分布式能源与微网技术发展研究

曾乐才

（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070）

我国可再生能源发展“十二五”规划要新增发电装机160GW，到2015年可再生能源发电量要达到20%，新能源大发展引发能源体系的根本性变革，分布式能源（Distributed Energy，DE）成为新能源技术领域的一个重要方向［1］，与之适应的智能电网及微网技术也将得到快速发展。

1 DE及其特点与优势

1.1 DE系统的概念

传统的集中式供能系统采用大容量设备、集中生产，然后通过专门的输送设施（大电网、大热网等）将各种能量输送到较大范围的众多用户。由美国于20世纪70年代最先提出的分布式供电概念是指将容量在几千瓦到50MW的小规模发电系统以分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出电、热或（和）冷能的系统。美国国家可再生能源实验室目前对DE的定义如下：各种小型化、模块化的发电技术，可以结合负载管理以及能源贮存系统，以提高电力供应的质量或可靠性。它们是“分布式”，因为它们就近安置在能量消耗处附近［2］。

广义的DE则是直接面向用户，按用户的需求就地生产并供应能量，具有多种功能，可满足多重目标的中小型能源转换利用系统，见图1。DE有时也被称为分布式发电、现场发电、分散发电、嵌入式发电、分散式发电、分散式能源等［3］。目前随着DE的发展，为系统提供能源的装置已不再局限于燃气轮机，它可以是内燃机、太阳能光伏或光热系统、风力发电装置、生物质能、地热能等及其组合，与之相对应的系统形态也从微电网进一步向综合能源网发展。

图1 DE系统示意图

1.2 DE的主要特点与优势

DE的主要特点包括：① 直接面向当地用户的需求，布置在用户附近，简化能源的输送环节；② 系统受用户需求的制约，相对于传统的集中式供能系统而言均为中、小容量；③ 随着新能源等技术的发展和成熟，可供集成的技术也日益增多；④通过选择合适的技术，进行系统优化和整合，可以更好地同时满足用户的多种要求，实现多个功能目标。

DE系统在节省输变电投资、提高供电可靠性、满足特殊需求、节能环保、能源综合梯级利用、可再生能源利用途径等方面具有明显的优势［4］：① 分布式发电装置直接安置于用户近旁，由于输电距离短，输配电损耗很低，无需建设配电站，可避免或延缓增加输配电成本。②DE系统的动力装置相互独立，用户可自行控制，并与大电网并联运行，可有效提高整个能源电力系统的运行可靠性；而且一旦电网发生故障，DE系统可基本保证用户的供电不受影响。而当DE系统自身不能正常运行时，电网可以提供保障，维持重要用户的供电。③ 满足特殊用户的能源需求，如无法架设电网的边远地区或分散用户，供电安全稳定性要求较高的医院、银行等特殊用户，能源需求较为多样化的用户等。④DE系统可以利用化石燃料能量转化过程中产生的大量余热，降低能耗；系统输变电需求减少也相应地降低了电磁污染和噪声污染。⑤ 当用户不仅需要电力，还需要冷能和热能时，DE系统可在所需范围内实现热、电、冷三联产，既克服了冷能和热能无法远距离传输的困难，又为能源的综合梯级利用提供了可能，具有较高的能源利用率。⑥ 可再生能源能流密度相对较低、分散性强，DE系统为可再生能源的利用和发展创造了条件。

2 智能微网是DE实现的主要技术形态

2.1 DE与微网

传统电网发电侧可控、按需发电、即发即用，而可再生能源具有间歇式、波动幅度大、难准确预测等特点，需按资源发电。智能电网的发展为新能源的接入提供了一个有效的途径。通过智能电网联结发电与用户。智能电网一般包括智能输电网与配电网，微网技术及相关的储能技术、智能技术是构建智能电网的关键技术［5］。

