微电网在智能电网中的作用

摘要

　　微电网是局部的电力系统，因此可能会或可能不会连接到配电系统，通常它由局部操作控制。微电网的关注度正逐步上升，它很可能将致使微电网连接数分布网络增加。目前，还不能很好的将微电网并入配电系统 - 它们在稳定构方面有着成潜在威胁。然而，微电网重点是复杂的控制，用以管理其特定的挑战，这样能解决很多的问题，也是实现智能电网需要克服的。这本文探讨了一些涉及的问题微型电网连接的分销网络，并说明微电网如何在智能电网的发展中发挥了关键作用。

关键词：切负荷，微电网，可再生能源，智能电网，稳定性，存储。

1.介绍

　　对“微电网”的定义有很多，但在这些定义中，我们感兴趣的是一个小的自足电力系统中，能给消费者提供电压，在发电机和负荷组合在一起单一的地理位置，其中一些可再生能源发电，这些资源在当地的控制权施加在地方一级。首先是它是可再生的一代，这是非常重要的，因为越来越大的气候变化压力让人十分担忧；其次，它使控制更具挑战性，尽管微电网获得普及，但是它们解决一些关键问题的潜力，在智能电网的发展问题一直没有充分发挥出来。由于其有着各种好处，微电网这在吸引人们的关注[1]-[4]，这包括：

●提高可靠性，微电网可以提供连续的或备份的电源，例如制造和安装；

●在敏感应用程序方面有着更高的功率的安全性，如和军方；

●本地能拥有控制权和所有权，从而可以使当地运营商决定的电能质量水平；

●如果严格控制资源，那么可再生能源所占的份额较高；

●如果可再生能源占一个足够的份额，而不是只是一个象征性的，那这很有利于改善环境；

●降低了往偏远地区的运输成本；

●余热利用，在应用中可以结合实际实行热电联产；

    目前，世界各地的许多微电网实验性质的，被用来调查问题，如可再生能源发电的普及率高，稳定性好，孤立性好和保护性好。然而，也有很多由于其特定的位置或应用程序被应用于商业上，是可行的实际微网。其中一个例子是电力系统安装在一个孤立的葡萄牙岛弗洛雷斯[5]。

微网的实验设施的一个例子是澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）。这家工厂是唯一的在其掺入三种类型的太阳能光伏技术（PV），两种类型的风力发电，和三种类型的电池技术（标准铅酸，CSIROdeveloped的设电池，溴化锌液流电池），如图1。从本文说明一些常见问题微电网和智能电网这些设施中发现一些结果。

图1.澳大利亚纽卡斯尔CSIRO的微电网实验设施

2.微电网的发展

    为了获得更多的量化的角度，调查使用Harzing的发布或灭亡，进行2000年和2010年之间上市的出版物有“微网”的话题，轶事证据（媒体报道和个人讨论）提出微电网的兴趣日渐浓厚[6]。搜索类别“工程，科学和数学”和排除任何文件包含单词“集群”，为了避免计数有关论文生物微阵列或计算机集群。

图2显示了以上分析结果。一个迅速不断上升的趋势可以观察到。2010年数字的减少是由于这样的事实而并非所有的文件，根据今年发布的数据尚未出现这种情况。除了这，在微电网中的快速增长是明显的论文。

图2.论文中含有“微电网”的数量统计

3.微电网的可再生能源发电

可再生能源面临的主要挑战是其间歇性。图3示出了一个理想的模型太阳能光伏阵列的功率输出曲线图，是一个简单的余弦函数[7]。它也显示了在一个阳光明媚的日子与云彩在冬季，实际功率从数组CSIRO的微电网设施输出。从一年的结果来看整体还是在一个较低的输出。更具挑战性是云造成电力快速波动。其中的一些可用功率可到达90％，而且减少这一数据也就是几秒钟的事。

图3.光基于模型与实际数据相比伏发电输出

    首先，生成和负载不平衡是由于当任何一个系统从一个平衡点移动由可再生能源的发电或改变改变负载。在连接到公用电网，微电网中的不平衡被假定为净进口，平衡出口到电网。然而，这可能不是的情况下，由于欲望的满足合同义务，或评级链接到电网。此外，在孤立的微电网，其中包括大部分是商业微电网。迄今为止，在这种情况下，这是不可能的。微电网具有任何配电系统的同样的挑战，但很更少的资源来迎接这一挑战 - 换句话说，微电网是比一个公用事业规模更细化的电力的系统。

