微电网技术进展及其对实现智能电网的影响

杨 柳 袁 志 张晓冬 曹 敦

四川省电力公司超（特）高压运行检修公司 四川 成都 610041

随着传统能源供给的不断紧张，环保压力的不断增大和电力市场对电能质量和供电可靠性要求的不断提高，人们开始对传统发电模式进行反思，并对分布式发电技术（Distributed Generation，DG）进行了重新认识。DG就是将发电设备安装在配电网络或者用户侧的发电技术［1］。因其相对于传统发电技术在提高系统稳定和电能质量方面的潜在价值而受到了越来越多的关注。并结合能源利用率等方面的考虑，人们还由DG进一步引申出分布式供能（DERs）的概念。

DERs就是把太阳能发电设备、小型风力发电机和其它形式的可再生能源发电装置（如地热能和生物质能）、热电存储设备以及可控负荷同采用热电联产技术（CHP）的DG结合起来为用户提供电能和热能的产能技术。从环境保护的角度来看，由于DERs广泛采用了各种提高能源利用率的新技术、新概念，以及突出对可再生能源的利用，它对降低有害气体排放具有明显的意义。分布式功能系统紧邻负荷区，可运用往复式电机、微型燃气轮机和燃料电池通过CHP的形式同时向用户提供电能和热能服务，在提高能源利用率方面具有传统火电厂无法企及的优势。传统的火力发电能源利用率在33%左右，一般CHP的效率在60%左右。而美国UPC（United Power Company）开发出的冷热电联产（CCHP）装置PureComfort能将能源利用率提高到90%，功率达到了500kW。欧盟计划将可再生能源的发电量在2030年从现在的13%提高到26%。从电能安全性角度看，由于分布式供能技术靠近负荷，它可以显著提高相关用户对电能质量和可靠性的要求。此外，在降低输电线路损耗，减缓系统的扩建等方面也具有潜在价值。

尽管DERs具有如此多的优点，但是由于它所涉及的发电设备容量小（2kW～10MW）、数量多，惯性时间常数小，以及广泛使用储能元件等特点，传统的DERs已暴露出许多不足之处。当这些基于电力电子技术的分布式发电设备接入电网的数目达到一定程度时，它们会对电网的暂态稳定产生不良影响。另外，根据IEEE1547标准，当主网发生故障时分布式电源要与主网隔离。因此，受这些因素的限制，DG和DERs难以发挥它们的潜在价值。为此，针对上述问题，国外专家提出了微电网这一概念。

本文首先介绍了微电网的基本概念，然后针对微电网的具体特点，阐述了微电网关键技术的研究进展。最后，通过对比微电网和智能电网的特点，说明了微电网在实现智能电网中的特殊意义。

1 微电网的概念

微电网这一概念的提出还不到十年，并且由于各个国家和地区在阐述微电网这一概念之时，都是着眼于本地区电力系统特点、能源结构和社会条件等诸多因素，所以目前对微电网还没有统一的定义。但一般来讲，微电网就是在配网中接入大量的分布式发电设备如微型燃气轮机、风能发电机、燃料电池和太阳能电池板等，同时还包含储能元件如超级电容、电池和飞轮等，以及负荷来构成一个可控的整体。尽管国内外对微电网还没有形成统一的定义，但他们都认为微电网是建立在DG和DERs基础上的微型电力系统，其共同特点是：

1）处于低压侧（加拿大的微电网包括了位于中压侧的情况），向用户同时提供电能和热能服务；

2）大量的分布式电源或分布式功能系统分布在用户区，他们都通过共同的公共连接端口（Point of Common Coupling，PCC）与电网连接；

3）微电网可以按照相关协议接受调度员调度。但在微电网内部，可通过统一的内部控制中心协调和控制发电设备、储能元件和负荷的运行；

4）配备能量管理系统，应用大量的电力电子元件进行控制，以解决潮流和保护问题；

5）可以并网作为一个有源负荷运行，也能够在系统需要时与之隔离，实现独立运行，并继续对重要负荷提供能量。在主网故障解除后，能够实现无缝再连接；

6）维护简单，具有“即插即用（plug and play，p&p）”的功能。“即插即用”指的是微电源可以根据需要在不改变已有控制和保护方案的基础上，在微电网的任意位置接入电网。

