能源是現(xiàn)代社會和經(jīng)濟發(fā)展的動力，是人類生命存在和繁衍的生命線。傳統(tǒng) 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(yè)將是能 源資源利用與環(huán)境保護可持續(xù)發(fā)展的改造型新工業(yè)，因此，合理調整能源結構， 大力開發(fā)可再生能源和其它新能源，走多元化潔凈能源發(fā)展道路，是我國社會可 持續(xù)發(fā)展的必由之路。
微電網(wǎng)是一種新型的網(wǎng)絡結構，是一組微電源、負荷、儲能系統(tǒng)和控制裝置 構成的系統(tǒng)單元。微電網(wǎng)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(fā)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(fā)和延伸微電網(wǎng)能夠促進分布式電源與可再生能源的大規(guī) 模接入，實現(xiàn)對負荷多種能源形式的高可靠供給，是實現(xiàn)主動式配電網(wǎng)的一種有 效的方式，使傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)過渡。
1. 微電網(wǎng)的含義與研究動態(tài)
目前世界上許多國家己開展微電網(wǎng)研究，立足于本國電力系統(tǒng)的實際問題提出了各自的微電網(wǎng)概念和發(fā)展目標。作為一個新的技術領域，微電網(wǎng)在各國的發(fā)展呈現(xiàn)不同的特色。
1.1 美國微電網(wǎng)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(wǎng)技術開展了專門的研究。CERTS 定義的微 電網(wǎng)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(tǒng)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(shù)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(tǒng)運行，其控制的靈活性使微電網(wǎng)能作為 大電力系統(tǒng)的一個受控單元，以適應當?shù)刎摵蓪煽啃院桶踩缘囊蟆?CERTS 定義的微電網(wǎng)提出了一種與以前完全不同的分布式電源接入系統(tǒng)的 新方法。傳統(tǒng)的方法在考慮分布式電源接入系統(tǒng)時，著重在分布式電源對網(wǎng)絡性能的影響。按傳統(tǒng)方法當電網(wǎng)出現(xiàn)問題時，要確保聯(lián)網(wǎng)的分布式電源自動停運， 以免對電網(wǎng)產(chǎn)生不利的影響。而CERTS 定義的微電網(wǎng)要設計成當主電網(wǎng)發(fā)生故 障時微電網(wǎng)與主電網(wǎng)無縫解列或成孤島運行， 一旦故障去除后便可與主電網(wǎng)重新 連接。這種微電網(wǎng)的優(yōu)點是它在與之相連的配電系統(tǒng)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?shù)仉?壓起支持和校正作用。因此，微電網(wǎng)不但避免了傳統(tǒng)的分布式發(fā)電對配電網(wǎng)的一 些負面影響，還能對微電網(wǎng)接入點的配電網(wǎng)起一定的支持作用。
1.2 歐洲微電網(wǎng)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(xiàn)集中 供電與分布式發(fā)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(wǎng)發(fā)展。微電網(wǎng)以其智能性、能量利用多元化等特點也成為歐洲未來電 網(wǎng)的重要組成。目前，歐洲已初步形成了微電網(wǎng)的運行、控制、保護、安全及通 信等理論，并在實驗室微電網(wǎng)平臺上對這些理論進行了驗證。其后續(xù)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(guī)模接人以及傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的初步過渡做積極準備。
1.3 日本微電網(wǎng)的研究
日本立足于國內能源日益緊缺、負荷日益增長的現(xiàn)實背景，展開了微電網(wǎng)研究，但其發(fā)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(tǒng)(FRIENDS)其主要 思想是在配電網(wǎng)中加人一些靈活交流輸電系統(tǒng)裝置，利用控制器快速、靈活的控 制性能， 實現(xiàn)對配電網(wǎng)能源結構的優(yōu)化，并滿足用戶的多種電能質量需求。 目前，日本已將該系統(tǒng)作為其微電網(wǎng)的重要實現(xiàn)形式之一。
1.4 微電網(wǎng)的理解
基于上述概念，在微電網(wǎng)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(fā)出的 高頻(1000Hz 左右)交流電需經(jīng)交流-直流-交流環(huán)節(jié)變?yōu)?50Hz 工頻交流電供給 負荷，但燃燒過程產(chǎn)生的 NOx 仍將對城市的環(huán)保產(chǎn)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(wǎng)的電源，特別是高溫 MCFC 和 SOFC 比較適用于發(fā)電，但目前價格較貴，較少實際應用。光伏發(fā)電、小型風電和生物質能發(fā)電業(yè)是很好的電源選擇。蓄電池、飛輪和超級電容器等是微電網(wǎng)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(jīng)濟地長距離輸送，而微電網(wǎng)的結構恰恰能使熱源更接近熱負荷。