    二，由快速波动，电压闪变再生资源的变化所造成的电力[8]。虽然这是一个暂时性的问题，但它可能会导致其他的问题。

三，由于微电网中电器的条件瞬息万变，这会导致振荡的产生，当这种情况出现时电力系统出现不稳定。这种不稳定可以引起设备瞬间超过其额定容量和跳闸关闭。这反过来又可以导致之间的不平衡生成和负载，并可能导致进一步的不稳定，最终导致彻底崩溃微电网。图4示出了用于关断逆变器小型太阳能光伏阵列，在响应频率的变化在一个孤岛微网。该实验在CSIRO的微电网设施进行提到更早。

图4.在孤立微电网中由于改变频率导致逆变器开关

    四，无功补偿可能是一个问题，像许多商业逆变器用于双向再生能源预置实用功率因数一样。随着可再生能源发电的变化，这可能是难以满足无功负载的需要。

    针对这些问题的解决方法有很多。到目前为止，最常见的是比例可再生能源发电，从而使这些问题最小化。然而，大多数现有的商业恰恰是因为他们有一个可行的微型电网是可行的大可再生能源的份额，从而使燃料进口保持在最低限度。

    其次，最常用的方法是提供足够的旋转备用。这带来了内在的问题，因为这样使用的机器必须能够快速地上升和降低他们的输出功率，而不会对机器造成显著的损害。然而，精密规格的机器可以减轻这种损害[5]。

    如果有大量的可再生能源的份额，以下几种其他的解决方案也可以：

●混合发电类型，以降低整体变异性。

●存储 - 电池，超级电容器，飞轮，热敏，压缩气体等。

●负载优先处理功能和自动负载脱落。

●及时关注天气变化，以减少意外系统的工作点的变化。

    在本文中定制的微电网设施和一些选定提出的研究结果，这些解决方案都是由CSIRO调查发现的。重要的是这些方法的成功关键在于它们是否可以使微电网成为一种利益的分销网络，而不是简单地将可再生能源的问题就到实用程序来处理。

4.微电网的存储

    微电网实现商业性的重要方面的例子表明在偏远地区微电网有其特别的效益。在这里，建设这种特殊的电力系统可以节省所有的燃油运输费用。这种间歇性可再生能源问题的解决办法是通过提供旋压储备，可快速响应使用短期的存储，以减少响应时间[5]。

    许多的孤立微电网安装在已经需要提供可靠驱动电力的偏远地区的周边[9]。为了解决远程电力系统的固有的问题，特别是那些包括一大部分可再生的一代，使用基于飞轮技术的存储设备这一种成功的方法脱颖而出[5]。

飞轮储能系统（FESS）包括一个可以作为电动机或发生器旋转电机，电子的电源转换器，和一个控制器。当微电网内的电力有盈余，机器就作为电动机工作。电能转换机械动能，由于动能转子的速度增加，Er是由公式给定：

    其中I是时刻的转子的转动惯量，ω是其角速度。这种机器是为了有一个比较大的转动惯量专门设计的，因为这决定了量的能量存储。机器的运行速度是由机械的材料的。

    重要的是要理解大量的电能存储在一个飞轮是相对少见的，而且不能期望它纠正微电网中能量分布不均的问题。一个典型的在一个孤立的微电网使用FESS是350千瓦至5千瓦[5]。这意味着，FESS可以吸收或提供功率是350千瓦，但只有约50秒。关于安装在弗洛雷斯岛屿的系统，例如，给定的风力发电能力为630千瓦，风的速度突然下降可能导致电能出现类似幅度的下降。规定功率保持50秒的情况可能是FESS在这种情况下预期最好。事实上FESS不能提供的大部分电能的平衡变化在可再生能源方面，因为这是左旋转备用的形式传统发电（即柴油发动机）。然而，FESS是能够提供许多服务[5]，解决出现上述问题。

    其中一个最知名的能量存储系统是电池。当设计电池存储时，有几个因素必须考虑：

●电池工作的目的；

●感兴趣的平滑的时间表；

●电池的容量；

●充电率和放电率；

●计算电池的充电和放电；

    电池工作的目标取决于微电网运营商的策略，约束和期望。该目标可能是要提供电压或频率的支持或平衡无功功率。

    该时间表可能分钟，当务之急是要把可再生能源发电的平滑输出变量或小时的负载转移[10]。同一作者展示从电池的容量历史数据如何可以预计，并提出了一些算法电池控制。

    如果有超过一个的时间尺度是感兴趣的，那么混合的移动设备都可以使用。其中一个例子是设的超电池，这是一种结合了铅酸蓄电池和超级电容器单元[11]。这种超电池是结合长期储能能够迅速提供和吸收充电。

