微電網技術現狀及未來發展分析

李獻偉，李保恩，王 鵬

（許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

為協調大電網與分布式發電間的矛盾，最大程度發掘分布式發電在經濟、能源和環境中的優勢，學者們提出了微電網的概念。微電網是指由分布式發電、負荷、儲能裝置及控制裝置等組成的發電系統，是能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，既可以與大電網并網運行，也可以孤立運行。

1 微電網概述

1.1 微電網出現的背景

首先，電網規模日益擴大，受端電網對外來電力的依賴程度也不斷提高，超大規模電力系統難以滿足用戶越來越高的可靠性要求以及多樣化的供電需求。近年來世界范圍內的各種大規模停電事故也充分暴露了目前電力系統的脆弱性。電力專家也提出了在受端電網和負荷中心建設一定容量的發電廠，以減少大功率輸送和轉移，減少輸配電損耗，支撐本地電網，增強系統穩定性。

其次，以化石能源為主的能源結構給環保帶來了沉重的壓力，以光伏發電、風力發電為代表的可再生能源在發達國家如德國、日本、美國甚至包括一些發展中國家都開展了研究并進行示范應用，它們通過先進分布式發電技術（Distributed Generation），接入配電網進行供電，也形象的被稱作分散式發電（Dispersed Generation）或嵌入式發電（Embedded Generation）。同時儲能技術（Distributed Storage）在電力系統中得到逐步應用，用于儲存分布式電源的多余的能量，包括化學儲能、超級電容器及飛輪儲能等。

1.2 微電網的提出

分布式發電具有不可控性和隨機波動性，其高滲透率對電力系統的穩定性有負面影響。另外鑒于目前變流器設備質量參差不齊，各國對分布式電源的并網要求相對還比較嚴格，分布式電源的使用效率逐年衰減，脫網時間對于其投資回報率有直接的關系（目前對分布式電源的并網標準規定：當電力系統發生故障時，分布式電源必須馬上退出運行）。為了協調大電網與分布式發電間的矛盾，充分挖掘分布式發電為電網和用戶帶來的價值和效益，電力學者提出了一種能發揮DG潛能的組織形式——微電網（Micro Grid）。

微電網可整合分布式發電的優勢，削弱分布式發電對電網的沖擊和負面影響。它遵循電網規則，可作為可調度的負荷或電源，同時微電網可進入獨立運行狀態，保證微型電網內重要負荷和敏感負荷的供電安全性。另外，微型電網能提供優良的電能質量和其他輔助性服務，如電壓支撐、向外饋送電能甚至提供黑啟動能力。

電力系統的發展將會是由集中式與分布式發電系統有機結合的供能系統，其主要框架結構是由集中式發電和遠距離輸電骨干網、地區輸配電網、以微電網為核心的分布式發電系統相結合的統一體，能夠節省投資、降低能耗、提高能效、提高電力系統的可靠性、靈活性和供電質量，這已經成為21世紀電力工業的重要發展方向。

1.3 微電網的發展歷程

2001 年美國威斯康辛麥迪遜分校（University of Wisconsin－Madison）的 R.H.Lasseter教授首先提出了微電網的概念，隨后美國電力可靠性技術解決方案協會（全稱：The Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，以下簡稱CERTS）和歐盟微電網課題研究委員會（European Commission Project Micro－grids，以下簡稱ECPM）也相繼對微電網給出了定義。

R.H.Lasseter教授給出的概念是：微電網是一個由負載和微型電源組成的獨立可控系統，對當地提供電能和熱能。微電網可以被看做在電網中的一個可控單元，它可以在數秒鐘內反應來滿足外部輸配電網絡的需求。對用戶來說，微電網可以滿足他們特定的需求：增加本地供電可靠性，降低饋線損耗，保持本地電壓，通過利用余熱提供更高的能源利用效率，保證電壓降的修正或者提供不間斷電源。

CERTS給出的定義是：微電網是一種由負荷和微型電源共同組成的系統，它可同時提供電能和熱量；微電網內部的電源主要由電力電子器件負責能量的轉換，并提供必需的控制；微電網相對于外部大電網表現為單一的受控單元，并可同時滿足用戶對電能質量和供電安全等的要求。

