

4、微網(wǎng)穩(wěn)態(tài)典型問題

在微電網(wǎng)控制中有一個非常常見的問題，即系統(tǒng)的震蕩、保護，這是在穩(wěn)態(tài)過程中出現(xiàn)的一些暫態(tài)問題。從物理上講微電網(wǎng)系統(tǒng)存在固定和非固定的諧振帶，且非固定諧振帶隨電源數(shù)量增多而向低頻偏移。電網(wǎng)阻抗增大，電源數(shù)量變多和鎖相環(huán)帶寬增大都會導致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。

目前基本上所有的電源都能滿足并網(wǎng)標準，但是并不完全滿足配電網(wǎng)的用戶需求，配電網(wǎng)的用戶需求需要電源有一定的調(diào)節(jié)能力，而目前的電源都是跟隨型的控制策略，需要鎖定和跟蹤電網(wǎng)的相位和頻率，所以把跟隨型的控制策略變成主動型的控制策略，主動調(diào)節(jié)配電網(wǎng)中的電壓、頻率以及多個電源之間有功、無功的分配。

微電網(wǎng)多電源運行有下面兩種情況：

電壓幅值不等時，產(chǎn)生有功環(huán)流，有功環(huán)流與幅值差值成正比;

電壓行為不等時，產(chǎn)生無功環(huán)流隨相位差的增大非線性增大。

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5、微網(wǎng)諧振原因

從電源發(fā)射特性看：

逆變器自身的非線性與死區(qū)等

負荷的非線性和沖擊性

電網(wǎng)背景諧波

從多電源并聯(lián)諧振看：

多電源之間存在阻抗耦合

控制方式會影響到電源之間的阻抗耦合

電網(wǎng)電抗與逆變器直接存在阻抗耦合

電源自身的固有諧振頻率

6、微電網(wǎng)諧振抑制結論

系統(tǒng)諧振帶為疊加諧振帶，包含自身諧振帶，并聯(lián)諧振帶和串聯(lián)諧振帶，合理選擇虛擬阻尼電阻可以有效衰減諧振效果。

采用頻域阻抗法可以分析新能源發(fā)電接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性，但Dq坐標系下阻抗建模的物理意義模糊，阻抗難以直接測量，建議在abc坐標系下進行阻抗建模。

基于這些仿真分析和實驗看，多負荷多電源的微電網(wǎng)系統(tǒng)采用VSG+虛擬阻抗技術可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效平衡各個電源之間的出力情況，VSG和虛擬阻抗的相關參數(shù)可以通過計算、仿真得出。

7、微電網(wǎng)分層控制技術

微電網(wǎng)不同于單個變流器，需要基于分層控制技術。上層主要是發(fā)電計劃、運行模式、負荷預測、發(fā)電預測和機組組合的控制，中間層主要是孤島檢測、聯(lián)絡線功率控制、二次電壓和頻率控制，底層即電源層，主要是進行一些VSG控制，阻尼阻抗、諧振抑制、功率分配等。

中間層向底層不同電源分配指令時基于很多的控制算法，例如不同電源之間的特性。在孤島運行時，微電網(wǎng)中的負荷不平衡，尤其新負荷、非線性負載比較多的時候，容易造成諧波污染，這時就需要按照不同的電源特性分配不同的指令，例如當負載不平衡時，需要針對性的發(fā)出零序分量和負序分量，如果這些不平衡電流由儲能發(fā)出，那在儲能電源的直流側(cè)就會形成直流電壓紋波，對很多電池就會造成損壞。

目前常見的控制方式主要是有線通信和無線通信兩種，不同的通信方式有不同的特性。一般情況下，越往底層的通信，要求的控制帶寬越高，通信速率也就越高。從系統(tǒng)的控制上看，有效的控制帶寬越高，有效的控制速度越高，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高，這主要取決于通信協(xié)議和控制策略，并不是說選用的物理介質(zhì)允許通信速率高，控制帶寬就高。