5.微电网中的甩负荷

    负载脱落是在实现一些特别的目标电力系统中所采取的行动关闭负载，而不是运行负载为受益消费者。供选择的名字包括需求响应，需求管理，需求侧管理，和负荷控制。我们的目标既是稳态匹配生成和负载，又是暂时改善稳定性，又是降低成本。各种方法用于公用事业公司用以在旺季期减少负荷需求或减少不稳定情况。虽然微电网从一个大的电力网络方面来说是一个非常不同的系统，但是许多原则同样的适用。

    目前主要有两种负载脱落技术实用的电力系统中应用。断路器互锁原理是通过感应电路中的始发故障而引起故障[12]。这可以是一台正在关闭发电机。这产生的信号然后被输送到其他的断路器，用以删除子电路根据预先确定的图案。这个计划是非常灵活的，因为这种模式不能改变，如条件，因此，多数错误的负载可能会流失。然而，它也是快速的，因为没有计算消耗。第二个常见的方案是采用频率下继电器。每个继电器都有设置点，并在一个设定已经过去了的时间后运行，为了避免滋扰操作。然而，由于的时间延迟这是很缓慢的，并且还可以导致脱落的错量，因为实际的功率在切断负载后是否能得出是不知道的。

    大部分负载脱落算法是经常出现在文学方面的。这是合乎逻辑的，因为随着传统发电正逐渐占据主导地位通过旋转机，随着负载的增加一台机器上，其速度略有下降。以这种方式，频率和功率平衡是直接相关的。由于产生的力减小时，频率下降时产生的动力不足，难以满足需求，频率低于标称系统频率。由于生成的功率的增加，有一个相反的效果。这意味着发电负荷不平衡能够容易地检测测量频率。在施韦普的工作报告中这效果在一定限度内往往被认为是线性的，美国早期提交的报告中甩负荷装置于1979年申请的专利[13]。在这项工作中，甩负荷的主要机制是切换加载一个阈值。

使用频率的一个重要优点是不需要额外的通信设备—频率可在系统中的每一个点。一个可能的缺点是频率的偏差可以小，需要精确地测量。另一项措施用于切负荷的频率变化率。

一个更复杂的方法为一个大型工业厂房来加载脱落是与微电网相关，由于在这种环境下工厂需有其自己的自备电厂，等形成的组合的负载和发电坐落在一个地理位置，而不是像微电网没有可再生能源发电[14]。一个更复杂的控制机制的原理，一些相关的微电网运行情况如下：

●地方性的发电量差别很大；

●频率变化率很高；

●负载的数量很少。

    该计划要求该网站内的通信报告每个断路器的位置与负载和发电机的状态。正因为如此，该系统能够测量的实际负荷和发电机的平衡，而不是依赖于诸如频率的二次信号。所有负载有优先权的，这些列表规则的应用是来决定每个情况需要采取的行动。

    一项家电消费的负载脱落实验是在太平洋西北国家实验室由美国太平洋西北地区开展的。试验使用了150台衣物烘干机用于对测量频率和频率低于59.95 Hz以下自动切断进行了修改。这代表了在一个固定阈值基础上的阶跃响应，在实施摆脱整个馈线高频继电器的变电站里是司空见惯的。尽管所有的家电经营随意，而且消费者报道没有明显的影响，此整体的负载被认为是太小，以至于无法有效地保护与发电负荷不匹配的系统。

    类似的方法也推荐。对现有的甩负荷计划的不足之处进行了说明。智能甩负荷计划提出作者需要连续的关于系统的包括从每一代源的功率流在一些方面信息，每台发电机的运行，状态和每个负载，系统布局的知识，以及不同的知识都建立在实际情况下的系统行为[15]。

    虽然这种全面的方法有一个明显的优点[12]，这意味着，一旦它已被安装后，它不能被转移到一个没有一个完整的重新配置新的系统中，用以收集新的例子案件和调整的控制器。此外，虽然作者的一个“最佳”解决方案，是指他们的计划正式的优化方法并不包括在内。

    一些已作出尝试包括在选择负载脱落方面进行优化。其中一个例子是制定甩负荷有功和无功不平衡的优化问题。这项工作使用拉格朗日求解线性约束和比较包括牛顿迭代的结果和二阶梯度技术的其他例子。这种技术有希望而且有必要证明这些在微电网工作。

