楊 柳 袁 志 張曉冬 曹 敦

四川省電力公司超（特）高壓運行檢修公司 四川 成都 610041

隨著傳統(tǒng)能源供給的不斷緊張，環(huán)保壓力的不斷增大和電力市場對電能質(zhì)量和供電可靠性要求的不斷提高，人們開始對傳統(tǒng)發(fā)電模式進行反思，并對分布式發(fā)電技術（Distributed Generation，DG）進行了重新認識。DG就是將發(fā)電設備安裝在配電網(wǎng)絡或者用戶側(cè)的發(fā)電技術［1］。因其相對于傳統(tǒng)發(fā)電技術在提高系統(tǒng)穩(wěn)定和電能質(zhì)量方面的潛在價值而受到了越來越多的關注。并結(jié)合能源利用率等方面的考慮，人們還由DG進一步引申出分布式供能（DERs）的概念。

DERs就是把太陽能發(fā)電設備、小型風力發(fā)電機和其它形式的可再生能源發(fā)電裝置（如地熱能和生物質(zhì)能）、熱電存儲設備以及可控負荷同采用熱電聯(lián)產(chǎn)技術（CHP）的DG結(jié)合起來為用戶提供電能和熱能的產(chǎn)能技術。從環(huán)境保護的角度來看，由于DERs廣泛采用了各種提高能源利用率的新技術、新概念，以及突出對可再生能源的利用，它對降低有害氣體排放具有明顯的意義。分布式功能系統(tǒng)緊鄰負荷區(qū)，可運用往復式電機、微型燃氣輪機和燃料電池通過CHP的形式同時向用戶提供電能和熱能服務，在提高能源利用率方面具有傳統(tǒng)火電廠無法企及的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的火力發(fā)電能源利用率在33%左右，一般CHP的效率在60%左右。而美國UPC（United Power Company）開發(fā)出的冷熱電聯(lián)產(chǎn)（CCHP）裝置PureComfort能將能源利用率提高到90%，功率達到了500kW。歐盟計劃將可再生能源的發(fā)電量在2030年從現(xiàn)在的13%提高到26%。從電能安全性角度看，由于分布式供能技術靠近負荷，它可以顯著提高相關用戶對電能質(zhì)量和可靠性的要求。此外，在降低輸電線路損耗，減緩系統(tǒng)的擴建等方面也具有潛在價值。

盡管DERs具有如此多的優(yōu)點，但是由于它所涉及的發(fā)電設備容量?。?kW～10MW）、數(shù)量多，慣性時間常數(shù)小，以及廣泛使用儲能元件等特點，傳統(tǒng)的DERs已暴露出許多不足之處。當這些基于電力電子技術的分布式發(fā)電設備接入電網(wǎng)的數(shù)目達到一定程度時，它們會對電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定產(chǎn)生不良影響。另外，根據(jù)IEEE1547標準，當主網(wǎng)發(fā)生故障時分布式電源要與主網(wǎng)隔離。因此，受這些因素的限制，DG和DERs難以發(fā)揮它們的潛在價值。為此，針對上述問題，國外專家提出了微電網(wǎng)這一概念。

本文首先介紹了微電網(wǎng)的基本概念，然后針對微電網(wǎng)的具體特點，闡述了微電網(wǎng)關鍵技術的研究進展。最后，通過對比微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)的特點，說明了微電網(wǎng)在實現(xiàn)智能電網(wǎng)中的特殊意義。

1 微電網(wǎng)的概念

微電網(wǎng)這一概念的提出還不到十年，并且由于各個國家和地區(qū)在闡述微電網(wǎng)這一概念之時，都是著眼于本地區(qū)電力系統(tǒng)特點、能源結(jié)構(gòu)和社會條件等諸多因素，所以目前對微電網(wǎng)還沒有統(tǒng)一的定義。但一般來講，微電網(wǎng)就是在配網(wǎng)中接入大量的分布式發(fā)電設備如微型燃氣輪機、風能發(fā)電機、燃料電池和太陽能電池板等，同時還包含儲能元件如超級電容、電池和飛輪等，以及負荷來構(gòu)成一個可控的整體。盡管國內(nèi)外對微電網(wǎng)還沒有形成統(tǒng)一的定義，但他們都認為微電網(wǎng)是建立在DG和DERs基礎上的微型電力系統(tǒng)，其共同特點是：

