新基建融合微電網研究綜述及技術特點分析

劉志豪

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

1 微電網定義和解讀

微電網系統是一個集發、輸、變、配、用電于一體的，將分布式電源、負荷、儲能裝置以及監控保護裝置有機整合在一起的電力系統[1]。微電網具備先進的運行控制和能量管理技術，可快速實現并網或孤島運行，提高供電可靠性和電能質量[2]。

分布式電源的種類不同、機理不同、要求不同，且數量眾多、接入分散復雜的，微電網作為大電網和多種分布式電源的緩沖區和減震器，可減少大規模分布式電源接入對電網造成的沖擊，增加分布式電源的滲透率，豐富主動配電網新業態[3-4]。

1.1 型微源廣

微電網電壓等級一般在10 kV以下，系統規模一般在兆瓦級及以下，但可接入不同種類的分布式能源和儲能裝置，并直接與能源終端用戶相連，實現多能源融合、多能流匯集、多場景應用，且能量就地利用消納。

1.2 綠色節能

微電網內部分布式電源以清潔能源為主，或以冷熱電聯產等能源綜合利用形式為目標的發電和能源融合系統，實現清潔能源的高效利用和就地消納。

1.3 自治自愈

微電網內部電力電量可以實現全部或部分自平衡，無論是外部大電網發生故障，還是微電網內部發生故障，都可以快速切換運行方式保障電能的優質可靠供應和微電網安全穩定運行。

1.4 智能友好

微電網采用先進的信息傳輸技術，并大量使用各類傳感器和就地監控裝置，可實現微電網所有相連設備、負荷、電網的運行狀態全面監控、底層信息全面感知、數據分析全面覆蓋，不斷完善微電網的智能需求。微電網自身的源- 網- 荷- 儲- 車協調控制能力和多能源管控能力使得各種能源、各種連接設備實現友好接入和電網側、微電網側、終端用戶側的友好融合[5]。

2 融合新基建微電網應用

隨著世界經濟的迅速發展，對能源的需求急劇增加，新能源的利用成為趨勢。但是由于受到氣候條件變化的影響，風電、光伏等新能源發電表現出波動性、間歇性、隨機性等特點，對接入電網的穩定安全運行造成極大影響。為解決新能源難控制、難調度、難預測的問題，提出微電網系統的大規模應用，可以實現削峰填谷，平衡電力負荷，提高供電可靠性，改善電能質量，很大程度克服了新能源發電的缺點。在滿足對電能質量和供電安全要求的同時,可減少大量分布式電源滲入對電力系統的影響，具有較高的靈活性和可調度性。

微電網系統便于快速部署、安裝應用，建設、運營成本低，并可模塊化設計，拓展能力強。為供電難度大、對電能質量要求高的項目或企業，提供可靠供電保障、改善電能質量、節能減排、降低成本。可以解決公網接入成本高、效率低的問題，降低柴油發電機使用，減少油耗及環境污染，還能靈活可靠的針對客戶改變運行策略，改善供電電能質量。

微電網的即插即用和互聯互通是未來能源的發展趨勢，是“新基建”的重要載體和著力點，以5G、物聯網、工業互聯網、衛星互聯網為代表的通信網絡基礎設施，以人工智能、云計算、區塊鏈等為代表的新技術基礎設施，以數據中心、智能計算中心為代表的數據算力基礎設施，應用互聯網、大數據、人工智能等技術，可促使和支撐微電網整體基礎設施升級轉型，并與微電網構架組合，進而形成電力及信息的多維度和多尺度的智能微電網融合基礎設施，打造可廣泛參與的新型能源智能交互生態系統，為能源綜合利用創造巨大的發展空間，成為新基建發展的沃土。

建設融合新基建的微電網生態，提高清潔能源利用效率，改善能源結構，同時利用多能流協同控制技術實現微網內削峰填谷、能源優化調度、負荷平衡、多能互補，實現區域電網的“高彈性”，并充分利用邊緣計算等大數據信息處理技術，為智慧微電網系統控制中心提供海量系統運行數據的算力支撐。

3 融合新基建微電網技術特點綜合分析

3.1 多變靈活的網架結構

結合微電網能源區塊鏈公共服務平臺，可提升能源電力上下游各市場主體互信能力，支撐跨行業多層級數據協同，推動線上產業鏈金融等典型應用，面向政府、金融機構和產業鏈上下游，形成能源區塊鏈產業新格局。