6．甩负荷试验

在这里，我们提供了一个简单的例子是在CSIRO微电网设施进行自动负载脱落的实验。这个实验说明了一个简单的多目标优化技术的应用。与额定输出功率为20千瓦的光伏阵列连接在微电网以及16千瓦的sheddable负荷。电网的功率是通过公共耦合点（PCC）供给。当在阴天光伏输出变化的目标保持不变的情况下，通过公共耦合点的能量转移被监测，与图3的条件相似。在使用1Kw，2 Kw，4 Kw，8 Kw，16 Kw和32 Kw电阻的情况下甩负荷进行切换使用晶闸管。开关延迟明显，由于测量与通信延迟的约束，该约束的极限时2负载可以随时切换，使用穷举搜索，在每个开关的时间间隔，以确定最合适的负载切换。其结果示于图5中。

图5.在夏季一个多云的日子里，加载使用自动脱落负载的太阳能光伏发电输出

    图5所示负载开关是能够保持负荷和发电量之间的良好平衡（在2Kw之内，由于切换负载有限范围，在控制算法中使用的阈值）。虽然，在一个实际的微电网，不是所有的负载都可以以这种方式切换。很显然，这样的方法的方式是指向未来的发展。在实践中，它可能是新生成的类型，存储和负载脱落的混合物，用以满足以维持足够的微电网中的功率平衡的需要。

在现实中，负载的耐受性有不同的转换，而且只允许设置优先级的负载容纳通过。例如，在CSIRO微电网实验室进行进一步的实验，在那里不同的优先级被设置为每个负载。图6示出了每个负载切换的次数。均匀优先级的负载可能被切换，如果它们的阻值很小，除1Kw和切换频率低于2 kW的负载。这是可以预料的，较小的负载将被切换不仅仅当功率平衡的存在小的误差，而且较大的误差也可以。当有不同的优先级分配给每个负载的分布改变，使其更接近指定的优先级。这些是2，7，3，5，4，9，这意味着在1Kw的负载有最低的优先级，而32Kw的最高优先级，其次由2 kW的负载。这个实验表明，负载在更复杂的标准的基础上的转换比在简单的固定的优先级的基础上可能性更大。在这种情况下，使用两个标准 ——配合可生成和优先级 ——但这种方法可以很容易地扩展，以允许多个条件或约束，例如，一旦接通，不应该被关闭对于一个给定的时间量的负载。这是更现实的实际情况。

图6.同类和异类优先级负载的切换次数

7.微电网电能质量

    从电源实用的角度来看，作为一个潜在的电能质量问题的原因微电网可能出现的威胁，或者是从能源供应商的竞争的角度来看。但是，很显然微电网配电设施有协助潜力;它只是取决于它们是如何实现。从实用的优点来看是再生一体化的问题，在一定程度上被转移远离实用私人微电网运营商。公用事业应积极鼓励使用微电网，这是一个困难的问题，这是核心业务的一部分，可以有效地转移了私人运营商来处理。随着微电网运营商的接近点功耗，这可以帮助消费者使用他们的权力来承担更多的责任。

    从另一个角度对微电网的更多安装的实验在日本仙台市。在这里，有一群合作组织已经安装了微电网来演示在社区如何实现电能质量可控制。此微电网提供多个行业内的负载[17]。在第一阶段，一所大学，一个服务器机房和教学室供应。在第二，毗邻疗养院供应。在第三，直辖市的国有部门，当地一所学校和一个抽水站供应。这允许微电网的不同类型的负载提供电源质量参差不齐。质量功率在A用于负载不应该被打断。电源质量乙可能会被中断，但根据供应的负载分级。质量B1得到存储在停电的情况下的。质量B2被支持分布式发电，这比B1反应较慢。质量B3不支持—— 如果停电了这项服务将被中断。一个不寻常的特点是电信的负荷，需要一个直流（DC）电源，除了更常见的交流电流（AC）负载的存在。第六电能质量是正常的交流电源，从电网直接送达。这项工作的另一个重点是无缝转换，从电网到社区的操作模式。

8.智能电网

    智能电网是下一代强大的电力配电网概念[18]。在这一愿景中，网格是一个网络相互连接的智能设备，它实施分布式控制，但统称为工作的适应性和可以重新配置以应对威胁智能机。它集成了一个愿望——以减少温室气体排放和提高能源使用效率，同时提高电能质量，满足消费者的需求。它包括市场放松管制，承认多元利益和利益相关者的发电和配电行业。智能电网所提供的好处有：

●增加可再生能源的使用；

●减少消费者的用电成本；

●改善电力系统的用电效率;

