新基建融合微电网研究综述及技术特点分析

刘志豪

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

1 微电网定义和解读

微电网系统是一个集发、输、变、配、用电于一体的，将分布式电源、负荷、储能装置以及监控保护装置有机整合在一起的电力系统[1]。微电网具备先进的运行控制和能量管理技术，可快速实现并网或孤岛运行，提高供电可靠性和电能质量[2]。

分布式电源的种类不同、机理不同、要求不同，且数量众多、接入分散复杂的，微电网作为大电网和多种分布式电源的缓冲区和减震器，可减少大规模分布式电源接入对电网造成的冲击，增加分布式电源的渗透率，丰富主动配电网新业态[3-4]。

1.1 型微源广

微电网电压等级一般在10 kV以下，系统规模一般在兆瓦级及以下，但可接入不同种类的分布式能源和储能装置，并直接与能源终端用户相连，实现多能源融合、多能流汇集、多场景应用，且能量就地利用消纳。

1.2 绿色节能

微电网内部分布式电源以清洁能源为主，或以冷热电联产等能源综合利用形式为目标的发电和能源融合系统，实现清洁能源的高效利用和就地消纳。

1.3 自治自愈

微电网内部电力电量可以实现全部或部分自平衡，无论是外部大电网发生故障，还是微电网内部发生故障，都可以快速切换运行方式保障电能的优质可靠供应和微电网安全稳定运行。

1.4 智能友好

微电网采用先进的信息传输技术，并大量使用各类传感器和就地监控装置，可实现微电网所有相连设备、负荷、电网的运行状态全面监控、底层信息全面感知、数据分析全面覆盖，不断完善微电网的智能需求。微电网自身的源- 网- 荷- 储- 车协调控制能力和多能源管控能力使得各种能源、各种连接设备实现友好接入和电网侧、微电网侧、终端用户侧的友好融合[5]。

2 融合新基建微电网应用

随着世界经济的迅速发展，对能源的需求急剧增加，新能源的利用成为趋势。但是由于受到气候条件变化的影响，风电、光伏等新能源发电表现出波动性、间歇性、随机性等特点，对接入电网的稳定安全运行造成极大影响。为解决新能源难控制、难调度、难预测的问题，提出微电网系统的大规模应用，可以实现削峰填谷，平衡电力负荷，提高供电可靠性，改善电能质量，很大程度克服了新能源发电的缺点。在满足对电能质量和供电安全要求的同时,可减少大量分布式电源渗入对电力系统的影响，具有较高的灵活性和可调度性。

微电网系统便于快速部署、安装应用，建设、运营成本低，并可模块化设计，拓展能力强。为供电难度大、对电能质量要求高的项目或企业，提供可靠供电保障、改善电能质量、节能减排、降低成本。可以解决公网接入成本高、效率低的问题，降低柴油发电机使用，减少油耗及环境污染，还能灵活可靠的针对客户改变运行策略，改善供电电能质量。

微电网的即插即用和互联互通是未来能源的发展趋势，是“新基建”的重要载体和着力点，以5G、物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的通信网络基础设施，以人工智能、云计算、区块链等为代表的新技术基础设施，以数据中心、智能计算中心为代表的数据算力基础设施，应用互联网、大数据、人工智能等技术，可促使和支撑微电网整体基础设施升级转型，并与微电网构架组合，进而形成电力及信息的多维度和多尺度的智能微电网融合基础设施，打造可广泛参与的新型能源智能交互生态系统，为能源综合利用创造巨大的发展空间，成为新基建发展的沃土。

建设融合新基建的微电网生态，提高清洁能源利用效率，改善能源结构，同时利用多能流协同控制技术实现微网内削峰填谷、能源优化调度、负荷平衡、多能互补，实现区域电网的“高弹性”，并充分利用边缘计算等大数据信息处理技术，为智慧微电网系统控制中心提供海量系统运行数据的算力支撑。

3 融合新基建微电网技术特点综合分析

3.1 多变灵活的网架结构

结合微电网能源区块链公共服务平台，可提升能源电力上下游各市场主体互信能力，支撑跨行业多层级数据协同，推动线上产业链金融等典型应用，面向政府、金融机构和产业链上下游，形成能源区块链产业新格局。