ECPM給出的定義是：利用一次能源，使用微型電源，分為不可控、部分可控和全控三種，并可冷、熱、電三聯供，配有儲能裝置，使用電力電子裝置進行能量調節。

中國專家學者根據我國電網的實際狀況，給出了微電網的定義：微電網優先以可再生能源為能量來源，以微型燃氣輪機（Micro－Turbine）、內燃機（Gas Engine）、燃料電池（Fuel Cell）、太陽能電池（PV Panel）、風力發電機（Wind Generator）、生物質能（Biomass Energy）等為發電系統，系統容量為20 kW～10 MW；網內的用戶配電電壓等級為380 V，或者包括10.5 kV；如與外部電網進行能量交換，電壓等級由微電網的具體應用等情況而定。微電網的用電方式具有經濟環保、能源多樣、安全及可靠性高、適應電力市場發展需要、降低大型電站建設投資風險、解決邊遠地區供電困難等優點。

1.4 微電網的分類

微電網根據應用場景歸納為“并網型”和“海島獨立型”兩種類型。并網型微電網（圖1）平時與上級電網并網運行，特殊情況下也可以離網運行，離網獨立運行時可維持所有或部分重要用電負荷的供電。海島獨立型微電網（圖2）不依賴于外部電網，自身可實現內部電力、電量的平衡。

圖1 并網型微電網結構圖

圖2 海島獨立型微電網結構圖

微電網根據電網類型可分交流微電網、直流微電網和交直流混合微網。交直流混合微電網是指既含有交流母線又含有直流母線，既可以直接向交流負荷供電又可以直接向直流負荷供電的組網形式。其具有兩種類型：通過交流母線接入的混合微電網稱為“交流母線占優”，通過直流母線接入混合微電網的稱為“直流母線占優”。

2 國內外微電網研究情況

2.1 國外微電網研究情況

美國、歐盟以及日本等較早開展了微電網方面的多項基礎性研究工作，同時也建立了多個示范項目，對微電網控制策略進行實用性驗證。

2.1.1 美國方面

2002 年美國CERTS提出了較為完整的微電網概念，并在美國電力公司（全稱：American Electric Power，簡稱：AEP）資助下在俄亥俄州首府哥倫布的杜蘭技術中心（Dolan technical center）建立了一個示范工程，它包含光伏發電、微型燃氣輪機和燃料電池等微電源形式，實現了并網和離網模式之間的無縫切換以及無需高速通信實現離網條件下的電壓和頻率穩定。

另外，在此基礎上美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（全稱：Lawrence Berkeley National Laboratory，U.S.Department of Energy，簡稱：LBNL）、美國國家可再生能源實驗室（全稱：National Renewable Energy Laboratory，簡稱：NREL）、美國加州能源委員會（全稱：The California Energy Commission，簡稱：CEC）等機構都在微電網方面相繼展開了相關研究，促進了微電網的發展。

從美國角度來看，提高重要負荷的供電可靠性、滿足用戶定制的多種電能質量要求、降低成本以及實現智能化是美國微電網的發展重點。

2.1.2 歐盟方面

“歐盟科技框架計劃”（全稱為：Framework Programme，簡稱FP，例如FP5指歐盟第五框架計劃，FP7是第七框架計劃，它是歐盟成員國共同參與的重大科技研發計劃，以研究國際前沿和科技難點為主要內容。）在其第五、第六和第七科技框架計劃中都將“可再生能源和分布式發電整合”列為電力電網技術研究項目，其中第五框架計劃（即FP5）項目實現了將各種不同的分散的分布式電源連接成微電網，并實現與配電網的連接；第六框架計劃（即FP6）項目著重研究了多個微電網并人大電網的協調控制策略，能量管理方案等課題；第七框架計劃（即FP7）重點包括主動配電系統、微電網和虛擬能源市場等，強調可再生能源接人輸電網技術、新型儲能技術以及電力用戶與輸電網之間的雙向連接技術，提出了微電網的基本概念、運行特性等。

在新能源發電高速發展的驅動下，歐盟各國建立了多個微電網示范平臺，對微電網的基本運行以及整體能量管理策略進行了具體驗證。同時，ABB、西門子等大型電力公司的加盟也使得歐洲的微電網研究具有很高的實用價值。

德國卡塞爾大學的太陽能技術研究所最早建立了Demotec微電網實驗室，它結構上包括幾個小型微電網系統，并且通過上層調度控制器實現整個微電網的重構，有利于故障情況下的快速恢復，保障電壓質量和供電可靠性。

荷蘭的Continuon微電網是一個民用的微電網示范工程，主要研究并網和離網模式之間的自動切換問題，當大電網故障時，能自動切換到離網運行模式并能維持穩定運行24 h，具有黑啟動能力，系統通過上層控制器實現對蓄電池的智能充放電管理，維持微電網穩定運行。

