微电网

将可再生能源与储能接入直流和交流微电网,并对系统进行设计、建模与控制,实现韧性且高效的能源分配。

微电网解决方案

微电网是一组边界清晰的电源、储能与负荷,既可并网运行,也可独立运行。 正是"孤岛"这一项能力,使架构选择变得举足轻重:控制、保护与电能质量的一切, 都取决于能量究竟落在哪条母线上。

直流微电网

高效的直流配电系统,配以先进控制策略,实现最优的能量管理与可靠性。

交流微电网

并网与孤岛运行的交流微电网架构,具备无缝切换能力与电能质量管理。

交直流混合架构

融合交流与直流配电优势的一体化系统,实现最高的效率与灵活性。

微网接入

分布式能源与储能

微电网把不同电气特性的能源汇聚到同一套配电与控制体系中。风能、太阳能和燃料电池负责供能, 储能负责在发电与用电之间调节时间差;每一种资源都需要与其特性相匹配的功率变换、控制和保护接口。

01 · 可再生能源

风能接入

风机输出随风速和转速变化的交流电。全功率或双馈变流器将机械侧转速与微网频率解耦,使风机能够执行最大功率跟踪, 同时按微网要求提供有功、无功和故障穿越能力。直流微网中可由整流级直接接入直流母线;交流微网中则通过并网逆变器完成同步。

原生输出
可变频交流
典型接口
AC–DC–AC 变流器
控制重点
MPPT、桨距与故障穿越
02 · 可再生能源

太阳能光伏接入

光伏阵列天然输出直流,其工作点随辐照度和温度变化。接入直流母线时,DC–DC 变换器负责最大功率点跟踪和母线适配; 接入交流母线时,还需要逆变器完成同步、功率因数与电能质量控制。能量管理层还要协调限发、预测误差和可用储能。

原生输出
可变直流
典型接口
DC–DC 或 DC–AC
控制重点
MPPT、限发与母线支撑
03 · 可调度电源

燃料电池接入

燃料电池是可调度的直流电源,但堆栈电压会随电流变化,气体供给和热过程也比电气负载变化慢。 升压型 DC–DC 变换器负责稳压和限流,电池或超级电容则承担快速功率阶跃。接入设计需同时协调燃料利用率、堆栈寿命与微网功率指令。

原生输出
低压直流
典型接口
隔离或非隔离升压
控制重点
限流、慢动态与寿命
04 · 灵活性资源

储能接入

储能是微电网中的双向调节层:吸收可再生能源富余,在功率短缺、孤岛切换或负荷突变时迅速释放能量。 电池提供分钟至小时级能量,超级电容等高功率储能处理更快的瞬态;双向变流器可进一步承担母线稳压、构网和黑启动。 调度必须把荷电状态、功率裕度、温度和衰减成本一起纳入约束。

功率方向
双向充放电
典型接口
双向 DC–DC 或 DC–AC
控制重点
SOC、构网与衰减管理

三种架构,三类不同的问题

母线就是架构。选择直流、交流还是两者兼有,决定了从一块光伏板到一个负载之间要经过几级变换、 由哪个物理量来承载功率平衡信息,以及清除一次故障需要付出什么代价。

直流微电网 —— 单一母线,单一控制变量 直流母线 ±380 V / 800 V 光伏 储能电池 交流电网 直流负载 交流负载
变换级数更少,且无需同步。所有电源与负载汇聚于同一条直流母线,因此没有频率、没有相角、没有无功需要管理 —— 母线电压本身就携带了功率平衡信息,这正是直流下垂控制如此简洁的原因。难点转移到了别处: 直流故障电流没有自然过零点,开断困难;以及恒功率负载的负增量阻抗会主动对抗电源侧滤波器,母线稳定性需要专门设计。
交流微电网 —— 成熟的设备,更难的控制 交流母线 电网 PCC 光伏 储能电池 发电机组 交流负载 直流负载
一切都是现成的 —— 保护、开关柜、变压器、电机。代价是功率平衡此时表现为频率与电压, 而所有电源必须就这两者达成一致。至少要有一台变流器工作在构网模式 —— 由它建立电压与频率,其余跟随 —— 并网点的静态切换开关则必须在孤岛与重新并网之间完成切换,且不能产生足以让下游全部跳闸的相位突变。
交直流混合微电网 —— 互联变流器是关键 交流子网 400 V / 50 Hz 直流子网 ±380 V 互联变流器 双向功率分配 发电机组 交流负载 风机 公共电网 PCC 光伏 储能电池 充电桩与直流负载
让每个元件待在它本来就属于的那一侧。光伏、电池与直流快充天生是直流的,电机、变压器与既有配电天生是交流的 —— 混合架构不再为迁就单一母线而付出多余的变换级。代价集中在一处:互联变流器。 它必须在两个子网之间分配功率、维持各自的下垂特性,并在故障或孤岛时决定哪一侧先失去支撑。