在多变的网架结构下，微电网系统整体的安全稳定运行具有重要意义。各种分布式电源和新基建设施容量的合理优化配置将左右整个系统的可靠运行。分布式发电得到广泛应用，存在大量无序接入的问题，伴随着高渗透率微电源的联网和大量高耗能新基建设施的并入，电网功角、电能质量、稳定运行等问题随之而来，对微电网具有适应性的拓扑结构和运行方式提出了更高要求，为了减轻大电网稳定运行的负担，需要对分布式能源高渗透率运行下的微电网接入配电网的安全性和可靠性提高要求和标准。

微电网依靠多源协调控制技术、综合能量管理技术、功率预测和负荷管理，来实现微电网与配电网之间的能量互联互通，从而实现分布式能源的高效合理利用。

多源协调控制既包含配电网中多微电网的协调控制、微电网中多微电源的协调控制，也包括多个供电单元、装备或接口的控制，新基建将提供先进的通信信息设备和强大数据处理分析能力，提高微电网系统整体的协同监控能力。

功率预测既包括对风、光等不可控资源的电源出力预测，也包括对网内大型和重要负荷的预测，包括对新基建设施的用能分析，为微电网内的功率平衡和稳定运行提供重要参考数据，依靠计算中心的强大算力和通信设施可大大提高预测精度和速度。

微电网靠近用能终端负荷和新基建设施，通过对用户用电习惯的掌握和引导以及大量的双向负荷、可控负荷，实现对负荷侧的能量管理，强大的负荷管理能力是微电网协调控制的重要组成部分，也是微电网灵活运行的关键技术组成。

微电网的供电形式是对现代智能电网的形式丰富和多维应用。微电网系统中大量先进的现代电力技术得到应用，快速的电力电子开关与先进的整流逆变技术、高效的新型电源设备及不同技术路线的储能装置等，并与新基建的各种先进设施融为一体，打造更加智能的微电网系统。

3.2 多样迭代的电器类型

微电网中的电源按照接口形式大致可分为逆变器型电源和旋转电机型电源两类，旋转电机型电源具备同步特性，为同步电源，例如：柴油发电机、微型燃气轮机、小型水轮机等易于控制的同步电源；逆变器型电源本体电气特性不具备同步特性，为非同步电源，例如光伏逆变器和储能变流器。这些多类型电源的投切、配置容量的差异均会相互影响，从而增加了微电网稳定控制的复杂性。

微电网中分布式能源并网电力电子装置，主要分为逆变和变流两种变换方式、电压源和电流源两种控制方式。通过对不同类型能源的合理控制和协同控制，可极大提高微电网内部系统电压、频率和功率调节的可靠性和灵活性，并且使微电网可以灵活地选择网内运行频率和运行电压以适应不同的应用场合。

凭借微电网能源工业云网平台具备技术领先、安全可靠、开放共享等优势，推动实现平台内的智能制造、智慧交易、智能运维、智能监造、智慧物流等核心功能全场景应用，助力电工装备产业链数字化转型，服务实体经济高质量发展。

不同类型微电源在不断的技术更新和产品优化后，出现多种迭代产品和多样技术路线，大量的入户式单相光伏、冷热电三联供、电动汽车和充电桩、户用蓄电池、小型风机等家庭式分布式微型电源、大量柔性电力电子装置的广泛应用进一步增加了微电网的复杂性。微电源应用形式灵活多变，BIPV及屋顶光伏、电动汽车有序充放电及V2G、智能楼宇和智能家居，微电网需要解决协调控制问题、不同发电机组并入微电网的可行性问题、微电网配置分布式电源/储能/负荷接口标准化等问题，来满足多种能源综合利用需求、应用场景、响应时间的要求。

电力物联网覆盖电力系统各环节的，推动电网感知测控边界向微电网内的电源侧、储能侧、用户侧和供应链侧延伸，提升对微电网内的网络、设备、客户泛在互联和全息感知能力，打造精准感知、边缘智能、共建共享、开放合作的智慧物联体系和应用生态，可形成统一物联管理平台，打造输电、变电、配电、综合能源、供应链全生态智慧物联创新应用。