德國曼海姆市的MVV微電網建設在居民區內，提高了居民對微電網的認知程度，并且制定微電網的運行導則，并衡量微電網的經濟效益；同時在技術層面，保證微電網內用戶的電能質量，驗證微電網的局部和中央控制策略，實現微電網的并網和離網模式切換。

丹麥的Bornholm微電網項目是歐盟唯一的中壓微電網示范平臺，主要研究微電網的黑啟動和與外電網的重新并網問題。

2.1.3 日本方面

日本基于本國的資源和負荷需求情況，在可再生能源發電方面投入了非常大的研究力量，在利用微電網整合多種可再生能源的研究方面建立了示范工程，以對理論控制方法進行實際驗證。

在微電網研究方面，日本以新能源產業技術綜合開發機構（全稱：New Energy and Industrial Technology Development Organization，簡稱：NEDO）為核心，結合高校和企業的合作，在理論研究和實用化方面均做出了重要貢獻。

在日本的微電網示范工程中，新能源的滲透率不斷提高，同時與熱電聯供設計理念相結合，以期更好地實現環境友好和能源高效利用。

另外，日本學者還提出了靈活可靠和智能能量供給系統（Flexible Reliability and Intelligent Electrical Energy Delivery System，FRIENDS），其主要思想是在配電網中加入一些靈活交流輸電系統（Flexible AC TransmissionSystems，FACTS）裝置，利用FACTS控制器快速、靈活的控制性能，實現對配電網能源結構的優化，并滿足用戶的多種電能質量需求。日本青森縣八戶市微電網系統結構。

2.2 國內微電網研究情況

2006 年我國開始把微電網技術研究相繼列入國家863計劃、973計劃專項資助研究，國內很多高校、科研院所開展相關研究，包括建立各類分布式電源及其并網運行數學模型，搭建包含分布式發電及其他供能系統的微電網仿真環境，開展了微電網運行特性分析，研究了微電網與大電網相互作用機理等。

2010 年河南鄭州財專微電網示范工程建成，它是國內首個商業運行的微電網項目，對國內后續的微電網示范工程建設具有標志性的意義。2011年國家電網公司在西安世界園藝博覽會上建設了“風光儲聯合微電網示范工程”，為中國的微電網建設起到了很好的宣傳示范效應，讓更多的人認識到分布式發電及微電網。

2014 年國家863課題示范工程“浙江溫州南麂島海島微電網示范配網工程”建成試運行，它是世界上首個建成的兆瓦級獨立型海島微電網項目，它的建成也標志著中國的微電網技術及應用已走到世界的前列。

另外，中國學者已開展直流配電網、交直流混合微電網等方面的研究，國家高技術研究發展計劃（863計劃）2015年度將“交直流混合配電網關鍵技術”、“高密度分布式能源接入交直流混合微電網關鍵技術”等列為指南項目；目前對于此種混合形式的微電網還沒完全系統、理論、科學的認識，尤其是混網的基礎理論、系統規劃、控制策略等等基本理論需要進一步研究和完善，使用交直流混合微電網的經濟效益也需要具體推論驗證。

3 國內外微電網工程應用案例

微電網概念提出后立即受到各國重視，將其視為分布式發電無縫集成到現有電力系統的重要組織方案和技術，各國都進行了相關示范工程建設，下面就典型工程案例進行分析介紹。

3.1 國外微電網研究典型工程案例

（1）美國國家能源部微電網項目

2003 年，美國國家能源部可再生能源實驗室（全稱：National Renewable Energy Laboratory ，簡 稱：NREL）資助威斯康星大學（全稱：University of Wisconsin－Madison，簡稱：UW－Madison）、橡樹嶺國家實驗室（全稱：Oak Ridge National Laboratory，簡稱：ORNL）、勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence BerkeleyNational Laboratory，簡稱：LBNL）等研究機構開展微電網研究。

威斯康星大學微電網試驗項目主要測試了微電網不同運行狀態下的多種分布式電源控制策略。從其結果來看，分布式電源控制器所需提供的這些理想功能大多仍停留在理論分析和實驗階段，未能夠得到實現和應用。

另外，美國橡樹嶺國家實驗室和勞倫斯伯克利國家實驗室則主要開展微電網能量管理系統（MGEMS）的研究，研究內容集中在MGEMS的需求、熱電匹配與建筑暖通空調系統（HVAC）管理、微電網與公共電網能量交換、內部分布式電源效率最優化、最小化環境污染等方面。