在多變的網架結構下，微電網系統整體的安全穩定運行具有重要意義。各種分布式電源和新基建設施容量的合理優化配置將左右整個系統的可靠運行。分布式發電得到廣泛應用，存在大量無序接入的問題，伴隨著高滲透率微電源的聯網和大量高耗能新基建設施的并入，電網功角、電能質量、穩定運行等問題隨之而來，對微電網具有適應性的拓撲結構和運行方式提出了更高要求，為了減輕大電網穩定運行的負擔，需要對分布式能源高滲透率運行下的微電網接入配電網的安全性和可靠性提高要求和標準。

微電網依靠多源協調控制技術、綜合能量管理技術、功率預測和負荷管理，來實現微電網與配電網之間的能量互聯互通，從而實現分布式能源的高效合理利用。

多源協調控制既包含配電網中多微電網的協調控制、微電網中多微電源的協調控制，也包括多個供電單元、裝備或接口的控制，新基建將提供先進的通信信息設備和強大數據處理分析能力，提高微電網系統整體的協同監控能力。

功率預測既包括對風、光等不可控資源的電源出力預測，也包括對網內大型和重要負荷的預測，包括對新基建設施的用能分析，為微電網內的功率平衡和穩定運行提供重要參考數據，依靠計算中心的強大算力和通信設施可大大提高預測精度和速度。

微電網靠近用能終端負荷和新基建設施，通過對用戶用電習慣的掌握和引導以及大量的雙向負荷、可控負荷，實現對負荷側的能量管理，強大的負荷管理能力是微電網協調控制的重要組成部分，也是微電網靈活運行的關鍵技術組成。

微電網的供電形式是對現代智能電網的形式豐富和多維應用。微電網系統中大量先進的現代電力技術得到應用，快速的電力電子開關與先進的整流逆變技術、高效的新型電源設備及不同技術路線的儲能裝置等，并與新基建的各種先進設施融為一體，打造更加智能的微電網系統。

3.2 多樣迭代的電器類型

微電網中的電源按照接口形式大致可分為逆變器型電源和旋轉電機型電源兩類，旋轉電機型電源具備同步特性，為同步電源，例如：柴油發電機、微型燃氣輪機、小型水輪機等易于控制的同步電源；逆變器型電源本體電氣特性不具備同步特性，為非同步電源，例如光伏逆變器和儲能變流器。這些多類型電源的投切、配置容量的差異均會相互影響，從而增加了微電網穩定控制的復雜性。

微電網中分布式能源并網電力電子裝置，主要分為逆變和變流兩種變換方式、電壓源和電流源兩種控制方式。通過對不同類型能源的合理控制和協同控制，可極大提高微電網內部系統電壓、頻率和功率調節的可靠性和靈活性，并且使微電網可以靈活地選擇網內運行頻率和運行電壓以適應不同的應用場合。

憑借微電網能源工業云網平臺具備技術領先、安全可靠、開放共享等優勢，推動實現平臺內的智能制造、智慧交易、智能運維、智能監造、智慧物流等核心功能全場景應用，助力電工裝備產業鏈數字化轉型，服務實體經濟高質量發展。

不同類型微電源在不斷的技術更新和產品優化后，出現多種迭代產品和多樣技術路線，大量的入戶式單相光伏、冷熱電三聯供、電動汽車和充電樁、戶用蓄電池、小型風機等家庭式分布式微型電源、大量柔性電力電子裝置的廣泛應用進一步增加了微電網的復雜性。微電源應用形式靈活多變，BIPV及屋頂光伏、電動汽車有序充放電及V2G、智能樓宇和智能家居，微電網需要解決協調控制問題、不同發電機組并入微電網的可行性問題、微電網配置分布式電源/儲能/負荷接口標準化等問題，來滿足多種能源綜合利用需求、應用場景、響應時間的要求。

電力物聯網覆蓋電力系統各環節的，推動電網感知測控邊界向微電網內的電源側、儲能側、用戶側和供應鏈側延伸，提升對微電網內的網絡、設備、客戶泛在互聯和全息感知能力，打造精準感知、邊緣智能、共建共享、開放合作的智慧物聯體系和應用生態，可形成統一物聯管理平臺，打造輸電、變電、配電、綜合能源、供應鏈全生態智慧物聯創新應用。