微电网由一组本地发电、储能装置和负荷构成。运行时通常连接到一个集中式大电网。微电网可以在唯一公共连接点处与大电网断开而独立运作。在微电网内部，发电装置和负载通常以低电压方式进行联结，微电网覆盖半径一般不超过30～50km。对于电网运营商而言，连接的微电网是可控的整体。微网的运行主要涉及3个层次：配网级、微网、微源及负荷等单元，如图2所示。它与带有负荷的分布式发电系统的本质区别在于它同时具有并网和独立运行能力［6］。

图2 微网体系结构

微网是DE实现的技术形态，微网的高级形式是公用微网。在公用微网中，凡是满足一定技术条件的分布式电源和微网都可以接入，它根据用户对可靠性的要求进行负荷分级，紧急情况下首先保证高优先级负荷的供电。从本质上讲，公用微网已经具备了智能配电网的雏形。

智能微电网即微网的智能化，是现代化、大型集中式的电力系统的小规模版本［5］。

2.2 微网技术发展面临的挑战

微网的最终目标是实现各种分布式电源的无缝接入。一般而言，大量的分布式电源通过微网接入到配电网中必将产生深远的影响，为此，需要解决微网运行特性及与外部电网相互作用的机理、微网自身的保护与控制及微网经济运行、能量优化管理等方面一系列复杂问题，具体包括以下内容。

（1）在可靠性与稳定性方面，微网作为可输入、输出功率的特殊电源分布于配电网中，微网间的相互影响将进而影响配电网运行的可靠性。揭示微网与微网、微网与配电网相互作用的机理是提高配电网运行安全性和稳定性的前提，需要探讨新的稳定性分析理论与方法。

（2）在规划设计方面，需考虑分布式电源、微网结构、微网接入位置以及配电网综合优化等一系列新问题，要综合考虑网络中的冷、热电负荷的需求，体现规划工作的科学性和前瞻性。

（3）在系统控制方面，分布式电源大多通过电力电子逆变器并网，没有自同步性；微网及配电网中的负荷波动对电源输出影响较大；分布式电源的多样性、间歇性与随机性增加了电压与频率控制的难度，而实现多微网的协调控制则更加困难；此外，电能质量也是需要关注的问题。

（4）在系统保护方面，由于微网的潮流具有双向性，在发生故障时首先保证整个系统的安全性和稳定性，而当配电网故障或非正常运行时，使分布式电源和微网得到保护，能够做到不拒动、不误动、快速反应和有选择性。此外，不同的分布式发电技术可能对故障电流和保护判据有所不同，系统故障时的网络重构也要求保护装置具有自适应的整定功能。

（5）在调度运行方面，由于其复杂性，微网的有效调度与管理必须借助辅助工具，首先需要对微网建模、进行仿真，实现快速系统孤岛保护与网络重构算法，克服高渗透率下可再生能源的间歇性与随机性对运行造成的影响，保证在故障及极端天气条件下系统运行的安全性和稳定性。

2.3 微网发展路线

发展可再生能源是国家能源战略之一。微网是接纳可再生能源的有效载体，微网技术研究是应对分布式发电大规模接入的必然选择。根据我国微网发展路线图，近阶段的主要目标是建立微网示范，完善关键技术，为进一步成为DE渗透的主要载体及智能电网的重要配电网模式进而实现大规模商业化运行奠定基础。图3为我国微网发展路线图。

图3 我国微网发展路线图

3 微网关键技术

3.1 微网核心技术体系

微网包括发电、传输、存储、分配和用电全过程，具有内部分布式电源种类和并网形式多样、网形式多样、独立运行和联网运行两种模式等特点［7］。微网核心技术体系包括DE、并网与保护、储能技术、信息与通信、优化控制与能量管理等，如图4所示。具体关键技术、支撑系统与关键装备如表1所示。

图4 微网核心技术体系

表1 微网核心技术体系

3.2 并网与保护技术

并网等电力电子技术是各类可再生能源开发和分布式发电发展的关键技术之一［8］，需要根据微网的特殊需求研究适用的电力电子技术，并研制并网逆变器、静态开关等一些新型的电能质量控制设备。