广泛聚合资源，为微电网内各类能效服务市场主体引流赋能，为客户提供能效管理、智能运维、需求响应等能效服务，支撑商业楼宇、工业企业、园区等典型场景应用，降低能耗，促进绿色能源渗透率全面提高，提升全社会综合绿色能效。

3.3 算力提升的综合控制方式

微电网内应用人工智能能力开放平台，面向微电网内安全生产、经营管理和客户服务等场景，研发电力专用模型和算法，打造设备运维、电网调度、智能客服等智能化应用，提高微电网安全和微网内生产效率、客户服务质量和企业精益管理水平。

传统配电网一般呈辐射状，在稳定运行状况下，电压沿馈线潮流方向逐渐降低，有功、无功负荷随时间的变化会引起电压波动，线路末端波动较大，如果负荷集中在系统末端附近，电压的波动会更大。

当微电网接入传统电网后，尤其是当微电网接入馈线末端时，由于馈线上的传输功率的减小以及微电源输出的无功支持，沿馈线各负荷节点处的电压将被抬高，总体上将有利于提升配电网的供电质量。

微电网与配电网既相互影响又相互支撑，微电网利用储能装置和控制保护装置实现与配电网的联络功率平抑和自身网内保护的显著优势。在供电可靠性和电能质量方面，鲁棒性强、灵活可控的微电网对配电网供电可靠性和电能质量可起到有益的支撑作用。

微电网公共耦合点(point of common coupling，PCC)点处的电压、频率、交换功率和功率因数由微电网负责，同时微电网参与配网电压和频率调整。

微电网内的源荷储协调控制运行，当负荷变动和网侧异动时，微电网自动进行调度控制，调整相应的输出跟出，维持系统稳定运行，保证电能质量，向配电网提供稳定电压和频率支撑，使得微电网接入电网后对当地配电系统的安全稳定起到积极作用。

微电网设备级控制策略和方法包括：恒功率控制(PQ控制)策略、恒压/恒频控制(V/f控制)策略、下垂控制(Droop控制)及虚拟同步机控制(VSG控制)策略及其组合或改进策略来实现。

微电网内大量使用的电力电子接口设备单元具备信息传递和状态感知能力，所在连接点所测量的电压、电流、频率、本体运行信息等重要运行状态数据可以通过通信网络进行信息交互，电力电子设备接受中央控制器的调度指令和控制命令，按照设定运行状态工作，并实时向微电网控制中心上传运行数据。具备电力电子接口设备的有效控制是提高微电网可靠协调控制的重要手段。

微电网系统级控制策略和控制模式主要包括：主从控制、对等控制、综合控制。(1)主从控制。在微电网离网运行时需要一个主电源由P/Q控制模式转换为V/f控制模式，在并网运行时又需要主电源由V/f转换为P/Q控制模式，主电源应具备可控性，稳定微电网的电压和频率。采用主从控制的微电网在孤岛发生时，会出现“有缝”切换，尽管使用快速电力电子开关可以缩小“缝隙”，但不能完全做到“无缝”切换，同时应注意主电源的带载能力和负荷容量的匹配程度是否能长期支撑离网运行，主从控制需要依赖通信网络来控制以实现能量平衡，整体对网络可靠性要求很高。(2)对等控制。各个DG根据接入点的电压和频率，采用Droop控制并参与微电网离网运行时的电压和频率调节，采用Droop控制可以不依赖通信，但微电网在Droop控制下离网运行时属于有差调节，如何保持电压和频率的持续长时间稳定是需要继续解决的问题。(3)综合控制。把微电网分成能量管理层、协调控制层、就地控制层的三层控制结构，依赖协调控制层的微电网控制中心(micro-grid control center，MGCC)集中管理各个分布式能源、储能装置、负荷，实现微电网离网能量平衡，是目前微电网普遍采用并具备商业应用的一种成熟技术模式，但分层控制依赖通信，结构复杂，且技术指标不高，存在“有缝”切换、非计划孤岛过电压、并网合闸冲击等问题。

