【正文】 布式的新能源特別是可再發(fā)生能源發(fā)電的大發(fā)展，由此引發(fā)電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的新問(wèn)題。 近年來(lái)我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)展速度很快。截止 2020年底，全國(guó)總裝機(jī)達(dá)到了 億千瓦，居世界第二位 [3]。盡 管如此，我國(guó)迄今仍然只能稱為電力大國(guó)而不是電力強(qiáng)國(guó)。由于我國(guó)人均擁有的一次能源極其有限、油氣資源短缺、能源利用引起的環(huán)境污染嚴(yán)重，要在提供充足可靠的能源和電力供應(yīng)的同時(shí)減少環(huán)境污染，難度比其他國(guó)家大得多。這一事實(shí)說(shuō)明迄今為止我國(guó)以高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離為主要特征的大規(guī)模互聯(lián)電網(wǎng)雖然已經(jīng)在保障電能安全可靠地傳輸和分配方面發(fā)揮了巨大作用，但在新形勢(shì)下仍不能完全適應(yīng)我國(guó)電能系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的需求。在著力建設(shè)大型互聯(lián)電網(wǎng)的同時(shí)注重分布式電源的發(fā)展，研究集中與分散相協(xié)調(diào)的新一代電能供給、傳輸和分配的理論及相關(guān)技術(shù)，是保 證我國(guó)電網(wǎng)安全可靠及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所面臨的理論和工程實(shí)踐的重大挑戰(zhàn)。 選題的背景與意義 鑒于上述情況，分布式發(fā)電這項(xiàng)新興的課題被大家提上了日程。分布式發(fā)電華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安裝地點(diǎn)靈活等多方面優(yōu)點(diǎn) , 有效解決了大型集中電網(wǎng)的許多潛在問(wèn)題。 目前 , 歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)始廣泛研究能源多樣化的、高效和經(jīng)濟(jì)的分布式發(fā)電系統(tǒng) , 并取得了突破性進(jìn)展。無(wú)疑 , 分布式發(fā)電將成為未來(lái)大型電網(wǎng)的有力補(bǔ)充和有效支撐 , 是未來(lái)電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一。 實(shí)際上 , 小電源分散發(fā)電并非新概念 , 早期的電力系統(tǒng)都是 規(guī)模較小的分散獨(dú)立系統(tǒng)。隨著交流高壓遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)的發(fā)展 , 聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模效益日趨顯著 , 人們開(kāi)始將各分散系統(tǒng)連接起來(lái)并網(wǎng)運(yùn)行。但在 20世紀(jì) 60年代的幾次大停電事故后 , 就有人開(kāi)始對(duì)集中供電提出質(zhì)疑 , 但其后并未開(kāi)展深人研究。 20世紀(jì) 90年代 , 人們才開(kāi)始對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)的潛在效益展開(kāi)認(rèn)真研究 , 并發(fā)表了許多研究報(bào)告和論文 [4]。 分布式發(fā)電也稱分散式發(fā)電或分布式供能 , 一般指將相對(duì)小型的發(fā)電裝置（一般 50MW以下）分散布置在用戶（負(fù)荷）現(xiàn)場(chǎng)或用戶附近的發(fā)電（供能）方式。分布式電源位置靈活、分散的特點(diǎn)極好地適應(yīng) 了分散電力需求和資源分布 , 延緩了輸、配電網(wǎng)升級(jí)換代所需的巨額投資 , 同時(shí) , 它與大電網(wǎng)互為備用也使供電可靠性得以改善。 分布式發(fā)電系統(tǒng)與集中供電系統(tǒng)的配合應(yīng)用有以下優(yōu)點(diǎn) : a 分布式發(fā)電系統(tǒng)中各電站相互獨(dú)立，由于用戶可以自行控制，不會(huì)發(fā)生大規(guī)模停電事故，所以安全可靠性比較高。 b 分布式發(fā)電可以彌補(bǔ)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的不足，在意外災(zāi)害發(fā)生時(shí)繼續(xù)供電，己成為集中供電方式不可缺少的重要補(bǔ)充。 c 分布式發(fā)電系統(tǒng)可對(duì)區(qū)域電力的質(zhì)量和性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，非常適合向農(nóng)村、牧區(qū)、山區(qū)以及發(fā)展中城市或商業(yè)區(qū)的居民供電 ，大大減小了環(huán)保壓力。 