对于系统而言，微电网可以被看成是一个有许多负荷和电源所组成的可控单元。它可作为一个微型电源，也可以为主网提供辅助支撑，如缓解用电高峰时的负荷压力。对用户而言，微电网类似于传统的低压配网，并能同时提供热能和电能服务。另外，用户也可以作为电力市场的参与者，在自身用电较少时，可以将电能卖给电力公司，从而推动电力供应市场化。

基于上述特点，美国、欧盟等地的学者根据本地区实际情况给出了不同的微电网结构，但两者在整体结构和大致功能上都非常为相近。下面以美国电力系统可靠性技术解决方案协会（CERTS）的微电网结构（如图1）为例来阐述相关概念。

图1 微电网结构示意图

微电网通过PCC和主网连接起来。图示微电网包含4条馈线A、B、C和D，在节点1、2、3、4、5和6处安装有电源。4条馈线中，除D以外的另外三条馈线都需要对重要负荷供电。在正常运行时，静态开关（Static Switch，SS）闭合，系统与馈线A、B和C的电源和负荷等发生能量交换。当主网发生电压跌落或扰动等情况时，静态开关SS在半个周期内将微电网和主网隔离，而微电网继续对馈线A、B和C上的重要负荷供电，从而提高了系统的可靠性。在整个过程中，馈线D始终与主网连接。

2 微电网控制与保护

2.1 微电网控制

微电网含有大量的分布式电源，如果采用传统电网集中控制的方法，这必定会增加线路的通信负担，并导致微电网建设成本升高。因此，微电网必须采用分布式控制策略，以达到根据本地信息对设备进行准确控制的目的。而微电网中通信的主要目的在于通过获取各个节点的稳态功率和电压值来达到优化潮流的目的。在有限的通信条件下，当把系统安全稳定运行控制和满足用户对电能质量等方面的不同需求的控制以及系统的经济优化运行控制结合在一起考虑时，微电网的有功、无功、潮流和网络电压分布的控制将变得更加复杂。另外，传统的电力系统的发电设备具有旋转惯量，它对保持传统电网的稳定运行具有十分重要的作用。但由于微电网中大量的发电设备因为采用了电力电子技术而导致设备自身的惯性常数变得非常小，这使得微电网的控制技术呈现出复杂而又灵活等特性。

当微电网从并网运行变换为孤立运行时，微电源的输出和负荷需求的不一致可能导致频率和电压问题。储能技术，例如电池、超级电容和飞轮将成为确保微电网在遭受故障时保证稳定运行的必需元件。因此，控制这些大量不同特性的复杂元件的稳定、经济运行是实现微电网的关键之一。

1）微电网的控制结构

微电网不仅结构相当复杂，并且为了实现不同的用户的灵活需求、分布式电源的“即插即用”功能和实现分布式电源能够参与市场竞争，微电网的运行控制必须具有一定程度的人工智能特征。图2是微电网控制系统的基本结构。其中DNO（Distribution Network Operator） 和 MO （Market Operator）位于负荷侧，它们分别负责中低压网络的线路运行和市场调度。相对于微电网，它们代表着主网，并通过实现微电网优化功能的MGCC（MicroGrid Central Controller）和微电网联系起来。微电网内部则通过LC（Local Controller）实现对分布式电源、储能元件和负荷的具体控制。LC具有一定的自主决策的能力，因此它不需要通过和其它LC和MGCC的信息交互即可根据当地情况做出反应，这样就实现了各个元件具有自主运行能力。而在市场环境下，通过LC、MGCC及DNO／MO间的通信和相应算法来实现微电网各元件的优化、经济运行。