（2）圣地亞哥天然氣和電力公司微電網項目

美國圣地亞哥天然氣和電力公司（全稱：San Diego Gas ＆ Electric Company，簡稱：SDG＆E）建設的“海濱城市微型智能電網”項目，它的目標是在圣迭戈建設微電網實驗性平臺，驗證基于信息化技術和分布式電源可以有效提高設備的利用率和供電可靠性，它能夠實現在發生大規模電網故障時使電網與電站實現精確隔離，并在故障修復后精確再結合，對電力輸出幾乎不造成影響。

該項目通過協調多種分布式電源、儲能的出力，以及實行差異電價進行負荷管理，實現負荷峰值下降15%以上，降低了風電網的峰谷差。另外該項目還將驗證以下幾個方面功能：基于安全和統一系統框架的信息集成；智能量測體系（AMI）的集成；通過饋線自動化技術（FAST）實現網絡的“自愈”；停電管理系統和配電管理系統（OMS／DMS）的應用集成；面向微電網孤島用戶的分散式自動控制等。

3.2 國內微電網研究典型工程案例

3.2.1 并網型微電網工程案例

（1）河南鄭州財專微電網項目

河南鄭州財專微電網項目是2010年國家電網公司分布式發電接入唯一試點，它結合河南財政稅務高等專科學校新校區已建設的分布式分布式光伏發電項目（注：已有分布式光伏發電系統是國家財政部及住建部光電建筑一體化應用示范項目），開展微電網運行控制綜合研究及工程示范應用。

該項目結合7棟學生宿舍樓380 kW光伏發電，配置了2×100 kW／100 kW·h磷酸鐵鋰電池儲能系統，負荷包括學校4#配電區學生宿舍及食堂，設計了3路光伏發電系統、2路儲能系統及32路的低壓配電回路，并與河南省鄭州市中牟縣電力公司調度機構進行通信。

本項目針對光伏發電存在不穩定、可調度性低、對電網諧波管理的影響等一系列問題，為解決光伏發電的接入電網的問題，以分散方式構建微電網，開展最大化接納分布式發電、節能降耗、提高能效、供電可靠性、電網整體抗災能力和災后應急供電能力的研究，滿足了配電網對微電網的調度控制。

另外，該系統用電具有明顯的時段性，在學生開學期間用電負荷峰值在600 kW左右，此時光伏發電可全部就地被消納，當學生放假期間，整個系統用電負荷小于50 kW，光伏發電超過用電負荷，將有反方向的潮流流入電力配電網。

（2）西安世界園藝博覽會園微電網項目

2011 年國家電網公司建設了西安世界園藝博覽會園微電網項目，它包括利用充電站頂棚建設發電峰值容量50 kWp的光伏發電系統、6臺2 kW小型風力發電系統（總容量12 kW）和25 kW／50 kWh儲能系統等，形成了一個包括智能配電、風、光、儲、微和電動汽車充電站等多種智能電網要素結合的實際運行系統。它利用微電網的實時調度與控制實現整個系統的高效、安全運轉，借助世界園藝博覽會的窗口起到極強的示范作用和宣傳效果。

3.2.2 海島獨立型微電網工程案例

目前，我國大部分遠離大陸的獨立海島通過柴油發電機組進行供電，經濟效益低且污染高，也成為成為海島開發的最大掣肘。

海島獨立微電網的建設能夠最大程度地利用海島上豐富的太陽光和風力資源，最小程度地利用柴油發電，提供綠色電力。

（1）863示范工程南麂島獨立微電網項目

南麂島獨立型海島電網工程位于浙江省溫州市平陽縣南麂島，它是國家863課題落地示范工程，涉及的電動汽車充換電站與海島電網互動技術、海島電網智能用能技術、海島電網配電自動化控制技術、適用于海島電網高性能儲能變流器技術、海島電網電氣設備環境適應性技術進行研究和實踐，證明上述技術完全滿足獨立海島微電網、配電網一體化供電系統要求，如圖3。

圖3 南麂島獨立海島微電網接線圖

本項目包括10臺100 kW的風機，兩處分布式光伏發電（其中一處550 kWp，一處110 kWp），儲能系統包括6套500 kW儲能變流器PCS、4套500 kW×2 h鋰電池以及2套500 kWx15 s超級電容，柴油發電機組包括已有1 200 kW（4×300 kW）、新增500 kW，形成了分布式電能源互補發電的獨立型雙子網結構供電系統。