直流的长处

光伏、电池、燃料电池、LED 照明、变频驱动与电动汽车充电本质上都是直流。挂在直流母线上,双向各省一级变换,损耗与硬件一并省掉。

没有频率、没有相角、没有无功、无需同步。功率分配只需要一个变量 —— 母线电压。

直流的难处

直流故障电流没有自然过零点,开断需要固态或混合式断路器,并要主动限制故障电流;选择性必须专门设计,而非沿用既有经验。

调节良好的变流器在输入端表现为恒功率负载,其负增量阻抗会破坏母线稳定性 —— 除非电源阻抗与母线电容是针对它设计的。

交流仍然占优的地方

保护规程、开关柜、变压器、计量与电机负载都已存在并取得认证,电压变换由一个无源元件完成。

代价在控制端:频率与电压同时承载功率平衡,至少要有一台构网变流器,且孤岛与重新并网不能产生相位突变。

控制与运行

微电网没有无穷大母线可以依靠。孤岛运行时,必须由变流器自己建立电压与频率、彼此不争抢地分担负荷, 并在主网恢复后干净地交还控制权。

下垂特性:无需通信的功率分配 Vnom Vmin P Vbus 斜率 = −Rd 直流:电压下垂 V = Vnom − Rd P 50 Hz fmin P f 斜率 = −mp 交流:频率下垂 f = f0 − mp P 一次下垂 二次恢复后
下垂就是用偏差换取自主。每台变流器只看本地量 —— 直流看母线电压,交流看频率 —— 就能按各自斜率自动分担功率, 无需任何通信。代价是稳态偏差:功率越大,电压或频率就越低。二次控制随后把整条特性曲线平移回额定值(虚线)。
分层控制:按时间尺度划分职责 三次控制 —— 调度 分钟–小时 经济优化 · 与主网交换计划 · 荷电状态管理 二次控制 —— 恢复 消除下垂偏差 · 同步与重新并网 一次控制 —— 下垂与内环 毫秒 本地自主 · 功率分配 · 构网或跟网 设定值下发 下层越快越自主,上层越慢越全局
层与层之间靠时间尺度解耦。一次控制必须在毫秒内完成,因此只能用本地量、不能等通信; 二次控制在秒级把偏差修回来;三次控制在分钟级决定该买该卖、该充该放。 把职责放错层次是微电网控制最常见的失败模式 —— 例如让一个依赖通信的环路去承担本该本地自主的功率分配。

构网与跟网

跟网型变流器需要一个已存在的电压供锁相环锁定 —— 主网在时完美,主网一失去便毫无作用。构网型变流器表现为阻抗背后的电压源,自行建立参考。可孤岛的微电网至少需要一台,通常还需要它们之间能够分担。

孤岛检测与重新并网

检出孤岛、不中断负荷地完成切换,再在重合闸前匹配电压、相位与频率。被动式检测存在检测盲区,主动式方法需注入小扰动。大多数调试问题都出在这次切换上。

并不存在的惯量

以变流器为主的微电网几乎没有旋转惯量,扰动后的频率变化率很高。虚拟同步机与虚拟惯量方案对其进行模拟,以储能裕度与带宽换取更慢、更宽容的频率响应。

故障电流受限下的保护

变流器无法提供过流保护所假定的数倍额定电流。孤岛整定值与并网整定值不同,配合往往需要方向、差动或依赖通信的方案,而非简单的时间级差。

电能质量与谐波

谐波由开关变流器产生,而孤岛运行的弱网阻抗又很高,于是畸变与谐振相互耦合。滤波器设计与变流器输出阻抗整形不再是两个独立问题。

能量管理

在快速环路之上是调度问题:预测、荷电状态、衰减成本、电价,以及与主网的功率交换计划。这一层决定经济性,下面几层决定系统是否还站得住。

固态变压器 —— 功率路由器

对"混合架构"这个问题,SST 给出了最干净的答案。不再是一台工频变压器外加一圈各自独立的变流器, 而是由一台多级设备同时提供中压接入、隔离与微电网所需的全部端口 —— 并且端口之间的功率流向是可控的。

固态变压器 —— 微电网的功率路由器 固态变压器 中压前级 高频隔离 低压输出 直流环节 直流环节 中压交流电网 低压交流负载 直流母线与储能 直流端口取自中间环节
一台设备,多个端口,功率流向可控。工频变压器只能按匝比被动变压;SST 的三级结构则同时提供中压接入、 高频隔离与低压输出,并且中间直流环节天然就是一个直流端口 —— 光伏与储能可以直接挂上去,省掉整整一级变换。 从微电网的角度看,它不是一台变压器,而是一个可以决定功率去向的路由节点。

它替代了什么

工频变压器。隔离转移到隔离型 DC–DC 级内部的高频变压器上 —— 这正是磁性元件体积能缩小一个数量级的原因。

它增加了什么

双向功率流动、与匝比无关的电压调节、中间直流环节上天然的直流端口、中压侧的无功支撑与谐波治理,以及无源变压器无法提供的穿越能力。

它的代价

串联的中压单元、绝缘配合、单元电压均衡、分布式控制,以及必须胜过一个 99% 效率无源元件才能成立的效率要求。

英文技术文章中有逐级展开的固态变压器系列(应用与动机、架构、AC–DC 前级、DAB 隔离级、DC–AC 输出级、模块化集成与测试), 见 技术博客