2. 中國發(fā)展微電網(wǎng)的重要意義
微電網(wǎng)對我國電力系統(tǒng)和國民經(jīng)濟的發(fā)展也有重要的意義。
(1)微電網(wǎng)可以提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性，有利于電力系統(tǒng)抗災能力建設。目前，我國電力工業(yè)發(fā)展已進入大電網(wǎng)、高電壓、長距離、大容量階段，六大區(qū)域電網(wǎng)已實現(xiàn)互聯(lián)，網(wǎng)架結構日益復雜。實現(xiàn)區(qū)域間的交流互聯(lián)，理論上可以發(fā)揮區(qū)域間事故支持和備用作用，實現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置。但是大范圍交流同步電網(wǎng)存在大區(qū)間的低頻振蕩和不穩(wěn)定性，其動態(tài)穩(wěn)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(wǎng)分開后，市場利益主體多元化，廠網(wǎng)矛盾增多，廠網(wǎng)協(xié)調難度加大，特別是對電網(wǎng)設備的安全管理不到位，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行構成了威脅。與常規(guī)的集中供電電站相比，微電網(wǎng)可以和現(xiàn)有電力系統(tǒng)結合形成一個高效靈活的新系統(tǒng)，具有以下優(yōu)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(huán)境的污染等。
(2)微電網(wǎng)可以促進可再生能源分布式發(fā)電的并網(wǎng)，有利于可再生能源在我國的發(fā)展。 處于電力系統(tǒng)管理邊緣的大量分布式電源并網(wǎng)有可能造成電力系統(tǒng) 不可控、不安全和不穩(wěn)定，從而影響電網(wǎng)運行和電力市場交易，所以分布式發(fā)電 面臨許多技術障礙和質疑。微電網(wǎng)可以充分發(fā)揮分布式發(fā)電的優(yōu)勢、消除分布式發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊和負面影響，是一種全新的概念，使用系統(tǒng)的方法解決分布式 發(fā)電并網(wǎng)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(xié)調控制，微電網(wǎng)對配電網(wǎng)表現(xiàn)為“電網(wǎng)友好型”的單個可控集合，可以與大 電網(wǎng)進行能量交換，在大電網(wǎng)發(fā)生故障時可以獨立運行。
(3)微電網(wǎng)可以提高供電可靠性和電能質量，有利于提高電網(wǎng)企業(yè)的服務水平。微電網(wǎng)可以根據(jù)終端用戶的需求提供差異化的電能，根據(jù)微電網(wǎng)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(xiàn)了微電網(wǎng)個性化供電的特點，微電網(wǎng)的應用有利于電網(wǎng)企業(yè)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(wǎng)可以延緩電網(wǎng)投資，降低網(wǎng)損，有利于建設節(jié)約型社會。傳統(tǒng) 的供電方式是由集中式大型發(fā)電廠發(fā)出的電能，經(jīng)過電力系統(tǒng)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(fā)電廠電 力生產(chǎn)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(wǎng)投資，降低 網(wǎng)損。
(5)微電網(wǎng)可以扶貧，有利于社會主義新農(nóng)村建設。微電網(wǎng)能夠比較有效 地解決我國西部地區(qū)目前常規(guī)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(guī)電網(wǎng)難以覆蓋的地區(qū)的電力供應提供 有力支持。
3. 微電網(wǎng)結構
相對電力系統(tǒng)而言，微電網(wǎng)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(wǎng)的電壓控制，潮流控制和維持其運行穩(wěn)定性。 一個重要的功 能是微電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)運行和孤島運行方式間的平穩(wěn)轉移。在微網(wǎng)中，為了防止微電網(wǎng)與配電網(wǎng)解列時對微電網(wǎng)內負荷的沖擊，微電網(wǎng)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(jié)和保護設備。如此，在微電網(wǎng)與主網(wǎng)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(xù)運行。
微電網(wǎng)具有控制、協(xié)調、管理等功能，并由以下系統(tǒng)來實現(xiàn)。
