微電網規劃研究綜述

徐迅，高蓉，管必萍，周江昕，程浩忠，馮露，龔小雪

（1.電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室（上海交通大學），上海200240；2.上海市電力公司市區供電公司，上海200080；3.上海市電力公司松江供電公司，上海201600；4.國家電網西北規劃評審中心，陜西 西安 710065）

隨著經濟發展，電力需求增長迅速，當前的電網已無法滿足用戶越來越高的安全性、可靠性和多樣化的供電要求。此外，煤炭、石油等傳統能源是不可再生的，儲量有限，現在又遇到節能減排的需求，而分布式發電可靠性高、能源利用效率高、安裝地點靈活，成為解決上述問題的有效途徑。但分布式發電單機接入成本高，且對大電網來說是不可控的，直接接入電網還存在諸多問題。在這種背景下，提出了微電網的概念[1-9]。本文給出了美國電氣可靠性技術協會關于微電網的定義，總結了微電網的典型結構，介紹了微電網規劃的體系和算法，并重點探討了微電網規劃中待研究的問題。

1 微電網的概念

美國電氣可靠性技術協會（CERTS，Consortium for Electric Reliability Technology Solutions）最早給出了微電網的定義[1]：微電網由負荷和分布式電源組成，為用戶提供電能和熱能；其內部采用先進的電力電子器件實現能量轉換和系統控制；微電網對外是可控的，對內可以更好地滿足用戶的各種電力要求。

2 微電網的結構

文獻[10-15]介紹了美國CERTS提出的微電網基本結構，其中展示了光伏發電、微型燃氣輪機等多種分布式電源形式，并示范了對有不同供電要求用戶的供電方案。文獻[16]給出了考慮不同負荷類型的微電網結構，在該結構圖中，商業用電采用光伏發電供電，居民公寓用電采用燃料電池、燃氣輪機或風力機供電，個別居民用戶還安裝了蓄電池。文獻[17]給出的微電網結構通過把分布式電源和負荷組合成微電網，來有效降低分布式發電直接接入電網帶來的不良影響。文獻[18]介紹了歐洲R&D微電網項目中采用的微電網結構，它包含一個低壓網絡、負荷、可控或不可控的微電源和儲能設備，并通過一套分級管理控制方案來調控微電源和負荷。文獻[19-22]給出了含熱電聯產系統的微電網結構，用于確定微電網中每種設備的數目和容量，進而對微電網進行經濟性評估。文獻[23-24]顯示了含2種類型微電網的多微電網結構：公共微電網和工業/商業微電網，2種微電網在大小、供電范圍等方面存在一定差異。文獻[25]所示微電網結構采用光伏發電作為主要微電源，遠景規劃增加一臺微型燃氣輪機。文獻[26]探討了微電網與大電網的互連結構、多個微電網間的互連結構，并分別評估其供電穩定性。

目前，雖然國際上微電網種類、結構繁多，但其本質相似，均是包含有多個分布式電源和儲能系統，聯合向負荷供電，整個微電網對外是一個整體，通過一個PCC和上級電網變電站相聯。從用戶負荷側來說，微電網可以看成一個自治的電力系統，它可以滿足用戶對電力質量和可靠性的要求；從大電網側來看，微電網和電網中發電機或負荷一樣，是一個模塊化的整體。

3 微電網規劃體系

3.1 微電網孤島規劃

Joydeep Mitra等人[27-30]研究了微電網中分布式電源的選址定容優化問題，在約束條件中加入可靠性指標約束，采用智能算法實現了分布式電源位置和容量的優化。文獻[31]介紹了AHP方法在孤島微電網規劃中的應用，如確定微電網的結構、微電網中分布式電源的組合、切負荷位置等。文獻[32]以加拿大Ontario地區的一個電網為案例，考慮該地區的風能和太陽能資源，從經濟性、靈敏度和環保的角度規劃微電網。Hiroshi Asano等人[19，21]探討了確定微電網中各種設備數目和容量的方法，分析了基于CHP的微電網的能量優化，并探討了微電網的經濟可行性以及作為快速備用的可行性。文獻[33]研究了含分布式電源的孤立系統的電網規劃方法，建立了分布式電源的經濟模型。

國外已經開展了大量微電網自身規劃的研究工作，對分布式電源的選址定容、微電網容量的確定，以及考慮經濟性、可靠性和環境效益的規劃方法等都進行了深入的研究，并取得了一定的成果。而我國對微電網的研究還處于起步階段，目前的研究主要體現在對孤立系統中分布式電源的規劃上，還沒有形成系統的研究體系。

3.2 微電網并網規劃

文獻[34]探討了微電網接入配電網的不同網絡結構，并對其進行可靠性和經濟性分析，得出微電網的接入可以提高系統可靠性和簡化配電網結構的結論。文獻[35]分析了微電網接入對配電網可靠性、電能質量以及擴展規劃等的影響，并提出了微電網的設計理念。國外目前對微電網接入配電網的研究主要關注微電網的運行與控制，對規劃方面的研究還比較少，主要集中在經濟性可靠性分析以及微電網對配電網的影響探討方面。

