微电网的作用及应用

微电网的提出旨在实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。开发和延伸微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是实现主动式配电网的一种有效方式，使传统电网向智能电网过渡。

5.7.1.1　微电网一般特性

随着国民经济的发展，电力需求迅速增长，电力部门大多把投资集中在火电、水电以及核电等大型集中电源和超高压远距离输电网的建设上［24］。但是，随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益凸现，成本高、运行难度大，难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需求。尤其在近些年世界范围内接连发生几次大面积停电事故之后，电网的脆弱性充分暴露了出来。人们不禁要问，未来的电力系统应该采取什么样的发展模式？一味地扩大电网规模显然不能满足要求。人们开始另辟蹊径，于是分布式发电被提上日程。分布式发电具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安装地点灵活等多方面优点，有效解决了大型集中电网的许多潜在问题。目前，欧美等发达国家已开始广泛研究能源多样化的、高效和经济的分布式发电系统，并取得了突破性进展。无疑，分布式发电将成为未来大型电网的有力补充和有效支撑，是未来电力系统的发展趋势之一。

分布式发电也称分散式发电或分布式供能，一般指将相对小型的发电装置（一般50MW以下）分散布置在用户（负荷）现场或用户附近的发电（供能）方式。分布式电源位置灵活、分散的特点极好地适应了分散电力需求和资源分布，延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资，同时，它与大电网互为备用也使供电可靠性得以改善。分布式电源尽管优点突出，但本身存在诸多问题，例如，分布式电源单机接入成本高、控制困难等。另外，分布式电源相对大电网来说是一个不可控源，因此大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以期减小其对大电网的冲击。IEEEP1547对分布式能源的入网标准做了规定：当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行。这就大大限制了分布式能源效能的充分发挥。为协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益，在21世纪初学者们提出了微电网的概念。

微电网（microgrid），也称微网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个自我控制、保护和管理的独立系统，既能并网运行，也可孤岛运行。

微电网从系统观点看问题，将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能和热能。微电网中的电源多为微电源，即含有电力电子装置界面的小型机组（小于100kW），包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置。它们接在用户侧，具有低成本、低电压、低污染等特点。微电网既可与大电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。它还具有双重角色：对于公用电力企业，微电网可视为电力系统可控的“细胞”，例如，这个“细胞”可以被控制为一个简单的可调度负荷，可以在数秒内做出响应以满足传输系统的需要。对于用户，微电网可以作为一个可定制的电源，以满足用户多样化的需求，例如，增强局部供电可靠性，降低馈电损耗，支持当地电压，通过利用废热提高效率，提供电压下陷的校正或作为不可中断电源。由于微电网灵活的可调度性且可适时向大电网提供有力支撑，学者形象地称其为电力系统的“好市民”（goodeltizen）和“模范市民”（modeleitizen）。此外，紧紧围绕全系统能量需求的设计理念和向用户提供多样化电能质量的供电理念是微电网的两个重要特征。在接入问题上，微电网的入网标准只针对微电网与大电网的公共连接点而不针对各个具体的微电源。微电网不仅解决了分布式电源的大规模接入问题，充分发挥了分布式电源的各项优势，还为用户带来了其他多方面的效益。由于大量位置分散、形式多样、特性各异的分布式电源（DR），使传统的单电源辐射型配电网变为多电源分散式网络，潮流也不再单向地从变电站母线流向各负荷。针对这一现象，避免微电网对电网和用户设备产生的很大冲击，微电网必须适应再生电源的间歇性和用户随机性的变化特性。

5.7.1.2　微电网特征

1）微电网运行模式

微电网具有孤网运行（或独立运行）和并网运行两种不同的运行模式。孤网运行是指微电网与大电网断开连接，只依靠自身内部的分布式电源提供稳定可靠的电力供应来满足负荷需求。并网运行是指微电网通过公共连接点的静态开关接入大电网并列运行。根据微电网与外部大电网之间的关系，微电网的孤网运行模式可以划分为两种。

（1）完全不与外部大电网相连接的微电网，主要用于解决海岛、山区等偏远地区的分散电力需求，如希腊Kythnos岛的风光柴蓄独立微电网和中国浙江东福山风光柴蓄独立微电网等。

（2）由于电网故障或电能质量不能满足要求等原因，暂时与外部大电网断开而进入孤岛运行模式的微电网，可有效提高所辖负荷的用电可靠性和安全性，如丹麦的Bornholm微电网等。

