微電網技術

能源是現代社會和經濟發展的動力，是人類生命存在和繁衍的生命線。傳統 化石能源的逐步耗竭，使能源危機已逐步逼近。中國 21 世紀的能源工業將是能 源資源利用與環境保護可持續發展的改造型新工業，因此，合理調整能源結構， 大力開發可再生能源和其它新能源，走多元化潔凈能源發展道路，是我國社會可 持續發展的必由之路。

微電網是一種新型的網絡結構，是一組微電源、負荷、儲能系統和控制裝置 構成的系統單元。微電網中的電源多為容量較小的分布式電源，即含有電力電子 接口的小型機組，包括微型燃氣輪機、燃料電池、光伏電池、小型風力發電機組 以及超級電容、飛輪及蓄電池等儲能裝置，它們接在用戶側，具有成本低、電壓 低及污染低等特點。 開發和延伸微電網能夠促進分布式電源與可再生能源的大規 模接入，實現對負荷多種能源形式的高可靠供給，是實現主動式配電網的一種有 效的方式，使傳統電網向智能電網過渡。

1. 微電網的含義與研究動態

目前世界上許多國家己開展微電網研究，立足于本國電力系統的實際問題提出了各自的微電網概念和發展目標。作為一個新的技術領域，微電網在各國的發展呈現不同的特色。

1.1 美國微電網的研究

ERTS(Consortium for Electric Reliability Technology Solutions)合作組織由美國的電力集團、伯克利勞倫斯國家實驗室等研究機構組成的，在美國能源部和 加州能源委員會等資助下，對微電網技術開展了專門的研究。CERTS 定義的微 電網基本概念：這是一種負荷和微電源的集合。該微電源在一個系統中同時提供 電力和熱力的方式運行，這些微電源中的大多數必須是電力電子型的，并提供所 要求的靈活性，以確保能以一個集成系統運行，其控制的靈活性使微電網能作為 大電力系統的一個受控單元，以適應當地負荷對可靠性和安全性的要求。 CERTS 定義的微電網提出了一種與以前完全不同的分布式電源接入系統的 新方法。傳統的方法在考慮分布式電源接入系統時，著重在分布式電源對網絡性能的影響。按傳統方法當電網出現問題時，要確保聯網的分布式電源自動停運， 以免對電網產生不利的影響。而CERTS 定義的微電網要設計成當主電網發生故 障時微電網與主電網無縫解列或成孤島運行， 一旦故障去除后便可與主電網重新 連接。這種微電網的優點是它在與之相連的配電系統中被視為一個自控型實體， 保證重要用戶電力供應的不間斷，提高供電的可靠性，減少饋線損耗，對當地電 壓起支持和校正作用。因此，微電網不但避免了傳統的分布式發電對配電網的一 些負面影響，還能對微電網接入點的配電網起一定的支持作用。

1.2 歐洲微電網的研究

歐洲提出要充分利用分布式能源、智能技術、先進電力電子技術等實現集中 供電與分布式發電的高效緊密結合，并積極鼓勵社會各界廣泛參與電力市場，共 同推進電網發展。微電網以其智能性、能量利用多元化等特點也成為歐洲未來電 網的重要組成。目前，歐洲已初步形成了微電網的運行、控制、保護、安全及通 信等理論，并在實驗室微電網平臺上對這些理論進行了驗證。其后續任務將集中 于研究更加先進的控制策略、制定相應的標準、建立示范工程等。即，為分布式 電源與可再生能源的大規模接人以及傳統電網向智能電網的初步過渡做積極準備。

1.3 日本微電網的研究

日本立足于國內能源日益緊缺、負荷日益增長的現實背景，展開了微電網研究，但其發展目標主要定位于能源供給多樣化、減少污染、滿足用戶的個性電力需求。日本學者還提出了靈活可靠性和智能能量供給系統(FRIENDS)其主要 思想是在配電網中加人一些靈活交流輸電系統裝置，利用控制器快速、靈活的控 制性能， 實現對配電網能源結構的優化，并滿足用戶的多種電能質量需求。 目前，日本已將該系統作為其微電網的重要實現形式之一。

1.4 微電網的理解

基于上述概念，在微電網中功率范圍在 100kW 以下的微型燃氣輪機將得到廣泛的應用。它具有轉速高(5 萬~10 萬/min)、采用空氣軸承等特點，所發出的 高頻(1000Hz 左右)交流電需經交流-直流-交流環節變為 50Hz 工頻交流電供給 負荷，但燃燒過程產生的 NOx 仍將對城市的環保產生不利的影響。燃料電池由于具有高效和低排放的特點，自然也很適合作為微電網的電源，特別是高溫 MCFC 和 SOFC 比較適用于發電，但目前價格較貴，較少實際應用。光伏發電、小型風電和生物質能發電業是很好的電源選擇。蓄電池、飛輪和超級電容器等是微電網重要的儲能元件。余熱回收裝置也是重要的部件之一，正是由于余熱的利 用提高了能源利用的效率，因為熱水或熱蒸汽并不像電那樣容易而經濟地長距離輸送，而微電網的結構恰恰能使熱源更接近熱負荷。