变换器具有响应速度快、惯性小、过流能力弱等特性，在微网中需要具备一些特殊控制功能，如有功－频率下垂控制功能和电压－无功下垂控制功能。太阳能、风能这些随机性能源单元的接入将影响系统电能质量，如电压波形、频率以及功率因数，而且电子负载易受暂态、跌落、谐波、瞬间中断及其他扰动的影响，因此保障电能质量相关的关键设备，如有源电力滤波器、动态电压调节器、静止无功发生器等的研发变得更为重要。

为保障微网平稳运行，需要完善监测系统，完善数据采集和处理技术，建立智能预警，实现微网保护及故障快速定位、隔离和恢复与网络重构等。微网除过压及欠压保护外，需针对分布式电源制定包括反孤岛和低频保护等特殊功能。由于微网系统中潮流的双向流通，且随着系统结构和所连接的微电源单元数量的不同，故障电流级别差别很大，需要研发适应微网保护模式的检测与控制系统。静态开关置于连接微网与主网间的公共连接点处，在发生一些主网故障或电能质量事件时，静态开关自动将微网切换到孤岛运行状态，并根据变化情况在满足连接标准时自动恢复与主网的连接。

3.3 微网储能技术

由于微网承受扰动的能力相对较弱，特别是在DE单元的渗透率较高的情况下，储能系统的应用对平抑可再生能源和负荷需求的波动、维护系统的稳定运行有着重要的作用。

储电技术包括机械储能、电磁储能与电化学储能。由于储能电池易规模制造、易安装，适合再生能源并网与智能微网。在各种化学电池中，锂离子电池、镍氢电池、钠硫电池、液流电池、铅酸电池技术相对成熟，其中锂电池综合性能好，生产已自动化，应用明显增多，而液流电池则在大规模应用领域具有优势与应用前景。储能技术进入规模应用要求系统效率高、循环寿命长，并具备经济性。美国储能规划主要技术指标见表2。根据美国储能规划［9］，5a内（近期）每千瓦时单次储能循环成本要低于20美分，远期目标要低于10美分。

表2 美国储能规划主要技术指标

美国近期规划研发内容包括：确保有前景的新技术能进入研究和验证的渠道；聚焦系统集成所需部件及设备水准；测试技术能确保设备可靠性得以提升，并在公用事业领域进入示范应用；与相关机构、大学合作探索发现新材料和化学物质；研发新的储能技术，开发优化液流、钠盐、铅碳、锂离子电池，开发和优化电源技术。远期研发内容主要包括：选择有前景的技术，渠道畅通，推动创新；保持在研究阶段确定的有前景技术的发展势头；在已发现的材料和化学物质的基础上开发新技术，开发和优化电源技术。

储热（冷）主要利用物质的显热、相变潜热或热化学方法。显热储热依靠材料自身温度变化进行热量传递，易于建造与维护，但储热密度相对较小，放热过程温度变化较大，总体效率较低。需要进一步研究的问题包括固态显热材料的热物理特性、熔盐换热流体的腐蚀性、高温凝结等。热化学储热是利用物质的可逆吸、放热化学反应进行热量的存储与释放，适用的温度范围比较宽，储热密度大，但工艺复杂，技术尚未成熟。相变储热材料储热密度大，放热过程近似等温，有利于设备的紧凑和微型化，但是相变材料的腐蚀性、与结构材料的兼容性、相变材料的热化学稳定性、循环使用寿命等都需要进一步研究。复合结构储热材料可以结合显热与潜热储热材料的优点，通过复合体的结构定型、相变材料的微封装防腐、材料的导热强化，达到储热材料的结构特性、导热性能、储热性能的良好平衡［10］。

3.4 微网信息与通信技术

微网的运行需要采用先进的传感技术、通信技术、计算机技术，实现复杂的信息交互关系［11］，如图5所示。在采集不同特性的DE单元信息的基础上，通过配网级、微网级、单元级各控制器间的通信来实现。

图5 微网信息交互关系

宽带电力线（Broadband over Power Lines，BPL）技术是利用现有交流配电网的中、低压电力线路，传输和接入因特网的宽带数据业务，是一种连接到家庭的宽带接入技术。目前，该技术发展迅速，与无线传感技术一起有可能成为未来智能微网通信中的重要技术方式。