此外，微电网的并网运行模式根据微电网与大电网之间的能量交互关系又可以分为两种。

（1）微电网可从大电网吸收功率，但不能向大电网输出功率，如日本的Hachinohe微电网。

（2）微电网与大网间可以自由双向交换功率，如德国的Demotec微电网。由世界各国微电网实验系统研究与示范工程开发应用的经验可知，微电网运行模式的选择应综合考虑终端用户的各种需求、微电网所处地理位置和环境条件、微电网优化运行等各种因素，进而做出合理权衡决策［25］。

2）微电网容量及电压等级

微电网的构造理念是将分布式电源靠近用户侧进行配置供电，输电距离相对较短。这在一定程度上决定了微电网的容量大小与微电网电压等级。因此，微电网系统的容量规模相对较小，而电压等级常为低压或者中压等级。例如美国CERTS微电网、希腊NTUA微电网和德国Demotec微电网等一批实验室微电网系统和微电网示范工程的容量都不超过2MW，电压等级为低压级。一般而言，从微电网容量规模和电压等级的角度可以将微电网划分为4类：①低压等级且容量规模小于2MW的单设施级微电网，主要应用于小型工业或商业建筑、大的居民楼或单幢建筑物等；②低压等级且容量规模在2～5MW范围的多设施级微电网，应用范围一般包含多种建筑物、多样负荷类型的网络，如小型工商区和居民区等；③中低压等级且容量规模在5～10MW范围的馈线级微电网，一般由多个小型微电网组合而成，主要适用于公共设施、政府机构等；④中低压等级且容量规模在5～10MW范围的变电站级微电网，一般包含变电站和一些馈线级和用户级的微电网，适用于变电站供电的区域。在现实规划中可根据实际负荷需要采用不同级别的微电网形式。

总之，微电网容量及电压等级的设计不仅受系统所辖负荷大小，所占地块面积和地理状况、气候环境条件、可再生能源等资源状况、分布式电源技术水平、输电距离等因素所制约，也受到微电网不同的孤网/并网运行方式的影响。当微电网需要接入外部大电网进行并网运行时，微电网容量即为并网容量，还必须将上级电网的负荷水平、网络结构、备用容量大小、系统的运行计划等因素，连同微电网内部的分布式电源类型、PCC交换功率限制等因素结合起来综合分析和权衡优化。

3）微电网结构模式

微电网结构模式的确定是进行微电网规划设计的前提条件之一。一般来说，微电网结构模式是指微电网的网络拓扑结构，具体包括微电网内部的电气接线网络结构、供电制式（直流/交流供电和三相/单相供电）、相应负荷和分布式电源所在微电网的节点位置等。微电网系统中负荷特性、分布式电源的布局以及电能质量要求等各种因素决定了微电网的结构模式，也在一定程度上影响了微电网采用何种供电方式（交流、直流或交直流混合）。微电网采用的供电方式是其网架结构设计的决定性因素之一。因此，微电网按供电制式可以划分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网3种不同类型的微电网结构模式。然而，不同供电制式结构的微电网具有不同的特征与优势。交流微电网要求各分布式电源、储能装置和负荷等均须连接至交流母线，从而具有不用改变原有电网结构以及由原配电网改造为微电网网架结构时较为容易等优势。直流微电网要求各分布式电源、储能装置和负荷等均须连接至直流母线，减少了电力变换环节从而具有提高电能利用率、没有损耗及无频率控制等优势，但也面临改造原有电网及各种交流设施的重大困境。交直流微电网包含有交流和直流两种母线，从而实现了分布式电源、储能装置和负荷分别接入各自同供电制式的母线，具有结构灵活多样、负荷密度大、优势互补等特点。

微电网组成多元化，存在着多种能源输入（风、光、氢、天然气等）、多种能源输出（电、热、冷）、多种能源转换单元（光/电、热/电、风/电、交流/直流/交流）以及多种运行状态（并网、离网），使得微电网的动态特性相对于单个分布式发电系统更加复杂。此外，网络结构与网络类型（直流微电网或交流微电网）也将在一定程度上影响微电网的动态特性。

目前，欧盟和美国等发达国家和地区已建设的各种不同微电网实验系统和微电网示范工程，都体现了世界范围内对微电网不同结构的研究探索。由此可见，微电网结构模式的设计规划应遵循因地制宜、因时制宜的原则，按照安全可靠、经济适用以及灵活运行、就近配置的设计要求，综合分析所辖负荷分类特性、供电半径范围以及当地各种能源状况（尤其各种可再生能源）等多方面因素，并确定微电网的容量、供电制式和接线方式，继而完成微电网的总体网络结构模式设计。