8、系統(tǒng)同步信號載波移相

上圖的中間層和光伏逆變器、風電變流器之間通過光纖通訊連接，通過同步信號控制電源載波。載波移相可以有效的提高并網(wǎng)點的等效電頻，電頻數(shù)量隨設備的增加而增多，電能質(zhì)量也隨之越好。

在微電網(wǎng)中，設備之間并的電源越多，系統(tǒng)越容易震蕩，這時候可以增加虛擬阻抗策略、VSG策略以及提高并網(wǎng)端的等效電頻等，目的都是為了保證整個系統(tǒng)的控制增益不隨并聯(lián)設備的數(shù)量變多而降低。當然這都是基于VSG+虛擬阻抗的前提而言。

9、優(yōu)化系統(tǒng)控制

上圖基于分層控制和快速通信技術，有效提高系統(tǒng)VF節(jié)點的容量，同時能針對不同電池的特性分配不同的指令，系統(tǒng)會分解出調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率和電壓所需要的有功、無功。根據(jù)直流對直流紋波電壓的敏感程度分配指令，既可以保證系統(tǒng)的容量增大，也可以保證系統(tǒng)相關器件壽命的延長。

10、微電網(wǎng)上層和底層關鍵技術

微電網(wǎng)中，越接近底層越接近于控制技術，越接近上層越接近于商業(yè)模式。

大數(shù)據(jù)在交互級或者交易平臺級別都能用到，主要用來預測、數(shù)據(jù)增值、智能化運維、智能化服務、資產(chǎn)定價、資產(chǎn)交易等。

個人認為，區(qū)塊鏈和分布式發(fā)電或微電網(wǎng)有天然的契合度，在分布式發(fā)電或微電網(wǎng)的電力交易支付、資產(chǎn)交易記錄、征信等方面的應用有很大前景。

微電網(wǎng)底層相關技術主要包括IOT、儲能等。儲能在微電網(wǎng)中扮演著穩(wěn)定源的角色，因為大部分新能源屬于不穩(wěn)定源，如果整個系統(tǒng)要去發(fā)電和供需平衡，不穩(wěn)定源就需要儲能來補償調(diào)節(jié)。

11、案例

智能控制：DF項目并離網(wǎng)無縫切換(DO反饋)

上圖是某項目的并離網(wǎng)切換實驗。它是計劃性的并離網(wǎng)切換，離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)，同期跟蹤電網(wǎng)相位，然后基于VSG的同期分層控制，并網(wǎng)開關閉合，完成了離網(wǎng)向并網(wǎng)的轉(zhuǎn)換，這個過程中并離網(wǎng)信號通過DO來反饋，速度比較快。

智能控制：并離網(wǎng)無縫切換(RS485)

上圖也是計劃性的并離網(wǎng)切換，它的整個系統(tǒng)中有多個電源，選擇RS485通信，實現(xiàn)了多個電源之間的功率分配及并離網(wǎng)無縫切換的穩(wěn)定運行。

智能控制：VSG模式并離網(wǎng)無縫切換(RS485)

上圖是基于RS485的多VSG模式的并離網(wǎng)切換，放大并離網(wǎng)切換時刻可以看到電流有一定變化，因為在并網(wǎng)時響應發(fā)電指令，離網(wǎng)時需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓和頻率，進行二次調(diào)頻/調(diào)壓，功率會發(fā)生一點變化，但是整個系統(tǒng)的電壓保持不變。

上圖是并網(wǎng)情況下，以VSG控制策略在運行的情況。電流突然變大，頻率下降，說明在VSG的情況下，電源是有配電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力的。