多Agent系统以其自治性、可通信性、反应能力和自发行为等特点［2］，正好能满足微电网对实现智能控制的需求。

图2 微电网控制结构

2）微电网元件的控制

这一层控制处于控制结构的最低层（LC），LC的实现要广泛应用电力电子技术。电力电子变换器的控制策略广泛采用PQ控制和VSI控制。采用PQ控制的电源会根据调度端或者当地预先设定值向系统输送恒定的有功和无功，但它们并不参与电压和频率的调节。而采用VSI控制则能在系统发生扰动时只需要根据本地所采取的电压和电流信号利用“f-P特性曲线”来根据微电网的运行状态切换所引起的频率变化来分配功率。但是VSI控制需要运用于同储能元件相关连的电力电子变换器上。所以，LC的实现要采用PQ和VSI两种控制模式。当微电网孤立运行时，VSI的控制方案有两种：

（1）单主控运行（SingleMasterOperation（SMO））：

只有一个电力电子变换器采用VSI控制策略，其余采用PQ控制策略。但这种运行方式的不足之处是当作为主控的元件因故障被切除时将影响系统运行，不能满“元件对等”和“即插即用”的理念。“元件对等”指的是微电网中的任意一个元件退出运行都不会影响到系统的稳定运行。

（2）多主控运行（MultiMasterOperation （MMO））：

两个及其以上的电力电子变换器采用VSI控制策略。

由于配电网输电线路和高压输电线路参数上的差异，若将高压网络基于“f-P特性曲线”的控制方法直接应用到微电网中，可能导致控制失灵。

图3 修正后的有功和无功特性特性曲线

综合考虑PQ和VSI控制策略的特点对微电网的控制具有重要意义。

2.2 保护策略

保护策略在微电网的安全稳定运行中也发挥着重要作用。微电网的保护由两个环节构成：静态开关动作环节和微电网内部保护动作环节。当主网发生故障时，静态开关自动检测故障并将微电网和主网隔离。而微电网内部发生故障时则需要内部保护动作来完成对系统的保护。

微电网相对于传统分布式发电技术的两大特点就是实现了网内微型电源的“即插即用（plug&play）”和微电网自身的“隔离自主运行”，而它们对微电网的保护策略都会产生影响。“点对点”的概念使得微电网保护不需涉及系统中的通信，“即插即用”的概念使得任意微型电源和负荷可以在任何一点接入系统而不需要对微电网保护系统进行重新改造。这两个概念就要求微电网的保护需要安装在每个微型电源处。同时，微电网的每一馈线潮流的双向流动也为微电网保护设计带来了难度。

而为了保护微电网系统的安全运行，当系统发生故障时，微电网的静态开关需要在1/2～2个周波内将微电网和系统隔离开来。这就需要微电网保护策略能同时满足并网运行和隔离自主运行两种运行模式。因为微型电源大多采用电力电子变换器来和配电网络连接，这使得线路的故障电流就被限制在2倍额定电流以内，所以传统的过流保护将难以发挥实质性作用。但通过对电力电子变换器的调整可以满足过流保护对故障电流的要求，不足之处是成本太高。

尽管在目前国内外学者在微电网保护方面已作了大量的研究工作，并取得了许多成果。但是，由于微电网自身结构的复杂性和特殊性，还有许多问题需要做进一步研究。比如，微电网中采用传统的发电机时，发电机输出电流将可能超过2倍额定电流，此时的不同类型发电机保护间的配合问题还有待研究。另外，系统运行方式改变和更多的微型电源接入微电网等对保护策略的影响还有待作深入研究。

3 微电网技术对智能电网的意义

针对电力系统在新世纪面临的分布式电源并网、电网利用系数低以及数字化技术的广泛应用等诸多挑战，北美和欧洲提出智能电网的概念（SmartGrids），并展开了相关的研究工作。智能电网作为一个全新的技术理念，它整合了最新的数字和信息技术以提高输电网络的现代化，智能电网的重要功能包括［3］：