从能源供需平衡考虑，电网必须有电源与用电负荷，在它们之间以一定电压等级的输电网络连接。微电网由于各种再生能源的间歇性与不稳定，储能设备成为必不可少的一部分。所有微电网的组成应是“再生能源+储能设备+用电负荷”的可靠连接，保持其平衡、稳定运行的网络。微电网仅是一个独立系统，它可以与大电网联系。这样它就明确了微电网的接口划分，与大电网一样，它能通过一定的结构，容纳各种电源、负荷。

分布式能源电力的诸多特殊要求构成了微电网的整体特征。要实现电网的自愈功能，微电网必须具备运作的设备构架，采用快速仿真决策、协调/自适应控制和分布能源集成。其中分布能源（distributed energy resource，DER）集成，主要将配电系统中的分散发电设备，包括紧急状态下用户为防止停电所做的反应（需求侧响应资源），纳入配电管理系统（DMS）或配电自动化（distribution automation，DA），使DER在电力系统正常、紧急和恢复状态下，实现和输配电系统的实时协调运行。

分布式能源主要包括分散发电、分布储能和具有潜在功率产品价值的需求侧负荷响应资源。它们之间关联紧密，分散发电与分布储能组成功能互补的微网，还可参与需求响应资源的负荷响应程序等。

分散发电的技术类型、典型容量、再生能力以及上网接口如表5-10所示。

表5-10　分散发电技术一览

微电网与常规电网的发电概念不同，可视为虚拟负荷的分散发电设备直接由用户控制启停。即使接入配电系统也不参与自动发电控制，输出的产品是用电度。除解决将DG接入主网的问题外，还要处理微网的特殊问题，如在业主分散决策、微网自由化的市场下对微网的智能控制以及余电外售或供热等，以及维持稳定当地的电压水平。对此不定因素的特点，可应用多智能体（Multi-Agent）技术解决微网中的问题。

储能技术可调峰填谷、排除电网扰动。它包含抽水储能电站、电力蓄热或冷能、不停电电源UPS等。

微网具有联网与孤岛运行的特点。正常运行时主网帮助消除微网中的扰动，主网中断时微网可按照设计向重要用户供电。其总投资和损耗问题，统一由供方在馈线上安装具有储能和补偿能力的电能质量调整器PQC，按需求侧响应资源，进行协调运行。

4）微电网性能特征

多样化的能源汇集突显出微网的灵活性、适应性、安全性以及对生态环保的贡献。(www.xing528.com)

（1）微型化。微电网的首要特征主要体现在交直流都可以选用，电压等级低。微电网在我国的应用以380V为主；系统规模小，一般在兆瓦级以下；与终端用户相连，电能就地利用。

（2）自平衡。微电网产生的电能应满足就地消纳的原则。微电网通过综合调节分布式发电、储能和负荷，实现微电网内部电量的自平衡。并网运行时，微电网与外部电网电力交换很少，微电网内的负荷是其主要电力用户；离网运行时，通过调节分布式发电和储能系统，结合终端用户电能质量管理和能源梯级利用技术，保障全部或部分负荷的供电需求，实现离网状态下微电网电量的自平衡。

（3）清洁高效。微电网内的分布式电源应以风力发电、光伏发电等清洁能源为主，或者是以能源综合利用为目标的发电形式，如冷、热、电联供系统，余热余压发电系统等［14］。

图5-15为微电网控制分层示意图。

图5-15　微电网控制分层示意图

5.7.1.3　微电网研究与发展前景

负荷的持续增长、电力系统结构的不断老化、环保问题、能源利用效率瓶颈以及用户对电能质量的高标准要求，已成为世界各国电力工业所面临的严峻挑战。微电网对分布式电源的有效利用及灵活、智能的控制特点，使其在解决上述问题方面表现出极大潜能，是许多国家未来若干年电力发展战略的重点之一。目前，一些国家已纷纷开展微电网研究，立足于本国电力系统的实际问题与国家可持续发展的能源目标，提出了各自的微电网概念和发展目标。作为一个新的技术领域，微电网在各国的发展呈现不同特色。