1）處于低壓側(cè)（加拿大的微電網(wǎng)包括了位于中壓側(cè)的情況），向用戶同時提供電能和熱能服務；

2）大量的分布式電源或分布式功能系統(tǒng)分布在用戶區(qū)，他們都通過共同的公共連接端口（Point of Common Coupling，PCC）與電網(wǎng)連接；

3）微電網(wǎng)可以按照相關協(xié)議接受調(diào)度員調(diào)度。但在微電網(wǎng)內(nèi)部，可通過統(tǒng)一的內(nèi)部控制中心協(xié)調(diào)和控制發(fā)電設備、儲能元件和負荷的運行；

4）配備能量管理系統(tǒng)，應用大量的電力電子元件進行控制，以解決潮流和保護問題；

5）可以并網(wǎng)作為一個有源負荷運行，也能夠在系統(tǒng)需要時與之隔離，實現(xiàn)獨立運行，并繼續(xù)對重要負荷提供能量。在主網(wǎng)故障解除后，能夠?qū)崿F(xiàn)無縫再連接；

6）維護簡單，具有“即插即用（plug and play，p&p）”的功能?！凹床寮从谩敝傅氖俏㈦娫纯梢愿鶕?jù)需要在不改變已有控制和保護方案的基礎上，在微電網(wǎng)的任意位置接入電網(wǎng)。

對于系統(tǒng)而言，微電網(wǎng)可以被看成是一個有許多負荷和電源所組成的可控單元。它可作為一個微型電源，也可以為主網(wǎng)提供輔助支撐，如緩解用電高峰時的負荷壓力。對用戶而言，微電網(wǎng)類似于傳統(tǒng)的低壓配網(wǎng)，并能同時提供熱能和電能服務。另外，用戶也可以作為電力市場的參與者，在自身用電較少時，可以將電能賣給電力公司，從而推動電力供應市場化。

基于上述特點，美國、歐盟等地的學者根據(jù)本地區(qū)實際情況給出了不同的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，但兩者在整體結(jié)構(gòu)和大致功能上都非常為相近。下面以美國電力系統(tǒng)可靠性技術解決方案協(xié)會（CERTS）的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)（如圖1）為例來闡述相關概念。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

微電網(wǎng)通過PCC和主網(wǎng)連接起來。圖示微電網(wǎng)包含4條饋線A、B、C和D，在節(jié)點1、2、3、4、5和6處安裝有電源。4條饋線中，除D以外的另外三條饋線都需要對重要負荷供電。在正常運行時，靜態(tài)開關（Static Switch，SS）閉合，系統(tǒng)與饋線A、B和C的電源和負荷等發(fā)生能量交換。當主網(wǎng)發(fā)生電壓跌落或擾動等情況時，靜態(tài)開關SS在半個周期內(nèi)將微電網(wǎng)和主網(wǎng)隔離，而微電網(wǎng)繼續(xù)對饋線A、B和C上的重要負荷供電，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。在整個過程中，饋線D始終與主網(wǎng)連接。

2 微電網(wǎng)控制與保護

2.1 微電網(wǎng)控制

微電網(wǎng)含有大量的分布式電源，如果采用傳統(tǒng)電網(wǎng)集中控制的方法，這必定會增加線路的通信負擔，并導致微電網(wǎng)建設成本升高。因此，微電網(wǎng)必須采用分布式控制策略，以達到根據(jù)本地信息對設備進行準確控制的目的。而微電網(wǎng)中通信的主要目的在于通過獲取各個節(jié)點的穩(wěn)態(tài)功率和電壓值來達到優(yōu)化潮流的目的。在有限的通信條件下，當把系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行控制和滿足用戶對電能質(zhì)量等方面的不同需求的控制以及系統(tǒng)的經(jīng)濟優(yōu)化運行控制結(jié)合在一起考慮時，微電網(wǎng)的有功、無功、潮流和網(wǎng)絡電壓分布的控制將變得更加復雜。另外，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)的發(fā)電設備具有旋轉(zhuǎn)慣量，它對保持傳統(tǒng)電網(wǎng)的穩(wěn)定運行具有十分重要的作用。但由于微電網(wǎng)中大量的發(fā)電設備因為采用了電力電子技術而導致設備自身的慣性常數(shù)變得非常小，這使得微電網(wǎng)的控制技術呈現(xiàn)出復雜而又靈活等特性。