d 分布式發(fā)電的輸配電損耗很低，甚至沒(méi)有，無(wú)需建配電站，可降低或避免附加的輸配電成本，同時(shí)土建和安裝成本低。 e 分布式發(fā)電系統(tǒng)可以滿足特殊場(chǎng)合的需求，如用于重要集會(huì)或慶典的于熱備用狀態(tài)的 )移動(dòng)分散式發(fā)電車。 f 分布式發(fā)電系統(tǒng)調(diào)峰性能好，操作簡(jiǎn)單，由于參與運(yùn)行的系統(tǒng)少，啟?？焖?，便于實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)。 本文所說(shuō)的分布式發(fā)電系統(tǒng)指的就是并網(wǎng)運(yùn)行的基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)。發(fā)展這種小型的并網(wǎng)運(yùn)行的分布式發(fā)電系統(tǒng)可以有效的節(jié)約國(guó)家能源，是環(huán)境保護(hù)的需要，也是電力發(fā)展的重要補(bǔ)充。分布 式發(fā)電系統(tǒng)的主要作用是提高供電可靠性，可在電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害情況下保證重要用戶的安全工作。與大型計(jì)算機(jī)一微機(jī)的關(guān)系類似，分布式發(fā)電系統(tǒng)將是未來(lái)“微電網(wǎng)” (miCrogrid)華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 的重要組成部分，在未來(lái)電力市場(chǎng)中是一種有競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)電方式。其結(jié)構(gòu)圖 11如下。 圖 11 分布式發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 分布式電源盡管優(yōu)點(diǎn)突出 , 但本身存在諸多問(wèn)題 , 例如 , 分布式電源單機(jī)接入成本高、控制困難等 [5]。另外 , 分布式電源相對(duì)大電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)不可控源 ,因此大系統(tǒng)往往采取限制、隔離的方式來(lái)處置分布式電源 , 以期減小其對(duì)大電網(wǎng)的 沖擊。 IEEE P1547對(duì)分布式能源的人網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)做了規(guī)定當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí) , 分布式電源必須馬上退出運(yùn)行。這就大大限制了分布式能源效能的充分發(fā)揮。為協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾 , 充分挖掘分布式能源為電網(wǎng)和用戶所帶來(lái)的價(jià)值和效益 [6]。 分布式發(fā)電與微電網(wǎng)的用電方式可以達(dá)到以下要求。 經(jīng)濟(jì)：能源合理梯級(jí)利用 — 提高能源利用效率（ 60%～ 90%） — 節(jié)能，投資回報(bào)率高、降低成本和投資，就近供電，減少網(wǎng)損。 環(huán)保：減輕環(huán)保壓力（排放總量減少、減少征地及線路走廊、減少高壓電磁污染）。 能源：多個(gè)電源，多種燃料， 可為用戶同時(shí)提供多種能源（電、熱、冷），解決能源危機(jī)和能源安全問(wèn)題，可利用新能源（氫）和可再生能源。 安全及可靠性：調(diào)峰問(wèn)題（與燃?xì)饣パa(bǔ)）、備用問(wèn)題，提高供電可靠性和供電質(zhì)量，防止大面積停電事故的發(fā)生，防災(zāi)害（戰(zhàn)爭(zhēng)、地震、恐怖活動(dòng)等）。 電力市場(chǎng)：適應(yīng)電力市場(chǎng)發(fā)展需要。 投資風(fēng)險(xiǎn)：降低大型電站建設(shè)投資風(fēng)險(xiǎn)。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 扶貧：解決邊遠(yuǎn)地區(qū)供電困難。 目前國(guó)內(nèi)多在分布式發(fā)電和分布式儲(chǔ)能上開(kāi)展相關(guān)的研究，對(duì)微電網(wǎng)的研究還基本處在起步階段。本文在介紹國(guó)外微電網(wǎng)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)微電網(wǎng)所需研究的相關(guān)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行歸納和總結(jié)。 本課題的研究意義在于通過(guò)本篇文章，使讀者可以了解微電網(wǎng)的概念、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、單元、儲(chǔ)能元件、模型等基本方面的知識(shí)。