在微网的运行控制与能量管理过程中，以电力电子器件为接口的DE单元对通信技术的可靠性和速度提出了更高的要求。在响应特性不同的设备间建立连接成为网关技术面临的挑战。对低消耗、高性能、标准型网关的需求和通信协议的标准化是能量管理系统开发中的一个重要组成部分。此外，通信技术还直接关系到微网能否提供更快的辅助服务。

3.5 微网运行控制与能量优化管理

微网系统承受扰动的能力相对较弱，尤其是在孤岛运行模式下，考虑到风能、太阳能资源的随机性，系统的安全性可能面临更高的风险，因此系统运行的有效控制尤为重要。微网的正常运行需要实现3个层次控制系统间的协调合作（见图6）。微网中央控制器（Microgrid Central Controller，MCC）是主网与微网间的接口，一方面与上层配电网控制器（Distribution Network Operator，DNO）及市场控制器（Market Operator，MO）交互信息，一方面与下层各就地控制器（Local Controllers，LCs）交互信息。根据MCC和LCs决策方式的不同，系统的控制可采用集中式和分散式2种控制方式。集中式控制由微网中央控制器协调整个层次控制系统，包含经济调度等功能，目标是通过优化各DE单元的发电量及与主网间的功率交换，使微网得到最大化利用。分散式控制是要最大程度地实现微网内DE单元和负荷的自治，各LCs在搜集本地信息并与其他控制器、上层控制器交互信息的基础上，各自进行就地决策，多代理系统移动代理服务器（Mobile Agent Server，MAS）是开发分散式微网控制的一个主要候选系统。

图6 微网运行控制系统

为确保微网的安全、稳定、可靠及高效经济运行，需要针对微网的运行方式、所采取的电力市场和能源政策、系统DE单元的类型和渗透率、负荷特性和电能质量的约束，对微网系统内部各DE单元间、单个微网与主网间、多个微网间的运行调度和能量优化管理研究制定出合理的控制策略。微网运行控制与能量优化管理应具备如下功能：为每个DE单元控制器提供功率和电压设定点；确保满足热电负荷需求；确保微网能满足与主网间的运行合同；使运行成本与系统网损最小，使DE单元的运行效率最高；提供微网故障情况下孤岛运行与重合闸的逻辑控制方法。

当微网由并网转为孤岛运行时，存在电压和频率的管理、能量供需间的平衡、电能质量等问题。相关控制技术包括：遵循对等和即插即用原则，采用单元功率控制模式与馈线潮流控制模式相结合的自主控制；基于低压配电网的阻性特性，通过控制有功输出调节电压，控制无功输出调节频率的反向下垂控制；储能装置作为负荷跟踪单元，其他微电源采用恒功率控制的多代理控制模式；储能装置和所有的微电源一起参与调节的纯下垂控制；单／多个主逆变器模式控制；储能装置以同步电动机运行模式执行二次控制的基本能源控制。其中，基于电力电子技术的“即插即用”与“对等”的控制思想是根据微电网控制要求，灵活选择与传统发电机相类似的下垂特性曲线进行控制，将系统的不平衡功率动态分配给各机组承担，具有简单、可靠、易于实现等特点。但该方法仅针对基于电力电子技术的微电源间的控制，未考虑电压和频率的恢复问题。基于功率管理系统的控制采用不同控制模块对有功、无功分别控制，很好地满足了微电网多种控制的要求，尤其在调节功率平衡时，加入了频率恢复算法，能够很好地满足频率质量的要求。基于多代理技术的微电网控制方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微电网控制系统，提供了一个既能够嵌入各种控制性能，又无需管理者经常出现的系统。电能质量和稳定性、储能装置的容量、对通信网络的要求、微电源的类型及微网的所有权等因素都影响孤岛运行策略的选择。