當微電網(wǎng)從并網(wǎng)運行變換為孤立運行時，微電源的輸出和負荷需求的不一致可能導致頻率和電壓問題。儲能技術，例如電池、超級電容和飛輪將成為確保微電網(wǎng)在遭受故障時保證穩(wěn)定運行的必需元件。因此，控制這些大量不同特性的復雜元件的穩(wěn)定、經(jīng)濟運行是實現(xiàn)微電網(wǎng)的關鍵之一。

1）微電網(wǎng)的控制結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)不僅結(jié)構(gòu)相當復雜，并且為了實現(xiàn)不同的用戶的靈活需求、分布式電源的“即插即用”功能和實現(xiàn)分布式電源能夠參與市場競爭，微電網(wǎng)的運行控制必須具有一定程度的人工智能特征。圖2是微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。其中DNO（Distribution Network Operator） 和 MO （Market Operator）位于負荷側(cè)，它們分別負責中低壓網(wǎng)絡的線路運行和市場調(diào)度。相對于微電網(wǎng)，它們代表著主網(wǎng)，并通過實現(xiàn)微電網(wǎng)優(yōu)化功能的MGCC（MicroGrid Central Controller）和微電網(wǎng)聯(lián)系起來。微電網(wǎng)內(nèi)部則通過LC（Local Controller）實現(xiàn)對分布式電源、儲能元件和負荷的具體控制。LC具有一定的自主決策的能力，因此它不需要通過和其它LC和MGCC的信息交互即可根據(jù)當?shù)厍闆r做出反應，這樣就實現(xiàn)了各個元件具有自主運行能力。而在市場環(huán)境下，通過LC、MGCC及DNO／MO間的通信和相應算法來實現(xiàn)微電網(wǎng)各元件的優(yōu)化、經(jīng)濟運行。

多Agent系統(tǒng)以其自治性、可通信性、反應能力和自發(fā)行為等特點［2］，正好能滿足微電網(wǎng)對實現(xiàn)智能控制的需求。

圖2 微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

2）微電網(wǎng)元件的控制

這一層控制處于控制結(jié)構(gòu)的最低層（LC），LC的實現(xiàn)要廣泛應用電力電子技術。電力電子變換器的控制策略廣泛采用PQ控制和VSI控制。采用PQ控制的電源會根據(jù)調(diào)度端或者當?shù)仡A先設定值向系統(tǒng)輸送恒定的有功和無功，但它們并不參與電壓和頻率的調(diào)節(jié)。而采用VSI控制則能在系統(tǒng)發(fā)生擾動時只需要根據(jù)本地所采取的電壓和電流信號利用“f-P特性曲線”來根據(jù)微電網(wǎng)的運行狀態(tài)切換所引起的頻率變化來分配功率。但是VSI控制需要運用于同儲能元件相關連的電力電子變換器上。所以，LC的實現(xiàn)要采用PQ和VSI兩種控制模式。當微電網(wǎng)孤立運行時，VSI的控制方案有兩種：

（1）單主控運行（SingleMasterOperation（SMO））：

只有一個電力電子變換器采用VSI控制策略，其余采用PQ控制策略。但這種運行方式的不足之處是當作為主控的元件因故障被切除時將影響系統(tǒng)運行，不能滿“元件對等”和“即插即用”的理念?！霸Φ取敝傅氖俏㈦娋W(wǎng)中的任意一個元件退出運行都不會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（2）多主控運行（MultiMasterOperation （MMO））：

兩個及其以上的電力電子變換器采用VSI控制策略。

由于配電網(wǎng)輸電線路和高壓輸電線路參數(shù)上的差異，若將高壓網(wǎng)絡基于“f-P特性曲線”的控制方法直接應用到微電網(wǎng)中，可能導致控制失靈。

圖3 修正后的有功和無功特性特性曲線

綜合考慮PQ和VSI控制策略的特點對微電網(wǎng)的控制具有重要意義。

2.2 保護策略

保護策略在微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行中也發(fā)揮著重要作用。微電網(wǎng)的保護由兩個環(huán)節(jié)構(gòu)成：靜態(tài)開關動作環(huán)節(jié)和微電網(wǎng)內(nèi)部保護動作環(huán)節(jié)。當主網(wǎng)發(fā)生故障時，靜態(tài)開關自動檢測故障并將微電網(wǎng)和主網(wǎng)隔離。而微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時則需要內(nèi)部保護動作來完成對系統(tǒng)的保護。