2. 中國發展微電網的重要意義

微電網對我國電力系統和國民經濟的發展也有重要的意義。

(1)微電網可以提高電力系統的安全性和可靠性，有利于電力系統抗災能力建設。目前，我國電力工業發展已進入大電網、高電壓、長距離、大容量階段，六大區域電網已實現互聯，網架結構日益復雜。實現區域間的交流互聯，理論上可以發揮區域間事故支持和備用作用，實現電力資源的優化配置。但是大范圍交流同步電網存在大區間的低頻振蕩和不穩定性，其動態穩定事故難以控制，造成 大面積停電的可能性大。另一方面，廠網分開后，市場利益主體多元化，廠網矛盾增多，廠網協調難度加大，特別是對電網設備的安全管理不到位，對電力系統安全穩定運行構成了威脅。與常規的集中供電電站相比，微電網可以和現有電力系統結合形成一個高效靈活的新系統，具有以下優勢：無需建設配電站，可避免 或延緩則增加輸配電成本，沒有或很低的輸配電損耗，可降低終端用戶的費用; 小型化，對建設所要求不高，不占用輸電走廊，施工周期短，高效性靈活，能夠 迅速應付短期激增的電力需求， 供電可靠性高， 同時還可以降低對環境的污染等。

(2)微電網可以促進可再生能源分布式發電的并網，有利于可再生能源在我國的發展。 處于電力系統管理邊緣的大量分布式電源并網有可能造成電力系統 不可控、不安全和不穩定，從而影響電網運行和電力市場交易，所以分布式發電 面臨許多技術障礙和質疑。微電網可以充分發揮分布式發電的優勢、消除分布式發電對電網的沖擊和負面影響，是一種全新的概念，使用系統的方法解決分布式 發電并網帶來的問題。通過將地域相近的一種微電源、儲能裝置與負荷結合起來 進行協調控制，微電網對配電網表現為“電網友好型”的單個可控集合，可以與大 電網進行能量交換，在大電網發生故障時可以獨立運行。

(3)微電網可以提高供電可靠性和電能質量，有利于提高電網企業的服務水平。微電網可以根據終端用戶的需求提供差異化的電能，根據微電網用戶對電力供給的不同需求將負荷分類，形成金字塔形的負荷結構。負荷分級的思想體現了微電網個性化供電的特點，微電網的應用有利于電網企業向不同終端用戶提供不同的電能質量及供電可靠性。

(4)微電網可以延緩電網投資，降低網損，有利于建設節約型社會。傳統 的供電方式是由集中式大型發電廠發出的電能，經過電力系統的遠距離、多級變 送為用戶供電的方式，即“就地消費”，因此能夠有效減少對集中式大型發電廠電 力生產的依賴以及遠距離電能傳輸、多級變送的損耗，從而延緩電網投資，降低 網損。

(5)微電網可以扶貧，有利于社會主義新農村建設。微電網能夠比較有效 地解決我國西部地區目前常規供電所面臨的輸電距離遠、功率小、線損大、建設變電站費用昂貴的問題，為我國邊遠及常規電網難以覆蓋的地區的電力供應提供 有力支持。

3. 微電網結構

相對電力系統而言，微電網類似于一個獨立的控制單元，其中每一個微電源都具有尖端的即拔即插功能。對每一個微電源，最關鍵的是它本身的接口、控制、保護以及對微電網的電壓控制，潮流控制和維持其運行穩定性。 一個重要的功 能是微電網的聯網運行和孤島運行方式間的平穩轉移。在微網中，為了防止微電網與配電網解列時對微電網內負荷的沖擊，微電網的配電結構需重新設計，將不重要的負荷接在同一條饋線上，重要或敏感的負荷接在另外饋線上。接敏感負荷 的饋線上裝有分布式電源、儲能元件及相應的控制、調節和保護設備。如此，在微電網與主網解列時，通過隔離裝置可甩去一些不重要負荷，但仍能保證一些重 要負荷的正常、連續運行。