在不允许微网向主网提供能量的情况下，微网作为负荷形式，可以调节负荷量和功率因数；在允许微网向主网提供能量时，可参与电力市场实时频率稳定调节、功率平衡（负荷跟踪）、电压稳定调节、长、短期各种备用能力、黑启动、网络稳定性等。微网作为一种特殊的DE系统，在主网系统发生故障、引起电压或频率偏移时，可以充分利用其特性对解决故障问题提供多方面的支持。

对微网进行仿真研究，能够预先校验策略的合理性，以确保系统实际运行时的安全、稳定及可靠等，这需要对种类繁多、特性各异的DE单元、相关单元级控制器与系统级控制器及管理系统进行建模，建立系统整体运行控制和能量优化管理模型。微网系统级运行还需要开发各DE单元间的协调、系统的集成运行相应的控制及能量优化管理软件，如短期／超短期能量预测和负荷需求预测、机组组合、经济调度、实时管理等应用软件。其中，电力电子变换器的控制是微网系统动态运行过程中需重点考虑的一个问题。此外，系统单／三相、电路线制、单／多点接地可能导致系统不对称，需要进行系统稳态和动态仿真分析，如潮流分析、动态电压控制、系统不平衡、不对称的预测和评估、不同组成单元的动态交互及对系统稳定性的影响等。

微网系统的优化设计需要根据微网系统安置处的负荷和可利用能源的情况，考虑设备的响应特性、效率、安装费用以及控制方法等，优化确定网络结构及DE单元参数，提高整个系统的可靠性、安全性和经济性。在系统各单元优化配置的基础上，可进一步确定微网与主网间的能量交换合同及运行计划。

3.6 微网相关前瞻性技术

为充分发挥微网的技术经济潜力，提高微网的技术性能、拓展微网的应用空间，有必要研究前瞻性技术在微网中的应用及微网的前瞻性外延作用。

正在研发的电气工程及其他领域的前沿性技术，在微网中新的应用模式和技术包括：新型微源及其综合应用，网络拓扑及供电形式多样化，超导技术。微网自身对于大电网，或对电网之外的其他领域产生技术经济性能影响的新应用模式和技术包括：可融入智能电网体系的智能微网，微网对电力市场的要求及其促进作用，微网对电网安全防御的地位及作用，微网改善能源结构、促进低碳经济发展。

4 结 语

由于能应对新能源大发展，DE技术成为新能源技术发展的一个必然选择，微网是DE实现的技术形态，储能技术、优化控制与能量管理技术是构建智能微网的关键技术。

［1］徐建中.分布式供电和冷热，电联产的前景［J］.中国建设信息：供热制冷专刊，2002（6）：14－17.

［2］National Renewable Energy Laboratory.Distributed en ergy basics［EB／OL］.（2012－09－01）［2012－10－13］.http：／／www.nrel.gov／learning／eds ＿distributed ＿energy.html.

［3］Wikipedia.Distributed generation［EB／OL］.（2012－10－01）［2012－10－15］.http：／／en.wikipedia.org／wiki／Distributed＿generation.

［4］冉鹏，张树芳，郭江龙，等.DE系统的研究现状与应用前景［J］.热力发电，2005，34（3）：1－3.

［5］Galvin.What are smart microgrids［EB／OL］.（2012－09－03）［ 2012－10－01］.http：／／www.galvinpower.org／microgrids.

［6］王成山，李鹏.分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战［J］.电力系统自动化，2010，34（2）：10－14.

［7］国网电力科学研究院.微网技术体系简介［R／OL］.（2012－06－03）［2012－07－01］.http：／／vdisk.weibo.com／s／3v7RR.

［8］丁明，张颖媛，茆美琴.微网研究中的关键技术［J］.电网技术，2009，33（11）：6－11.

［9］U.S.Department of Energy Office of Electricity Delivery＆Energy Reliability.Energy storage program planning document［EB／OL］.（2011－02－01）［2011－12－01］.http：／／energy.gov／oe／downloads／.

［10］葛志伟，叶锋，Lasfargues M，等.中高温储热材料的研究现状与展望［J］.储能科学与技术，2012，1（2）：89－102.

［11］李振杰，袁越.智能微网—未来智能配电网新的组织形式［J］.电力系统自动化，2009，33（17）：42－48.