1）国外的微电网研究

美国电力可靠性技术解决方案协会（CERTS）最早提出了微电网的概念，并且是众多微电网概念中最权威的一个。美国CERTS提出的微电网主要由基于电力电子技术且容量小于等于500kW的小型微电源与负荷构成，并引入了基于电力电子技术的控制方法。电力电子技术是美国CERTS微电网实现智能、灵活控制的重要支撑，美国CERTS微电网正是基于此形成了“即插即用（plugandplay）”与“对等（peertopeer）”的控制思想和设计理念。相关文献中对其微电网的主要思想及关键问题进行了描述和总结，系统地概括了美国CERTS微电网的定义、结构、控制、保护及效益分析等一系列问题。目前，美国CERTS微电网的初步理论研究成果已在实验室微电网平台上得到了成功检验。由美国北部电力系统承建的MadiRve微电网是美国第1个微电网示范工程，学者们希望通过该工程进一步加深对微电网的理解，检验微电网的建模和仿真方法、保护和控制策略以及经济效益等，并初步形成关于微电网的管理政策和法规等，为将来的微电网工程建立框架。美国的微电网工程得到了美国能源部的高度重视，进而将信息技术、通信技术等广泛引入电力系统，实现电网的智能化。在随后出台的发展战略中，美国能源部制订了美国电力系统未来几十年的研究与发展规划，微电网是其重要组成之一。在2006年的美国微电网会议上，美国能源部对其今后的微电网发展计划进行了详细剖析。从美国电网现代化角度来看，提高重要负荷的供电可靠性、满足用户定制的多种电能质量需求、降低成本、实现智能化将是美国微电网的发展重点。CERTS微电网中电力电子装置与众多新能源的使用与控制，为可再生能源潜能的充分发挥及稳定、控制等问题的解决提供了新的思路。

日本立足于国内能源日益紧缺、负荷日益增长的现实背景，也展开了微电网研究，但其发展目标主要定位于能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力需求。对于微电网的定义，日本三菱公司将微电网从规模上分为3类，具体如表5-11所示。

表5-11　日本三菱公司对微电网的分类

从表5-11中可看出，以传统电源供电的独立电力系统也被归入微电网研究范畴，大大扩展了美国CERTS对微电网的定义范围。基于该框架，目前日本已在其国内建立了多个微电网工程。此外，日本学者还提出了灵活可靠和智能能量供给系统，其主要思想是在配电网中加入一些灵活交流输电系统（FACTS）装置，利用FACTS控制器快速、灵活地控制性能，实现对配电网能源结构的优化，并满足用户的多种电能质量需求。目前日本已将该系统作为其微电网的重要实现形式之一，还将该思想与热电联供设计理念相结合，以期更好地实现环境友好和能源高效利用。多年来新能源利用一直是日本的发展重点。为此日本还专门成立了新能源与工业技术发展组织（NEDO）统一协调日本高校、企业与国家重点实验室对新能源及其应用的研究。NEDO在微电网研究方面已取得了很多成果。日本对微电网定义的拓宽以及在此基础上所进行的控制、能源利用等研究，为小型配电系统及基于传统电源的较大规模独立系统提供了广阔的发展空间。

欧洲的微电网研究从电力市场需求、电能安全供给及环保等角度出发，于2005年提出“聪明电网”计划，并在2006年出台该计划的技术实现方略。作为欧洲2020年及后续的电力发展目标，该计划指出未来欧洲电网需具备以下特点。

（1）灵活性：在适应未来电网变化与挑战的同时，满足用户多样化的电力需求。

（2）可接入性：使所有用户都可接入电网，尤其是推广用户对可再生、高效、清洁能源的利用。

（3）可靠性：提高电力供应的可靠性与安全性以满足数字化时代的电力需求。

（4）经济性：通过技术创新、能源有效管理、有序市场竞争及相关政策等提高电网的经济效益。

基于上述特点，欧洲提出要充分利用分布式能源、智能技术、先进电力电子技术等实现集中供电与分布式发电的高效紧密结合，并积极鼓励社会各界广泛参与电力市场，共同推进电网发展。微电网以其智能性、能量利用多元化等特点成为欧洲未来电网的重要组成。目前，欧洲已初步形成了微电网的运行、控制、保护、安全及通信等理论，并在实验室微电网平台上对这些理论进行了验证。其后续任务将集中研究更加先进的控制策略，制定相应的标准，建立示范工程等，为分布式电源与可再生能源的大规模接入以及传统电网向智能电网的初步过渡做积极准备。除美国、日本、欧洲外，加拿大、澳大利亚等国也展开了微电网研究。从各国对未来电网的发展战略和对微电网技术的研究与应用中可清楚看到，微电网的形成与发展绝不是对传统集中式、大规模电网的革命与挑战，而是代表着电力行业服务意识、能源利用意识、环保意识的一种提高与改变。微电网是未来电网实现高效、环保、优质供电的一个重要手段，是对大电网的有益补充。