微電網(wǎng)案例

1、金風科技全球總部智慧能源示范項目

項目意義：

國內(nèi)首個MW級工業(yè)區(qū)智慧能源項目

北京市首家返送電微電網(wǎng)示范項目

國家863主動配電網(wǎng)1MW支撐電源項目

IEC微電網(wǎng)標準試驗基地

中法國家級測試驗證基地

孤島—并網(wǎng)雙模式運行

項目價值：

年發(fā)電量392萬度

可再生能源占比為32%

能耗總量下降約15%

節(jié)能率(折合標煤)為14.3%

年減排二氧化碳3491噸

預期內(nèi)部收益率10.28%

一期滲透率：32%

二期滲透率：>100%

(2MW風機+600k燃氣輪機+綠證，新能源占比接近100%)

項目參數(shù)：

2.5MW風機

1067Kwp光伏(多晶硅990KW、單晶硅5KW、72KW碲化鎘薄膜)

65kW*2+600kW微燃機

釩液流：200 kW *4h

鋰電池：100 kW *1.5h

超級電容：200kW*10s

項目功能：

黑啟動

削峰填谷，復用備用電源

多能互補

需求側(cè)相應

冷熱電三聯(lián)供

解決方案：

光伏發(fā)電+風力發(fā)電+儲能系統(tǒng)+節(jié)能改造+智慧能源管理平臺

運行實時數(shù)據(jù)：

上圖是通過釩液流儲能來平抑風電的情況，藍色是風電的出力曲線，紅色是儲能的出力曲線，綠色是兩者設備平滑后總的出力情況。

2、江蘇大豐風電產(chǎn)業(yè)園智慧能源項目

項目意義：

國內(nèi)首個商業(yè)化并網(wǎng)型工業(yè)區(qū)微電網(wǎng)項目

項目價值：

年發(fā)電量433萬度

可再生能源占比為21%

Co2減排4300噸/年

預期內(nèi)部收益率：9.5%

降低增容費：4.8萬元/月

項目參數(shù)：

2.0MW+100kW風機

96kWp光伏

540kWh鉛炭儲能系統(tǒng)

解決方案：

風力發(fā)電+光伏發(fā)電+儲能系統(tǒng)+能源管理系統(tǒng)+智慧能源管理平臺

微電網(wǎng)電力供客戶生產(chǎn)使用，年耗電1970萬度左右。投資回收期：8.78年。

3、寧夏嘉澤智慧能源示范項目

項目意義：

國內(nèi)首個商業(yè)化MW級風光燃儲多能互補項目

項目價值：

預計年發(fā)電量512萬度

可再生能源占總用電量的31%

未來規(guī)劃發(fā)展清潔能源占比60%

年減排co2：4560.9噸

年收益約6.11%

項目參數(shù)：

2.0MW低風速風機

375KW太陽能光伏

釩液流電池儲能：125kw*5h

65kw微燃機

暫態(tài)穩(wěn)控系統(tǒng)

電力智能調(diào)度系統(tǒng)

微電網(wǎng)發(fā)電側(cè)及負荷側(cè)全覆蓋監(jiān)控系統(tǒng)

2臺充電樁

解決方案：

風力發(fā)電+光伏發(fā)電+微燃機/儲能/充電樁+智慧能源管理平臺

4、岳陽高瀾智慧能源項目

項目意義：

湖南首個MW級智能微網(wǎng)項目

項目價值：

年發(fā)電量預計145萬度

減少碳排放1291余噸

項目參數(shù)：

1.7MW光伏

600kWh鉛炭儲能

運行方式：

峰谷套利

5、安徽無為國家級智慧能源示范點

項目意義：

國家首批“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源示范項目

全國首家縣級城市智慧能源示范

智慧能源產(chǎn)業(yè)的里程碑，可推廣復制

項目價值：

新能源發(fā)電量6434萬度

項目參數(shù)：

60MWp分布式光伏

6MW分布式風機

20MW*2h壓縮空氣儲能

應用場景：

峰谷套利

電能質(zhì)量優(yōu)化

降低增容費

降低可再生能源波動，提高滲透率

關鍵負荷備用電源

解決方案：

光伏發(fā)電+風力發(fā)電+空氣儲能+供熱供冷+管網(wǎng)系統(tǒng)+智慧能源管理平臺