微电网（Microgrid）是一种小型电力系统，能够独立运行或与主电网并网运行，通常包含分布式能源（如光伏、风电）、储能系统、负荷以及控制系统。以下从电力系统拓扑、技术参数、应用场景、并网技术实现、运营方案及资源分配调节等方面详细介绍微电网。
1. 电力系统拓扑
微电网的拓扑结构通常包括以下组成部分： • 分布式能源（DERs）： ◦ 光伏发电、风力发电、燃料电池、微型燃气轮机等。 • 储能系统（ESS）： ◦ 电池储能（如锂离子电池、铅酸电池）、超级电容器、飞轮储能等。 • 负荷： ◦ 居民、商业、工业负荷，可分为关键负荷和非关键负荷。 • 电力电子设备： ◦ 逆变器（AC/DC、DC/AC）、整流器、静态开关等。 • 控制系统： ◦ 中央控制器、本地控制器、通信网络。 • 并网接口： ◦ 静态开关（Static Switch）或断路器等，用于微电网与主电网的连接与断开。
微电网的拓扑结构可以分为： • 交流微电网：所有设备和负荷通过交流母线连接。 • 直流微电网：所有设备和负荷通过直流母线连接。 • 交直流混合微电网：结合交流母线和直流母线，通过双向逆变器连接。
2. 技术参数
• 电压等级： ◦ 低压（如400V AC或750V DC）或中压（如10kV AC）。 • 频率： ◦ 50Hz或60Hz，取决于地区标准。 • 功率容量： ◦ 从几十千瓦到几兆瓦，具体取决于微电网规模。 • 电能质量： ◦ 电压波动、谐波、频率偏差等需符合相关标准（如IEEE 1547）。 • 效率： ◦ 整体系统效率需优化，尤其是电力电子设备的转换效率。 • 可靠性： ◦ 关键负荷的供电可靠性需达到99.9%以上。
3. 应用场景
• 偏远地区供电： ◦ 为无电或供电不稳定的偏远地区提供电力。 • 工业园区： ◦ 为工业企业提供可靠、高效的电力供应。 • 商业建筑： ◦ 如商场、酒店、医院等，提高能源利用效率。 • 军事基地： ◦ 提供独立、可靠的电力供应。 • 社区微电网： ◦ 为居民区提供清洁能源和备用电源。 • 应急电源： ◦ 在自然灾害或主电网故障时提供电力支持。
4. 并网技术实现
• 并网接口： ◦ 通过静态开关或断路器实现微电网与主电网的连接与断开。 • 同步技术： ◦ 在并网前，需确保微电网的电压、频率和相位与主电网同步。 • 保护机制： ◦ 过压、欠压、过频、欠频保护，以及孤岛检测和保护。 • 功率控制： ◦ 并网时，微电网需根据主电网的调度指令调节输出功率。 • 电能质量： ◦ 并网运行时，需符合主电网的电能质量要求（如谐波、闪变等）。
5. 运营方案
• 运行模式： ◦ 并网模式：与主电网连接，参与电力市场。 ◦ 孤岛模式：与主电网断开，独立运行。 • 能量管理： ◦ 通过能量管理系统（EMS）优化分布式能源和储能系统的运行。 • 经济调度： ◦ 根据电价、负荷需求和能源供应情况，优化运行成本。 • 需求响应： ◦ 通过调节负荷需求，平衡供需关系。 • 维护与监控： ◦ 实时监控系统状态，定期维护设备。
6. 资源分配调节技术方案
• 下垂控制（Droop Control）： ◦ 在孤岛模式下，通过调节电压和频率实现功率分配，无需通信线路。 ◦ 公式：( P = P_{ref} - k_p (f - f_{ref}) )，( Q = Q_{ref} - k_q (V - V_{ref}) )。 • 主从控制（Master-Slave Control）： ◦ 主逆变器负责电压和频率控制，从逆变器负责功率输出。 • 集中控制（Centralized Control）： ◦ 通过中央控制器优化所有设备的运行。 • 分布式控制（Distributed Control）： ◦ 各设备通过本地控制器和通信网络实现协调运行。 • 虚拟同步机（VSG）： ◦ 逆变器模拟同步发电机的特性，提供惯性和阻尼。 • 优化算法： ◦ 使用线性规划、动态规划或人工智能算法（如遗传算法、粒子群优化）优化资源分配。
7. 实施细节
• 设备选型： ◦ 根据负荷需求和能源供应情况，选择合适的分布式能源、储能系统和电力电子设备。 • 系统设计： ◦ 设计合理的拓扑结构，优化母线电压等级和设备容量。 • 控制策略： ◦ 根据运行模式选择合适的控制策略（如下垂控制、主从控制）。 • 通信网络： ◦ 建立可靠的通信网络，实现设备之间的信息交互。 • 测试与验证： ◦ 通过仿真和实验验证系统性能，确保稳定性和可靠性。 • 运维管理： ◦ 建立完善的运维管理体系，定期维护设备，优化运行效率。
8. 案例应用
• 美国加州微电网： ◦ 结合光伏、储能和需求响应，提高能源利用效率。 • 日本福岛微电网： ◦ 在自然灾害后为社区提供独立供电。 • 中国工业园区微电网： ◦ 通过分布式能源和储能系统降低用电成本。
微电网作为一种灵活、高效的电力系统，能够有效整合分布式能源、提高供电可靠性和能源利用效率。其设计和实施需要综合考虑技术、经济和管理等多方面因素，以实现最优的运行效果。