廣泛聚合資源，為微電網內各類能效服務市場主體引流賦能，為客戶提供能效管理、智能運維、需求響應等能效服務，支撐商業樓宇、工業企業、園區等典型場景應用，降低能耗，促進綠色能源滲透率全面提高，提升全社會綜合綠色能效。

3.3 算力提升的綜合控制方式

微電網內應用人工智能能力開放平臺，面向微電網內安全生產、經營管理和客戶服務等場景，研發電力專用模型和算法，打造設備運維、電網調度、智能客服等智能化應用，提高微電網安全和微網內生產效率、客戶服務質量和企業精益管理水平。

傳統配電網一般呈輻射狀，在穩定運行狀況下，電壓沿饋線潮流方向逐漸降低，有功、無功負荷隨時間的變化會引起電壓波動，線路末端波動較大，如果負荷集中在系統末端附近，電壓的波動會更大。

當微電網接入傳統電網后，尤其是當微電網接入饋線末端時，由于饋線上的傳輸功率的減小以及微電源輸出的無功支持，沿饋線各負荷節點處的電壓將被抬高，總體上將有利于提升配電網的供電質量。

微電網與配電網既相互影響又相互支撐，微電網利用儲能裝置和控制保護裝置實現與配電網的聯絡功率平抑和自身網內保護的顯著優勢。在供電可靠性和電能質量方面，魯棒性強、靈活可控的微電網對配電網供電可靠性和電能質量可起到有益的支撐作用。

微電網公共耦合點(point of common coupling，PCC)點處的電壓、頻率、交換功率和功率因數由微電網負責，同時微電網參與配網電壓和頻率調整。

微電網內的源荷儲協調控制運行，當負荷變動和網側異動時，微電網自動進行調度控制，調整相應的輸出跟出，維持系統穩定運行，保證電能質量，向配電網提供穩定電壓和頻率支撐，使得微電網接入電網后對當地配電系統的安全穩定起到積極作用。

微電網設備級控制策略和方法包括：恒功率控制(PQ控制)策略、恒壓/恒頻控制(V/f控制)策略、下垂控制(Droop控制)及虛擬同步機控制(VSG控制)策略及其組合或改進策略來實現。

微電網內大量使用的電力電子接口設備單元具備信息傳遞和狀態感知能力，所在連接點所測量的電壓、電流、頻率、本體運行信息等重要運行狀態數據可以通過通信網絡進行信息交互，電力電子設備接受中央控制器的調度指令和控制命令，按照設定運行狀態工作，并實時向微電網控制中心上傳運行數據。具備電力電子接口設備的有效控制是提高微電網可靠協調控制的重要手段。

微電網系統級控制策略和控制模式主要包括：主從控制、對等控制、綜合控制。(1)主從控制。在微電網離網運行時需要一個主電源由P/Q控制模式轉換為V/f控制模式，在并網運行時又需要主電源由V/f轉換為P/Q控制模式，主電源應具備可控性，穩定微電網的電壓和頻率。采用主從控制的微電網在孤島發生時，會出現“有縫”切換，盡管使用快速電力電子開關可以縮小“縫隙”，但不能完全做到“無縫”切換，同時應注意主電源的帶載能力和負荷容量的匹配程度是否能長期支撐離網運行，主從控制需要依賴通信網絡來控制以實現能量平衡，整體對網絡可靠性要求很高。(2)對等控制。各個DG根據接入點的電壓和頻率，采用Droop控制并參與微電網離網運行時的電壓和頻率調節，采用Droop控制可以不依賴通信，但微電網在Droop控制下離網運行時屬于有差調節，如何保持電壓和頻率的持續長時間穩定是需要繼續解決的問題。(3)綜合控制。把微電網分成能量管理層、協調控制層、就地控制層的三層控制結構，依賴協調控制層的微電網控制中心(micro-grid control center，MGCC)集中管理各個分布式能源、儲能裝置、負荷，實現微電網離網能量平衡，是目前微電網普遍采用并具備商業應用的一種成熟技術模式，但分層控制依賴通信，結構復雜，且技術指標不高，存在“有縫”切換、非計劃孤島過電壓、并網合閘沖擊等問題。