微電網具有控制、協調、管理等功能，并由以下系統來實現。

(1)微電源控制器微電網主要靠微電源控制器來調節饋線潮流、母線電壓級與主網的解、并網運行。由于微電源的即拔即插功能，控制主要依賴于就地信號，且響應是毫秒級的。

(2)保護協調器飽和協調器既適用于主網的故障，也適用于微電網的故障。當主網故障時，保護協調器要將微電網中重要的負荷盡快地與主網隔離。其某些情況下微電網中 重要負荷允許電壓短時暫降，在采取一定的補償措施后可使微電網不與主網分離。當故障發生在微電網內，該保護應該在盡可能小的范圍內將故障段隔離。 (3)能量管理器能量管理器按電壓和功率的預先整定值對系統進行調度，相應時間為分鐘級。

4. 微電網的相關技術

微電網是一種新型的網絡結構微電網技術已經成為電力系統發展的前沿技術。

(1)微電網的硬件研究

微電網的實現需要有先進的設備作支持。這包括微電網的發、輸、變、配、用各個環節。為此，需要開發智能電表、向量測量單元、廣域測量系統等，研發 合適的硬件設備，使微電網具有即插即用的能力。研發新型的分布式能源控制器，以保證微電網的高效運行。

(2)微電網建模研究

開發可用于對逆變器控制的低壓非對稱微電網的靜態和動態仿真工具;建立微電網內部各元件的模型，包括分布式電源和負荷的模型;建立微電網整體模型，包括總體模型結構、等效靜態模型、等效電機模型等。

(3)微電網對大電網的影響研究

微電網的接入必然會對大電網造成影響，需要研究：微電網在并網和孤島運 行下的穩定性分析; 微電網對大電網運行的影響， 包括地區性的和大范圍的影響; 微電網能給電網在供電可靠性、網絡損耗和環境等方面帶來的改善;微電網的發 展對基礎電網發展的影響等。

微電網中的微電源，如風電、光伏發電等，大都采用全控型換流器，這些電力電子設備的引入很可能會帶來一些諧波方面的問題。對于微電網諧波問題需要 做進一步的探討和研究。

(4)微電網的控制策略

微電網與大電網之間存在一種最優的狀態， 在這種狀態下微電網和大電網都能夠高效穩定的運行。 對微電網的控制的目標就是讓微電網實現最優控制。為此，必須研究微電網控制技術，其中包括：各微電源之間的協調控制、電力電子設備 的智能控制和最優控制、微電網和主網之間的協調控制等，研究孤島和互聯的運 行理念、基于代理的控制策略、本地黑啟動策略、基于先進通信技術的控制策略等;研究創造新的網絡設計理念，包括新型保護方案的應用等。

(5)其它

電網的實現還需要很多方面的支持： 需要制定微電網在技術和商業方面的協議標準;需要做好各種微電網在技術和商業方面的整合;需要做好現有的小發電機組并入微電網的可行性分析;需要建立微電網示范工程及實驗測試系統等。

5. 微電網的關鍵技術

微電網的出現將從根本上改變傳統電網應對負荷增長的方式，其在降低能耗、提高電力系統可靠性和靈活性等具有巨大潛力。目前，微電網技術已經成為 電力系統發展的前沿技術。

5.1 微電網的控制功能

微電網控制功能基本要求包括：新的微電源接入時不改變原有的設備，微電網解、并列時是快速無縫的，無功功率、有功功率要能獨立進行控制，電壓暫降和系統不平衡可以校正，要能適應微電網中負荷的動態需求。微電網的控制功能 主要有以下幾種：

(1)基本的有功和無功功率控制(P-Q 控制) 。由于微電源大多為電力電子 型的，因此有功功率和無功功率的控制、調節可分別進行，可通過調節逆變器的 電壓幅值來控制無功功率，調節逆變器電壓和網絡電壓的相角來控制用功功率。

(2) 基于調差的電壓調節。 在有大量微電源接入時用 P-Q 控制是不適宜的，若不進行就地電壓控制，就可能產生電壓或無功振蕩。而電壓控制要保證不會產生電源間的無功環流。在大電網中，由于電源間的阻抗相對較大，不會出現這種 情況。微電網中只要電壓整定值有小的誤差，就可能產生大的無功環流，使微電 源的電壓值超標。 因此要根據微電源所發電流是容性還是感性來決定電壓的整定值，發容性電流時電壓整定值要降低，發感性電流時電壓整定值要升高。

(3)快速負荷跟蹤和儲能。在大電網中，當一個新的負荷接入時最初的能 量平衡依賴于系統的慣性，主要為大型發電機是慣性，此時僅系統頻率略微降低而已(幾乎無法覺察)。由于微電網中發電機的慣量較小，有些電源(如燃料電 池) 的響應時間常數又很長(10~200s) 因此當微電網與主網解列成孤島運行時，必須提供蓄電池、超級電容器、飛輪等儲能設備，相當于增加一些系統的慣性，才能維持電網的正常運行。