●提高电力系统的可靠性。

     但是经常在学术文献中提出，智能电网是一个激进的变革，有很大的挑战，这一设想变成现实之前还有很多问题需要解决。以下，我们讨论其中的一些挑战。

自动化

    这是一个艰巨的任务，在整个网络中的每一台设备更换或升级。要求每个断路器，每台变压器，每重合器，每极顶的电容能够发送状态信息的请求时，远程启动智能电网。目前，断路器和重合器很少有它们的环境意识，并没有做出复杂的决策能力[19]。然而，目前的微电网的研究正是解决这些问题。

通讯

    在全国范围内的高带宽通信系统必须提供以允许数据采集和控制。虽然互联网可以作为主干，目前还不清楚这是否会是足够与安全可靠，快速。再次，微电网有同样的问题，这是目前的研究重点。

控制

    协调如此大的设备会导致可扩展性的问题，如果使用集中控制器的话。集中控制通信网络和控制装置处理能力的需求量很大[20]。如果控制器失败的话，集中也有“攻击点”的问题，而且容易出现系统范围内的故障。目前还不清楚是什么（实用，变电，区）的最高水平，在一个集中的系统是可行的。分散控制是出现其他问题，如解决冲突，同行互动的态势感知能力和带宽要求。合理的做法是试用候选解决方案在一个小系统，如微电网提供。

稳定性

    随着可再生能源的间歇性质的增加，由此产生的浪涌功率有可能导致在网络中的更多的不稳定。然而，这些是完全一样的问题，目前正在处理的微电网研究，因此得到的结果很可能将有助在此区域。

紧急性能

    复杂系统科学的预测是吧一个巨大系统的分布式控制系统作为一个整体可以体验意想不到的集体经营的每一个组件的属性和行为，这是众所周知的，很好理解。例如，干扰局部的活动以外的级联通常这样做的后果意想不到的保护操作[21]。电力系统的自组织临界系统就是这样一个例子[22]。作为临界点是在电源系统工作在峰值负载下和连锁故障的风险是最高的情况，如下，在这点它可能是可取的操作，以满足成本的，也最危险的。

9.智能电网工程

    如果可以作为一个整体的话美国的动力系统，已被描述为在世界上最大的机器[23]。一旦其实现智能电网的建设，或许会被描述为在世界上最大的智能机。暂且不论使用有关现代电力系统“智能”的有关条款的意见，肯定是明显，未来拥有非常大的监控和数据采集系统（SCADA）的承诺，被称为智能电网。这是可能的，在一些点在未来20年中，这种系统将成为全球在这个星球上有史以来建造的最大和最复杂的SCADA系统。事实上，可能需要新的设计方法，只是新兴的方法，这将导致一个网格变得复杂，是适应，稳健，自我修复，自我配置，自我保护[24]。不过，也有许多问题。在流行的智能电网的愿景相比，现实情况是，在大规模部署的智能互联网耦合基建的同时，没有实用程序将急于暴露自己固有的风险。一个更有可能的路径是通过小规模部署智能电网智能网格的概念，如切负荷，调峰，自适应交换等。可以在沙箱测试和福利，公用事业和消费者的利益，也可以进行彻底的审查。而微电网提供了这样的环境。

    此外，无所不能的人类解决一个复杂问题的方案是将一个大的系统分成更小的模块，模块之间的交互被是为了控制的行为模式，并避免将不利于稳定的“紧急属性”。这是很明显的在许多领域方面，无论是在自然系统和人造系统，包括数学，厂房结构，语言，软件工程，及制造。正是出于这些原因，微电网的概念才会有一个明显的在智能电网中的应用[25]。这里有一个现成的模块，可以作为一个实体研究。微电网与更广泛的网格的相互作用可以被定义和，以便避免了不良影响。从这个角度看，微网是一个可能的过渡路由到智能电网。

10.结论

微电网中的利益是越来越被看好，因此在智能电网中的正在兴起。但未来智能电网发展的确切形式仍然是一个悬而未决的问题。然而，貌似可再生能源发电的重要组成部分带来的间歇性问题仍然是一个活跃的研究领域。微电网提供了一个可能的前进道路，强调列入可再生能源发电，其潜在的局部控制导致其稳定的性能。微电网已经肯定证明了自己是一个实用的方法，在偏远地区提供电力。它遵循如果它们可以离网稳定运行，它们也能够稳定运行时连接到电网。此外，如果正确调节，微电网可以被证明是一项资产。这种监管形式将出现在这个不确定阶段，但也存在几种合作模式。仙台微电网的例子表明，通过有关各方之间的合作，可以得到有益的结果。这些项目都还处于研究阶段，除了微电网的点对点的方式整合和积极贡献分配的实用程序。随着时间的推移微电网的发展可能会变成，并且可扩展到智能电网中的关键技术。

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