我國對微電網接入配電網的規劃研究也還處于起步階段，主要體現在對分布式發電和儲能設備的規劃研究上。文獻[36]研究了分布式電源加入輻射型配電網后負荷電壓的變化，并對分布式電源的可選接入點及容量進行了探討。文獻[37]以網損最小化為目標對分布式電源的位置和容量進行優化。文獻[38]介紹了2種分布式發電技術，并從保證重要負荷供電的角度，研究分布式電源的規劃問題。文獻[39]考慮分布式電源的經濟性和環保效益，衡量分布式電源的并網運行價值并以此指導規劃。文獻[40]考慮了分布式電源對配電網潮流和線路負載能力的影響，對分布式電源的位置和容量進行優化，并規劃擴展網絡。文獻[41]以網損最小、分布式電源運行成本最小、分布式電源安裝容量最大為目標函數建立了計及分布式發電的配電網規劃多目標優化模型。

4 微電網規劃算法

4.1 傳統算法

傳統算法主要有傳統啟發式算法如逐步加線法、傳統數學優化算法如分支定界法和動態規劃法[27]等。傳統啟發式算法是早期求解網絡規劃問題時的常用方法，其原理簡單、求解速度快，但精度較差，并且很難考慮分布式電源的隨機性等不確定因素，在微電網規劃中應用較少；傳統數學優化算法具有嚴格的理論基礎，能夠求得規劃模型的全局最優解，但隨著網絡規劃的增大，其計算速度也呈級數降低，因此該方法主要適用于中小規模的微電網規劃。

4.2 智能算法

智能算法主要包括遺傳算法[40]、模擬退火算法[30，40]、粒子群算法[37，41]等。智能算法的思想源于生物學、物理學和人工智能領域的新發現，其優點是對不同規劃模型的適應性好且實現過程簡單，特別適用于求解非線性組合優化問題。隨著智能算法的發展，大部分智能算法都得到了改進，或多種智能算法混合使用，以彌補各個算法的缺陷，并充分發揮其優勢。

微電網規劃需要充分考慮分布式電源的不確定性，規劃模型約束條件較多，傳統算法實現起來可能比較困難，因此目前微電網的規劃研究主要采用智能算法求解。

5 微電網規劃研究展望

目前國際上對微電網規劃的研究均不完善，還有很多待研究的問題沒有涉及到或研究較少。本文認為，在微電網規劃研究中，以下幾個方面應得到足夠的重視。

1）適合多微電網接入的配電網結構研究。配電網有多種結構，而不同的配電網結構對微電網的接納能力是不同的。微電網在不同配電網結構中的滲透率水平研究極具有理論價值和工程意義。同時，微電網接入不同的配電網結構對配電網經濟性、可靠性、電能質量等的影響也不同。如何確定哪種結構適合微電網的接入是微電網規劃中很值得探討的課題。合理規劃、設計的含微電網的配電網結構能夠提高分布式電源的利用效率，提高網絡運行的經濟性、安全性和對重要負荷供電的可靠性。當前，上海交通大學、天津大學等高校正在進行相關的研究，研究表明，微電網接入相對簡單的配電網結構，例如輻射型結構，對可靠性等的提高更加顯著，并且在考慮可靠性效益、環保效益后，經濟性也有所改善。

2）微電網的等效研究。微電網通過一個公共連接點與配電網連接，在規劃過程中，微電網將作為一個整體進行規劃。微電網中同時含有負荷和分布式電源，以及一些控制設備，如何將規劃中需要的微電網特性描述出來，對其進行合理等效，是微電網并網規劃的關鍵。

3）微電網與配電網的協調規劃。在特定的配電網結構下，研究微電網最佳的接入點、容量以及加入微電網后網絡的最優布線方式。微電網接入點、容量不同，對配電網的可靠性等影響也不同；對配電網布線進行優化，可以最大限度地優化整個網絡的經濟性和可靠性，充分發揮微電網接入配電網的效能。作為微電網規劃的核心問題之一，該問題的解決是實現微電網概念在配電網中應用的最有效途徑。

4）微電網的結構研究。目前很多國家或研究機構都提出了自己認可的微電網結構，但正如微電網的定義尚未統一一樣，這些結構也存在差別。目前還沒有相關的研究使之形成系統的結構體系，這一工作的開展無疑能幫助更好地理解微電網的概念，并對后續的規劃研究，尤其是微電網的等效不無裨益。

5）微電網中DG選址定容研究。微電網中既可能包含冷/熱/電聯供微型燃氣輪機等易于控制的電源，也可能包含如風力發電、光伏發電等具有間歇性和不易控制的電源。不同DG對位置和容量的選擇有不同的要求，在進行選址定容時，需要充分考慮這些約束條件。同時，由于微電網本身具有的特點，如保證重要負荷的可持續供電、可孤島運行等，在進行DG的選址定容時，同樣需要考慮在內，根據微電網的特性確定最優的DG選址定容方案。

6）微電網規劃相關課題的研究。除了上述幾點外，對微電網評價體系的研究也是未來研究的重要方向，包括經濟性、可靠性和電能質量評價等。微電網尚未在實際中廣泛采用和驗證，其對配電網的影響還無法估計。為了保證電網的安全穩定，需要評估微電網接入配電網后的各項評價指標，并據此設立專門的微電網標準。

6 結語

微電網能夠實現分布式電源在中低壓配電網絡中的大規模接入，提供了一種充分利用分布式發電單元的理念和方法，是發揮分布式發電供能系統效能的最有效方式。目前微電網規劃在我國的研究還處于起步階段，還存在很多待研究和解決的問題，如微電網負荷預測、適合微電網接入的配電網結構等。本文介紹了微電網的概念和結構，概述了微電網規劃的體系和算法，并重點分析了微電網規劃中待研究的問題，為未來相關課題的研究奠定了基礎。

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