1）促使用户成为电能市场的积极参与者；

2）能够根据情况在发电和储能之间做出合理的协调；

3）促使新的电力产品、服务和市场的形成；

4）优化设备的利用率和提高运行效率；

5）在系统发生扰动之时能积极响应，并且良好的自愈能力；

6）提高系统应对网络攻击和自然灾害的鲁棒性；

7）根据用户情况的不同，能灵活地提供不同电能质量的电力供应；

智能电网的核心是实现对电网运行的快速响应，提高与分布式能源的兼容能力，从而提高整个系统的经济性、可靠性和安全性。

智能电网的重要特点就是能协调系统中的发电设备和储能装置的运行，支持高比重的分布式电源，以提高系统的可靠性和运行效率。如，通过先进的控制技术可以利用分布式电源来优化系统运行方式，而在系统发生重大故障时可利用它们进行局部供电。

未来智能电网有大量的分布式电源并于中压或低压配电网上运行，将彻底改变传统的配电系统单向潮流的特点，要求系统使用新的保护策略、新的频率和电压控制技术来满足双向的潮流流动。若能把这些分布式电源成功无缝地集成到电网中并协调运行，将带来巨大的经济和社会效益。

现在研究和实践已表明，将分布式发电供能系统以微电网的形式接入到大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电供能系统效能的最有效方式。

微电网技术经过近十年的发展，以其在节能、环保和在提高传统电网可靠性和电能质量的方面存在的巨大潜力而得到了许多发达国家政府和专家的重视。美国能源部未来将提供5500万美金用于建立新的微电网研究项目，加上地方政府和其它研究机构的投资，总金额超过了一亿美金。并且将微电网作为智能电网这一概念的支撑，微电网技术焕发出全新的活力。为了应对未来电力市场的挑战，提高电网效率和达到更好的经济效益，欧盟也于2005年启动了智能电网的研究计划，并且也明确提出微电网是是实现智能电网不可缺少的部分。微电网的重要功能包括：

1）促使用户成为电力市场的积极参与者；

2）能提高能源利用率，并广泛采用可再生能源，减轻了对环境的影响；

3）提高系统的效率，推迟系统扩建时间；

4）提高电能质量；

5）提高电力系统的安全性和鲁棒性；

6）因处于用户侧，可以根据用户的不同需求，

提供不同电能质量的电力供应；

通过对比智能电网所要实现的功能和微电网的功能，可以发现微电网在推进电力系统市场化，减排节能，提高系统安全和供电质量等方面与智能电网不谋而合。因此，微电网的研究与发展和智能电网的实现是紧密接合在一起的，发展微电网对智能电网有非常重要的意义。

4 结束语

随着对环境保护和可持续发展战略的逐步实施，以及用户对电能质量和供电可靠性要求的不断提高。节能、环保的分布式发电技术在国内外得到了广泛研究和应用。针对大量分布式电源接入电网时因为难以控制等原因导致的控制和保护问题，以及为了进一步挖掘分布式发电技术的潜力，国外学者提出了微电网这一概念。微电网技术近年来在欧美日等发达国家得到了快速发展，并逐渐得到国内学者的重视。目前，随着智能电网这一概念在欧美的兴起，微电网以其节能、环保以及供电灵活等特性被视为实现智能电网的有力支撑。国内许多电力公司和科研单位都开始瞄准国际电力技术发展趋势，并着手对微电网技术展开研究［4］［5］。 《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》中明确提出要大力开展“可再生能源低成本规模化开发利用”以及“间歇式电源并网及输配技术”。可以相信，随着我国能源战略的调整，节能环保的微电网技术将在实现智能电网的过程中发挥巨大作用。

［1］Thomas Ackermann a，Go¨ran Andersson b，Lennart So¨der.Distributed generation：a definition ［J］.Electric Power Systems Research，57 （2001） ：195-204.

［2］盛万兴，杨旭升.多Agent系统及其在电力系统中的应用［M］.北京：中国电力出版社，2007：18-25.

［3］余贻鑫，栾文鹏.智能电网［J］.电网与清洁能源，2009，25（01）：7-11.

［4］帅军庆.瞄准世界前沿建设智能电网［J］.国家电网，2008，（02）：54-57.

［5］王成山，王守相.分布式发电供能系统若干问题［J］.电力系统自动化，2008，32（20）：1-5.