微電網系統利用5G大速率、高可靠、低時延、廣連接等技術優勢，聚焦輸變電智能運維、電網精準負控和能源互聯網創新業務應用。

微電網可以依靠大數據計算中心和5G信息網絡不斷提高協調控制能力和拓展用戶信息的感知渠道，建立起網- 源- 荷- 儲良性互動機制，并通過微網內綜合能量優化、虛擬電廠技術及智能配網全面加強微網的全局優化調控手段和能力，逐步提高微電網的經濟性，實現更加安全、可靠、高效、經濟的運行。

微電網融合新基建后，在網架結構、線路保護、控制方式，用電側能量管理模式、電費結算方式等方面給配電網帶來很多新的變化。同時微電網與配電網可實現更高層次、更緊密的多維互動，帶來上級調度對用戶電力需求的預測方法、用電需求側管理方式、電能質量監管方式等的改進和升級。

3.4 多尺度及多維度互補的運行平臺

微電網系統是多種設備裝置、多種能源類型、多學科交叉、多行為關聯的相互耦合的復雜綜合能源系統。新基建設施的廣泛應用將有助于打破各種界面和壁壘，各種技術走向充分的交叉和融合。

以云平臺、企業中臺、物聯平臺、分布式數據中心等為核心的基礎平臺，提升數字化連接感知和計算處理能力。構筑微電網生產運行、經營管理、客戶服務數字化應用，打造能源互聯網數字化創新服務支撐體系。

微電網運行時存在多種運行狀態，當微電網處于聯網運行狀態時，功率可以雙向流動；在與配電網解列時，可使微電網轉為孤島運行，獨立形成閉環能源供給系統向其網內負荷供電。使得微電網具備了自治自愈特性，避免了網內的分布式電源由于非計劃孤島情況的發生而大面積脫網，提高了新能源的發電可靠性和經濟性，減小了分布式電源并網對大電網安全造成的威脅，為重要的新基建設施提供可靠的電源保障。

在微電網融合新基建設施的滲透率比較高的情況下，負荷特性以及分布電源特性，儲能系統運行特性和狀態，配電網系統特性，都對微電網的運行特性造成影響，并且越來越大，這種相互作用將直接影響到微電網內的穩定運行和電能質量。

以電力數據為核心的能源大數據中心，可加強政企聯動和產業鏈合作，接入微電網內全行業全要素的相關數據，服務政府政策制訂、社會治理、民生保障，服務能源生產、傳輸、消費上下游企業和客戶，以智慧能源支撐智慧城市建設。

融入電力大數據應用體系，可培育高價值大數據產品，開展電力經濟活動相關分析、污染防治監測、企業信用評價，電網智能規劃、設備精益運維、客戶體驗及營商環境分析等，助力微電網系統內的智慧運營。

依靠新基建設施在計算和通信方面先進技術的應用，隨著微電網對配電網系統滲透率的增加，由于微電網自身的穩定性和可靠性都會大幅提升，且優于單獨的分布式電源，即使電網大部分負荷主要由微電網承擔時，融合新基建的微電網可以持續減少電網系統和分布式能源系統的平均停電次數與停電時間，提高電網系統和分布式能源安全性和可靠性，進而提高整體系統的經濟性。

當大電網發生停電后，微電網因外部或內部故障停運進入全黑狀態后，不依靠大電網的幫助，僅通過啟動微電網內部具有黑啟動能力的微電源，進而帶動微電網內無黑啟動能力的微電源并網發電，并逐步擴大系統的恢復范圍，最終實現整個微電網的重新啟動，為新基建設施提供可靠的電力供應，并保障電能質量，且同時可為大電網的黑啟動提供電壓和頻率支撐。

4 總結

微電網承載能源流和信息流的雙重交互功能，作為未來智能電網、主動配網、物聯網業務的重要參與者和新基建背影下迅速崛起的通信信息計算機云網絡的重要載體，微電網貼近能量用戶終端，靠近數據源和負荷中心，了解社會的生產秩序和生活習慣，在進行能量流傳遞的同時，承載信息數據，分享信息資源，通過大數據中心、云計算、5G先進網絡傳輸等一大批新基建推動的基礎設施建設，使得微電網可實現能量流和信息流的雙重互聯。能源發展更智能，數據來源更豐富，信息覆蓋更廣，微電網在向新基建設施不斷深入融合的同時，將打造更加富有活力的能源- 信息- 數據于一體的多維融合網絡中心。