微电网系统利用5G大速率、高可靠、低时延、广连接等技术优势，聚焦输变电智能运维、电网精准负控和能源互联网创新业务应用。

微电网可以依靠大数据计算中心和5G信息网络不断提高协调控制能力和拓展用户信息的感知渠道，建立起网- 源- 荷- 储良性互动机制，并通过微网内综合能量优化、虚拟电厂技术及智能配网全面加强微网的全局优化调控手段和能力，逐步提高微电网的经济性，实现更加安全、可靠、高效、经济的运行。

微电网融合新基建后，在网架结构、线路保护、控制方式，用电侧能量管理模式、电费结算方式等方面给配电网带来很多新的变化。同时微电网与配电网可实现更高层次、更紧密的多维互动，带来上级调度对用户电力需求的预测方法、用电需求侧管理方式、电能质量监管方式等的改进和升级。

3.4 多尺度及多维度互补的运行平台

微电网系统是多种设备装置、多种能源类型、多学科交叉、多行为关联的相互耦合的复杂综合能源系统。新基建设施的广泛应用将有助于打破各种界面和壁垒，各种技术走向充分的交叉和融合。

以云平台、企业中台、物联平台、分布式数据中心等为核心的基础平台，提升数字化连接感知和计算处理能力。构筑微电网生产运行、经营管理、客户服务数字化应用，打造能源互联网数字化创新服务支撑体系。

微电网运行时存在多种运行状态，当微电网处于联网运行状态时，功率可以双向流动；在与配电网解列时，可使微电网转为孤岛运行，独立形成闭环能源供给系统向其网内负荷供电。使得微电网具备了自治自愈特性，避免了网内的分布式电源由于非计划孤岛情况的发生而大面积脱网，提高了新能源的发电可靠性和经济性，减小了分布式电源并网对大电网安全造成的威胁，为重要的新基建设施提供可靠的电源保障。

在微电网融合新基建设施的渗透率比较高的情况下，负荷特性以及分布电源特性，储能系统运行特性和状态，配电网系统特性，都对微电网的运行特性造成影响，并且越来越大，这种相互作用将直接影响到微电网内的稳定运行和电能质量。

以电力数据为核心的能源大数据中心，可加强政企联动和产业链合作，接入微电网内全行业全要素的相关数据，服务政府政策制订、社会治理、民生保障，服务能源生产、传输、消费上下游企业和客户，以智慧能源支撑智慧城市建设。

融入电力大数据应用体系，可培育高价值大数据产品，开展电力经济活动相关分析、污染防治监测、企业信用评价，电网智能规划、设备精益运维、客户体验及营商环境分析等，助力微电网系统内的智慧运营。

依靠新基建设施在计算和通信方面先进技术的应用，随着微电网对配电网系统渗透率的增加，由于微电网自身的稳定性和可靠性都会大幅提升，且优于单独的分布式电源，即使电网大部分负荷主要由微电网承担时，融合新基建的微电网可以持续减少电网系统和分布式能源系统的平均停电次数与停电时间，提高电网系统和分布式能源安全性和可靠性，进而提高整体系统的经济性。

当大电网发生停电后，微电网因外部或内部故障停运进入全黑状态后，不依靠大电网的帮助，仅通过启动微电网内部具有黑启动能力的微电源，进而带动微电网内无黑启动能力的微电源并网发电，并逐步扩大系统的恢复范围，最终实现整个微电网的重新启动，为新基建设施提供可靠的电力供应，并保障电能质量，且同时可为大电网的黑启动提供电压和频率支撑。

4 总结

微电网承载能源流和信息流的双重交互功能，作为未来智能电网、主动配网、物联网业务的重要参与者和新基建背影下迅速崛起的通信信息计算机云网络的重要载体，微电网贴近能量用户终端，靠近数据源和负荷中心，了解社会的生产秩序和生活习惯，在进行能量流传递的同时，承载信息数据，分享信息资源，通过大数据中心、云计算、5G先进网络传输等一大批新基建推动的基础设施建设，使得微电网可实现能量流和信息流的双重互联。能源发展更智能，数据来源更丰富，信息覆盖更广，微电网在向新基建设施不断深入融合的同时，将打造更加富有活力的能源- 信息- 数据于一体的多维融合网络中心。