并通過(guò)研究微電網(wǎng)在美國(guó)、日本、歐洲和世界其他國(guó)家的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析中國(guó)微電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與難題，并分析微電網(wǎng)在中國(guó)的發(fā)展前景。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2 章 微電網(wǎng)的基本概述 微電網(wǎng)的概念 目前， 國(guó)際上對(duì)微型電網(wǎng)的定義各不相同。 美國(guó)電氣可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會(huì)（ CERTSConsortium for Electric Reliability Technology Solutions)給出的定義為：微電網(wǎng) 是一種由負(fù)荷和微型電源共同組成系統(tǒng)，它可同時(shí)提供電能和熱量；微電網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換，并提供必需的控制；微電網(wǎng)相對(duì)于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時(shí)滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電安全等的要求 [7]。 歐盟微電網(wǎng)項(xiàng)目（ European Commission Project Microgrids）給出的定義是：利用一次能源；使用微型電源，分為不可控、部分可控和全控三種，并可冷、熱、電三聯(lián)供；配有儲(chǔ)能裝置；使用電力電子裝置進(jìn)行能量調(diào)節(jié)。 美國(guó)威斯康辛麥迪遜分校（ University of WisconsinMadison）的 R. H. Lasseter給出的概念是：微電網(wǎng)是一個(gè)由負(fù)載和微型電源組成的獨(dú)立可控系統(tǒng)，對(duì)當(dāng)?shù)靥峁╇娔芎蜔崮?。這種概念提供了一個(gè)新的模型來(lái)描述微電網(wǎng)的操作；微電網(wǎng)可被看作在電網(wǎng)中一個(gè)可控的單元，它可以在數(shù)秒鐘內(nèi)反應(yīng)來(lái)滿足外部輸配電網(wǎng)絡(luò)的需求；對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，微電網(wǎng)可以滿足他們特定的需求：增加本地可靠性，降低饋線損耗，保持本地電壓，通過(guò)利用余熱提供更高的效率，保證電壓降的修正或者提供不間斷電源。 綜合以上，并結(jié)合我國(guó)電網(wǎng)的實(shí)際狀況，本文可以得出微電網(wǎng)的定義：能量來(lái)源主要 為可再生能源； 發(fā)電系統(tǒng)類型可為微型燃?xì)廨啓C(jī)（ MicroTurbine）、內(nèi)燃機(jī)（ Gas Engine）、燃料電池（ Fuel Cell）、太陽(yáng)能電池（ PV Panel）、風(fēng)力發(fā)電機(jī)（ Wind Generator）、生物質(zhì)能（ Biomass Energy）等；系統(tǒng)容量為20 kW～ 10 MW；網(wǎng)內(nèi)的用戶配電電壓等級(jí)為 380 V，或者包括 kV；如與外部電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，電壓等級(jí)由微電網(wǎng)的具體應(yīng)用等情況而定。 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特性與儲(chǔ)能元件 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，電網(wǎng)規(guī)劃歷來(lái)強(qiáng)調(diào) 全局觀點(diǎn)與遠(yuǎn)近結(jié)合，而電力系統(tǒng)集中供電與電力用戶的地域分散性是一對(duì)矛盾體 [8]。目前發(fā)、輸、配、用四個(gè)環(huán)節(jié)組成的電力網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)從電源到用戶的單向系統(tǒng)，任何中間環(huán)節(jié)的故障，都會(huì)導(dǎo)致供電的中斷。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，提高供電可靠安全性，單純從大電網(wǎng)角度考慮加強(qiáng)電源、電網(wǎng)建設(shè)并不能有效解決用戶供電問(wèn)題，必須在用戶側(cè)就地考慮多電源、多通道供電，因此，建設(shè)用戶端就地電源就成為必然。