(1)微電源控制器微電網(wǎng)主要靠微電源控制器來調節(jié)饋線潮流、母線電壓級與主網(wǎng)的解、并網(wǎng)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(xié)調器飽和協(xié)調器既適用于主網(wǎng)的故障，也適用于微電網(wǎng)的故障。當主網(wǎng)故障時，保護協(xié)調器要將微電網(wǎng)中重要的負荷盡快地與主網(wǎng)隔離。其某些情況下微電網(wǎng)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(wǎng)不與主網(wǎng)分離。當故障發(fā)生在微電網(wǎng)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(tǒng)進行調度，相應時間為分鐘級。
4. 微電網(wǎng)的相關技術
微電網(wǎng)是一種新型的網(wǎng)絡結構微電網(wǎng)技術已經(jīng)成為電力系統(tǒng)發(fā)展的前沿技術。
(1)微電網(wǎng)的硬件研究
微電網(wǎng)的實現(xiàn)需要有先進的設備作支持。這包括微電網(wǎng)的發(fā)、輸、變、配、用各個環(huán)節(jié)。為此，需要開發(fā)智能電表、向量測量單元、廣域測量系統(tǒng)等，研發(fā) 合適的硬件設備，使微電網(wǎng)具有即插即用的能力。研發(fā)新型的分布式能源控制器，以保證微電網(wǎng)的高效運行。
(2)微電網(wǎng)建模研究
開發(fā)可用于對逆變器控制的低壓非對稱微電網(wǎng)的靜態(tài)和動態(tài)仿真工具;建立微電網(wǎng)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(wǎng)整體模型，包括總體模型結構、等效靜態(tài)模型、等效電機模型等。
(3)微電網(wǎng)對大電網(wǎng)的影響研究
微電網(wǎng)的接入必然會對大電網(wǎng)造成影響，需要研究：微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島運 行下的穩(wěn)定性分析; 微電網(wǎng)對大電網(wǎng)運行的影響， 包括地區(qū)性的和大范圍的影響; 微電網(wǎng)能給電網(wǎng)在供電可靠性、網(wǎng)絡損耗和環(huán)境等方面帶來的改善;微電網(wǎng)的發(fā) 展對基礎電網(wǎng)發(fā)展的影響等。
微電網(wǎng)中的微電源，如風電、光伏發(fā)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(wǎng)諧波問題需要 做進一步的探討和研究。
(4)微電網(wǎng)的控制策略
微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間存在一種最優(yōu)的狀態(tài)， 在這種狀態(tài)下微電網(wǎng)和大電網(wǎng)都能夠高效穩(wěn)定的運行。 對微電網(wǎng)的控制的目標就是讓微電網(wǎng)實現(xiàn)最優(yōu)控制。為此，必須研究微電網(wǎng)控制技術，其中包括：各微電源之間的協(xié)調控制、電力電子設備 的智能控制和最優(yōu)控制、微電網(wǎng)和主網(wǎng)之間的協(xié)調控制等，研究孤島和互聯(lián)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(chuàng)造新的網(wǎng)絡設計理念，包括新型保護方案的應用等。
(5)其它
電網(wǎng)的實現(xiàn)還需要很多方面的支持： 需要制定微電網(wǎng)在技術和商業(yè)方面的協(xié)議標準;需要做好各種微電網(wǎng)在技術和商業(yè)方面的整合;需要做好現(xiàn)有的小發(fā)電機組并入微電網(wǎng)的可行性分析;需要建立微電網(wǎng)示范工程及實驗測試系統(tǒng)等。
5. 微電網(wǎng)的關鍵技術
微電網(wǎng)的出現(xiàn)將從根本上改變傳統(tǒng)電網(wǎng)應對負荷增長的方式，其在降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性等具有巨大潛力。目前，微電網(wǎng)技術已經(jīng)成為 電力系統(tǒng)發(fā)展的前沿技術。
5.1 微電網(wǎng)的控制功能
微電網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)不平衡可以校正，要能適應微電網(wǎng)中負荷的動態(tài)需求。微電網(wǎng)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(jié)可分別進行，可通過調節(jié)逆變器的 電壓幅值來控制無功功率，調節(jié)逆變器電壓和網(wǎng)絡電壓的相角來控制用功功率。
(2) 基于調差的電壓調節(jié)。 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(chǎn)生電壓或無功振蕩。而電壓控制要保證不會產(chǎn)生電源間的無功環(huán)流。在大電網(wǎng)中，由于電源間的阻抗相對較大，不會出現(xiàn)這種 情況。微電網(wǎng)中只要電壓整定值有小的誤差，就可能產(chǎn)生大的無功環(huán)流，使微電 源的電壓值超標。 因此要根據(jù)微電源所發(fā)電流是容性還是感性來決定電壓的整定值，發(fā)容性電流時電壓整定值要降低，發(fā)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(wǎng)中，當一個新的負荷接入時最初的能 量平衡依賴于系統(tǒng)的慣性，主要為大型發(fā)電機是慣性，此時僅系統(tǒng)頻率略微降低而已(幾乎無法覺察)。由于微電網(wǎng)中發(fā)電機的慣量較小，有些電源(如燃料電 池) 的響應時間常數(shù)又很長(10~200s) 因此當微電網(wǎng)與主網(wǎng)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(tǒng)的慣性，才能維持電網(wǎng)的正常運行。