（2）珠海東澳海島智能微電網項目

東澳島海島微電網是由國家能源局同意，廣東省發改委批復的重點項目，通過實施該示范項目，將統籌風電、太陽能光伏、儲能等多種可再生能源，構建滿足客戶需求的發、輸、配、用一體化智能微電網系統，最終實現實現桂山島、東澳島和大萬山島三個海島微網與珠海大陸電網聯網，將徹底解決海島供電的難題，為海島未來發展提供能源保障，促進萬山區經濟社會發展。

如圖4所示，本項目包括6臺1 000 kW柴油發電機組，4臺750 kW風力發電機組，光伏發電578.48 kWp，儲能系統包括2套250 kW儲能變流器，500 kW×6 h的儲能電池，重點開展750 kW風機在微電網平滑處理控制，實現大型風機海島獨立微電網中的應用。

4 微電網研究發展趨勢

目前，微電網作為一個新型電力系統，無論是其運行與設計中的安全性、經濟性和可靠性問題，還是對傳統電力系統的影響，都值得電力工作者和研究人員展開廣泛、深入地研究。

目前，國外可再生能源（如風力發電）的發電成本可與常規能源形成競爭，尤其在峰荷電價較高時更具優勢，而我國多數可再生能源分布式發電成本還偏高，無法與集中式電站規模發電形成競爭。筆者結合自身經驗建議以下幾個方面進行重點研究，全面提高微電網的運行水平，實現分布式發電的接入規模及運行時間雙提高。

（1）微電網運行性能優劣的關鍵在于微電網的規劃設計，即根據負荷結構和需求量。合理地確定電源的類型及容量，使能源的購買、應用、轉換達到最優的利用。因此對各類電源的投資及運行成本進行準確評估，建立負荷冷、熱、電數學模型，開發適用于多類型電源及負荷的微電網規劃模型及算法都是亟待解決的問題。

（2）能量平衡控制是微電網設計與運行中最根本的問題。微電源具有獨立性、多樣性及輸出功率隨機波動性等特點，在運行中應根據氣象條件和負荷預測結果提前制定微電源發電計劃和電網購電計劃，保證微電網在并網運行和獨立運行兩種模式下都能維持功率平衡，并使微電網總體運行成本最小，實現經濟運行。

（3）微電網的故障與保護。微電網中電源與負荷電氣距離較近，并且網絡結構、電源特性及電壓等級上的差異使得微電網故障電流的大小、方向及持續時間與傳統閉式輸電網和輻射型配電網的情形存在較大差別，如何確定微電網中保護裝置的整定值還需進行廣泛地印證。此外，對微電源的等值模型、快速故障檢測方法、微電網暫態過程等一系列問題也需進行深入研究。

圖4 珠海東澳島獨立海島微電網接線圖

（4）建立能夠對微電網實現全面監視、控制和調度的能量管理系統，實現數據采集與通信、編制運行計劃、接收市場報價、監視網絡安全等。

（5）微電網中含有高比例的直流電源和電力電子器件，且微電網負荷數量有限，可能存在不對稱負荷，這些將導致諧波畸變、電壓閃變、電壓不對稱等一系列電能質量問題。傳統電網的電能質量檢測及控制裝置應用到微電網中需要如何改進、含有功率調節系統（Power Conditioning System，PCS）的電源如何維持電壓與頻率的穩定等都需要廣泛和深入地研究。

另外，目前我國還沒有建立可再生能源消費的穩定市場，缺乏需求激勵和投資市場激勵，微電網建設成本偏高，推廣速度不快；因此，微電網的發展除了需要在技術上的積極探索，還需在能源政策、并網標準等多方面同時推進。

5 結束語

與傳統的集中式能源系統相比，以新能源為主的分布式電源向負荷供電，不需要建設大電網進行遠距離高壓輸電，可以大大減少線損，節省輸配電建設投資，又可與大電網集中供電相互補充，是綜合利用現有資源和設備、為用戶提供可靠和優質電能的理想方式。

由于兼具發電、供熱、制冷等多種服務功能，微電網可以有效地實現能源的階梯利用，達到更高的能源綜合利用效率，同時可以提高電網的安全性。微電網技術順應了我國大力促進可再生能源發電走可持續發展道路的要求，因此對其進行深入研究具有重要意義。

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