2）国内的微电网研究

我国虽然在发展微电网方面起步较晚，但由于微电网正好能解决我国电网规模过大、新能源整合效率低的问题，所以近年来国家相继在这一领域投入大量精力。许多高校以及科研机构陆续加入研究分布式发电以及微电网技术的行列，其中含风力、光伏发电、储能元件的多能源微电网系统的运行控制技术成为研究热点。“973”“863”等国家科技项目开始大规模的推动微电网核心技术的开发与研究。微电网工程可解决海岛电力供给难的问题，使得海岛在能源方面规划得更加合理，使其居民能够放心安全地用电，运用新能源进行发电的微电网项目在我国已经正式开始进行了。

微电网的特点适应中国电力发展的需求与方向，在我国有着广阔的发展前景，具体体现在以下几个方面。

（1）微电网是中国发展可再生能源的有效形式。“十一五”规划已将积极推动和鼓励可再生能源的发展作为重点发展战略之一。一方面，充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、开发西部、解决农村用能及边远地区用电、进行生态建设等均具有重要意义。另一方面，中国可再生能源的发展潜力十分巨大。据专家估计，中国新能源和可再生能源的可获得量是每年7.3×109t标准煤，而现在新能源和可再生能源的年开发量不足4×10t标准煤。中国制定的2020年可再生能源发展目标也已将可再生能源发电的装机容量定位为10GW。然而，可再生能源容量小、功率不稳定、独立向负荷提供可靠供电的能力不强以及对电网造成波动、影响系统安全稳定的缺点是其发展中的极大障碍。如前文所述，若能将负荷点附近的分布式能源发电技术、储能及电力电子控制技术等很好地结合起来构成微电网，则将充分挖掘可再生能源的重要潜力。例如，对于中国未通电的偏远地区，充分利用当地风能、太阳能等新能源，设计合理的微电网结构，实现微电网供电，将是发挥资源优势、加快电力建设的重要举措。

（2）微电网在提高我国电网的供电可靠性、改善电能质量方面具有重要作用。中国的经济已进入数字化时代，优质、可靠的电力供应是经济高速发展的重要保障。在大电网的脆弱性日益凸显的情况下，将地理位置接近的重要负荷组成微电网，设计合适的电路结构和控制，为这些负荷提供优质、可靠的电力，不仅可省去提高整体可靠性与电能所带来的不必要成本，还可减少这些重要负荷的停电经济损失，吸引更多的高新技术在中国发展。

（3）微电网研究中的资源配置与经济优化思想非常值得借鉴。如何就近选择合适容量的热力用户与电力用户组成微电网，并进行最佳的发电技术组合，对于中国提高能源利用效率、优化能源结构、减少环境污染等具有重要意义。

（4）微电网与大电网间灵活的并列运行方式可使微电网起到削峰填谷的作用，从而使整个电网的发电设备得以充分利用，实现经济运行。

此外，对于中国已有的众多独立电力系统，在系统中加入基于电子电力技术的新能源并配以智能、灵活的控制方式，一方面可提高系统的智能化与自动化水平，另一方面也可为企业带来可观的经济效益。

微电网是我国电力体制改革下鼓励新能源发展、提高电力系统可靠性和促进节能减排的新业态。

2015年7月，国家能源局发布《关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》（以下简称《意见》），明确了我国微电网的主要发展方向。

（1）《意见》强调：新能源微电网代表了未来能源发展趋势，是推进能源发展及经营管理方式变革的重要载体，是“互联网+”在能源领域的创新性应用，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。新能源微电网是电网配售侧向社会主体放开的一种具体方式，符合电力体制改革的方向，可为新能源创造巨大发展空间。

（2）《意见》明确：新能源微电网项目可依托已有配电网建设，也可结合新建配电网建设；可以是单个新能源微电网，也可以是某一区域内多个新能源微电网构成的微电网群。鼓励在新能源微电网建设中，按照能源互联网的理念，采用先进的互联网及信息技术，实现能源生产和使用的智能化匹配及协同运行，以新业态方式参与电力市场，形成高效清洁的能源利用新载体。