(4)頻率調差控制。在微電網成孤島運行時，要采取頻率調差控制，改變各臺機組承擔負荷比例，以使各自出力在調節中按一定的比例且都不超標。

5.2 微電網的保護

微電網結構對繼電保護提出了一些特殊的要求，必須考慮的因素主要有以下幾點：①配電網一般是放射形的，由于有了微電源，保護裝置上流經的電流就可 能有單向變為雙向;②一旦微電網孤島運行，短路容量會有大的變化，影響了原有的某些繼電保護裝置的正常運行; ③改變了原有的單個分布式發電接入電網的方式， 構成微電網的初衷之一是盡可能地維持一些重要負荷在電網故障時能正常 運行而不使其供電中斷，這些必須采用一些快速動作的開關，以代替原有的相對 動作較慢的開關。這些均可能使原有的保護裝置和策略發生變化。

5.3 微電網并網運行

要根據微電網中負荷的需求來確定保護的方案，也即要根據負荷(如半導體制造工業負荷或一般商業性負荷)對電壓變化的敏感程度和控制標準來配置保護。如故障發生在配電網中，則要采用高速開關類隔離裝置(Separation Device，SD)，將微電網中的重要敏感性負荷盡快地與故障隔離。此時，微電網中的DR (或 DER)是不應該跳閘的，以確保故障隔離后仍能對重要負荷正常供電(供熱)。當故障發生在微電網中時，除了上述隔離裝置協調，以免影響上一級饋線 負荷。一旦配電網恢復正常，就應通過測量和比較SD 兩側電壓的幅值和角度，采用自動或手動的方式將微電網重新并網運行。如果微電網內僅有一個微電源，當然允許采用手動的方式再同步并網;但若在微電網內多個地點有多個地點有多個微電源，則必須考慮采用自動的方式再同步并網。

5.4 微電網孤島運行

當電網孤島運行時，為了使所隔離的故障區盡可能小，微電網中保護裝置的協調尤為重要。特別需要指出的是，由于微電網的電源大多為電力電子型設備，所發出的電力通過逆變器與網絡連接，故障時僅提供很小的短路電流(例如2 被于正常負荷電流)，難以啟動常規的過電流保護裝置。因此，保護裝置和策略就應相應地修改，如采用阻抗型、零序電流型、差分型或電壓型繼電保護裝置。此外，微電網的接地系統必須仔細設計，以免微電網解列時繼電保護誤動作。

5.5 微電網的能量管理系統

微電網被定義為發電和負荷的集合，而通常負荷不僅包括了電負荷，還包括熱和冷負荷，即熱電聯供和熱電冷三聯供。因此，微電網不僅要發電，而且要利 用發電的余熱以提高總體效率。能量管理系統 (Energy Management System， EMS)的目的即為作出決策以最優地利用發電產生的電和熱(冷) 。該決策的依據為當地設備對熱量的需求、氣候的情況、電價、燃料成本等。

能量管理系統的調度控制功能：能量管理系統是為整個微電網服務的，即為 系統級的，由此首要任務是將設備控制和系統控制加以明確區分，使各自的作用 和功能簡單明了。微型汽輪機的轉速、頻率、機端電壓、發電機(微電源)的功率因數等應由微電源來控制，他們依據就地信號。CERTS 的模型中，EMS 只調 度系統的潮流和電壓。潮流調度時需考慮燃料成本、發電成本、電價、氣候條件 等。EMS 僅控制微電網內某些關鍵母線的電壓幅值，并由多個微電源的控制器 配合完成，與配電網相聯的母線電壓應由所聯上級配電網的調度系統來控制。

除了上述基本功能外，EMS 還具有其他一些功能，如當微電網與配電網解 列后微電網應配備快速切負荷的功能，以使微電網內的發電與負荷平衡;由于微 電源同時供給電、熱等負荷，調度時應同時兼顧，一般情況下往往采取“以熱定 電”的原則，即滿足用戶對熱負荷需求的條件下再進行電量的調度;微電網中應配備一些儲能設備，如蓄電池、超級電容、飛輪等。

EMS 的功能自然首先應針對微電網內需求，如潮流和電壓調度、電能質量 和可靠性、提高運行的效率和經濟性、降低污染排放等，但從長遠看它還可對配 電網提供一些輔助服務和可靠性服務，特別是微電網作為智能電網的一個組成部 分，可起到一定的負荷響應的作用。此外，由于微電網本身位于用戶側，這些用 戶可能為中心商業區(CBD)、學校、工廠等，它們本來就有供熱、通風、空調 等過程控制系統，未來的 EMS (Heating Ventilation and Air Conditioning, HVAC) 有可能成為這些系統以及當地發電、儲能等的總調度系統。