(4)頻率調差控制。在微電網(wǎng)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(jié)中按一定的比例且都不超標。
5.2 微電網(wǎng)的保護
微電網(wǎng)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(wǎng)一般是放射形的，由于有了微電源，保護裝置上流經(jīng)的電流就可 能有單向變?yōu)殡p向;②一旦微電網(wǎng)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(fā)電接入電網(wǎng)的方式， 構成微電網(wǎng)的初衷之一是盡可能地維持一些重要負荷在電網(wǎng)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(fā)生變化。
5.3 微電網(wǎng)并網(wǎng)運行
要根據(jù)微電網(wǎng)中負荷的需求來確定保護的方案，也即要根據(jù)負荷(如半導體制造工業(yè)負荷或一般商業(yè)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(fā)生在配電網(wǎng)中，則要采用高速開關類隔離裝置(Separation Device，SD)，將微電網(wǎng)中的重要敏感性負荷盡快地與故障隔離。此時，微電網(wǎng)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(fā)生在微電網(wǎng)中時，除了上述隔離裝置協(xié)調，以免影響上一級饋線 負荷。一旦配電網(wǎng)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(wǎng)重新并網(wǎng)運行。如果微電網(wǎng)內僅有一個微電源，當然允許采用手動的方式再同步并網(wǎng);但若在微電網(wǎng)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(wǎng)。
5.4 微電網(wǎng)孤島運行
當電網(wǎng)孤島運行時，為了使所隔離的故障區(qū)盡可能小，微電網(wǎng)中保護裝置的協(xié)調尤為重要。特別需要指出的是，由于微電網(wǎng)的電源大多為電力電子型設備，所發(fā)出的電力通過逆變器與網(wǎng)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(guī)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(wǎng)的接地系統(tǒng)必須仔細設計，以免微電網(wǎng)解列時繼電保護誤動作。
5.5 微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)
微電網(wǎng)被定義為發(fā)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(lián)供和熱電冷三聯(lián)供。因此，微電網(wǎng)不僅要發(fā)電，而且要利 用發(fā)電的余熱以提高總體效率。能量管理系統(tǒng) (Energy Management System， EMS)的目的即為作出決策以最優(yōu)地利用發(fā)電產(chǎn)生的電和熱(冷) 。該決策的依據(jù)為當?shù)卦O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(tǒng)的調度控制功能：能量管理系統(tǒng)是為整個微電網(wǎng)服務的，即為 系統(tǒng)級的，由此首要任務是將設備控制和系統(tǒng)控制加以明確區(qū)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(fā)電機(微電源)的功率因數(shù)等應由微電源來控制，他們依據(jù)就地信號。CERTS 的模型中，EMS 只調 度系統(tǒng)的潮流和電壓。潮流調度時需考慮燃料成本、發(fā)電成本、電價、氣候條件 等。EMS 僅控制微電網(wǎng)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(wǎng)相聯(lián)的母線電壓應由所聯(lián)上級配電網(wǎng)的調度系統(tǒng)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(wǎng)與配電網(wǎng)解 列后微電網(wǎng)應配備快速切負荷的功能，以使微電網(wǎng)內的發(fā)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(wǎng)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(wǎng)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(jīng)濟性、降低污染排放等，但從長遠看它還可對配 電網(wǎng)提供一些輔助服務和可靠性服務，特別是微電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)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(wǎng)本身位于用戶側，這些用 戶可能為中心商業(yè)區(qū)(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(tǒng)，未來的 EMS (Heating Ventilation and Air Conditioning, HVAC) 有可能成為這些系統(tǒng)以及當?shù)匕l(fā)電、儲能等的總調度系統(tǒng).
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