華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展將進(jìn)入推進(jìn)電力資源尤其是可再生能源在更大范圍內(nèi)優(yōu)化配置的新階段，其標(biāo)志是將分布式發(fā)電、儲(chǔ)能和負(fù)荷組合在一起構(gòu)成微電網(wǎng)，進(jìn)而再將 其與輸配電網(wǎng)集成為輸電網(wǎng)－配電網(wǎng)－微電網(wǎng)三級(jí)電網(wǎng)，形成一種全新的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系，在這一體系中，微電網(wǎng)表現(xiàn)為一個(gè)有源配電單元，而不是傳統(tǒng)意義的“無(wú)源”的配電、用電環(huán)節(jié)。這種“無(wú)源網(wǎng)”向“有源網(wǎng)”的轉(zhuǎn)變將有助于提高終端用戶的供電可靠性和電能質(zhì)量，提高系統(tǒng)的節(jié)能減排指標(biāo)并改善突發(fā)事件下對(duì)用戶的供電能力，但同時(shí)也將改變整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，并且高比例分布式發(fā)電的應(yīng)用（即高滲透率）將可能引發(fā)微電網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)、進(jìn)而對(duì)輸電網(wǎng)的正常運(yùn)行的沖擊。 微電網(wǎng) (miCrogrid)是指由低壓配電網(wǎng)與小的模塊型發(fā)電裝置以及所連負(fù) 載構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)，也可以看做是管理局部能量供求關(guān)系的基于分布式發(fā)電裝置的小電網(wǎng)。其結(jié)構(gòu)如下圖； 圖 21 微電網(wǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖中的微電網(wǎng)由兩個(gè)并聯(lián)的分布式發(fā)電裝置 (DGI和 DGZ)、電網(wǎng)、開(kāi)關(guān) K以及一些重要負(fù)載組成。圖中忽略了一些非重要負(fù)載。在正常工作即運(yùn)行于并網(wǎng)模式時(shí)，微電網(wǎng)通過(guò)開(kāi)關(guān) K與電網(wǎng)相連，連接點(diǎn)即為公共藕合點(diǎn)， DGI和 DGZ只向重要負(fù)載提供部分能量 (電網(wǎng)也提供一部分能量 )，這種運(yùn)行模式減輕了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，并且提高了重要負(fù)載的抗干擾性。但是在電網(wǎng)故障或維修的情況下，開(kāi)關(guān) K將跳開(kāi)，電網(wǎng)被切離，系統(tǒng)中 的 DGI和 DGZ將負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)負(fù)載電壓，并按預(yù)先設(shè)定的功率均分的原則向微電網(wǎng)中所有重要負(fù)載供電，此時(shí)微電網(wǎng)工作于獨(dú)立運(yùn)行模式即孤華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 島運(yùn)行模式。在電網(wǎng)故障清除后，微電網(wǎng)要在開(kāi)關(guān) K閉合之前重新取得與電網(wǎng)的同步，以便平穩(wěn)恢復(fù)到并網(wǎng)運(yùn)行模式。 目前，分布式電源種類很多，既有新型的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、燃料電池等，也有傳統(tǒng)的柴、汽油機(jī)組發(fā)電和水力發(fā)電等，各種電源的能源種類不同，工作原理不同，各具特色。 多數(shù)分布式發(fā)電系統(tǒng)具有隨機(jī)性，如風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電，采用儲(chǔ)能裝置與分布式發(fā)電系統(tǒng)配合，對(duì)分布式發(fā)電 系統(tǒng)的電能進(jìn)行補(bǔ)償，是提高分布式發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量及其供電連續(xù)性的重要手段。目前，用于分布式能源存儲(chǔ)的儲(chǔ)能裝置主要有飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能、電解水制氫儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能等。各種儲(chǔ)能方式在各具優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也均存在不足，單一種類的儲(chǔ)能方式往往只能滿足某一類負(fù)載或者運(yùn)行狀態(tài)的需要，無(wú)法滿足所有的需要 [9]。基于微電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能裝置效率、壽命、充放電速率