微電網(wǎng)相對于傳統(tǒng)分布式發(fā)電技術的兩大特點就是實現(xiàn)了網(wǎng)內(nèi)微型電源的“即插即用（plug&play）”和微電網(wǎng)自身的“隔離自主運行”，而它們對微電網(wǎng)的保護策略都會產(chǎn)生影響?！包c對點”的概念使得微電網(wǎng)保護不需涉及系統(tǒng)中的通信，“即插即用”的概念使得任意微型電源和負荷可以在任何一點接入系統(tǒng)而不需要對微電網(wǎng)保護系統(tǒng)進行重新改造。這兩個概念就要求微電網(wǎng)的保護需要安裝在每個微型電源處。同時，微電網(wǎng)的每一饋線潮流的雙向流動也為微電網(wǎng)保護設計帶來了難度。

而為了保護微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，微電網(wǎng)的靜態(tài)開關需要在1/2～2個周波內(nèi)將微電網(wǎng)和系統(tǒng)隔離開來。這就需要微電網(wǎng)保護策略能同時滿足并網(wǎng)運行和隔離自主運行兩種運行模式。因為微型電源大多采用電力電子變換器來和配電網(wǎng)絡連接，這使得線路的故障電流就被限制在2倍額定電流以內(nèi)，所以傳統(tǒng)的過流保護將難以發(fā)揮實質(zhì)性作用。但通過對電力電子變換器的調(diào)整可以滿足過流保護對故障電流的要求，不足之處是成本太高。

盡管在目前國內(nèi)外學者在微電網(wǎng)保護方面已作了大量的研究工作，并取得了許多成果。但是，由于微電網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)的復雜性和特殊性，還有許多問題需要做進一步研究。比如，微電網(wǎng)中采用傳統(tǒng)的發(fā)電機時，發(fā)電機輸出電流將可能超過2倍額定電流，此時的不同類型發(fā)電機保護間的配合問題還有待研究。另外，系統(tǒng)運行方式改變和更多的微型電源接入微電網(wǎng)等對保護策略的影響還有待作深入研究。

3 微電網(wǎng)技術對智能電網(wǎng)的意義

針對電力系統(tǒng)在新世紀面臨的分布式電源并網(wǎng)、電網(wǎng)利用系數(shù)低以及數(shù)字化技術的廣泛應用等諸多挑戰(zhàn)，北美和歐洲提出智能電網(wǎng)的概念（SmartGrids），并展開了相關的研究工作。智能電網(wǎng)作為一個全新的技術理念，它整合了最新的數(shù)字和信息技術以提高輸電網(wǎng)絡的現(xiàn)代化，智能電網(wǎng)的重要功能包括［3］：

1）促使用戶成為電能市場的積極參與者；

2）能夠根據(jù)情況在發(fā)電和儲能之間做出合理的協(xié)調(diào)；

3）促使新的電力產(chǎn)品、服務和市場的形成；

4）優(yōu)化設備的利用率和提高運行效率；

5）在系統(tǒng)發(fā)生擾動之時能積極響應，并且良好的自愈能力；

6）提高系統(tǒng)應對網(wǎng)絡攻擊和自然災害的魯棒性；

7）根據(jù)用戶情況的不同，能靈活地提供不同電能質(zhì)量的電力供應；

智能電網(wǎng)的核心是實現(xiàn)對電網(wǎng)運行的快速響應，提高與分布式能源的兼容能力，從而提高整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性、可靠性和安全性。

智能電網(wǎng)的重要特點就是能協(xié)調(diào)系統(tǒng)中的發(fā)電設備和儲能裝置的運行，支持高比重的分布式電源，以提高系統(tǒng)的可靠性和運行效率。如，通過先進的控制技術可以利用分布式電源來優(yōu)化系統(tǒng)運行方式，而在系統(tǒng)發(fā)生重大故障時可利用它們進行局部供電。

未來智能電網(wǎng)有大量的分布式電源并于中壓或低壓配電網(wǎng)上運行，將徹底改變傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)單向潮流的特點，要求系統(tǒng)使用新的保護策略、新的頻率和電壓控制技術來滿足雙向的潮流流動。若能把這些分布式電源成功無縫地集成到電網(wǎng)中并協(xié)調(diào)運行，將帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。

現(xiàn)在研究和實踐已表明，將分布式發(fā)電供能系統(tǒng)以微電網(wǎng)的形式接入到大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，與大電網(wǎng)互為支撐，是發(fā)揮分布式發(fā)電供能系統(tǒng)效能的最有效方式。

微電網(wǎng)技術經(jīng)過近十年的發(fā)展，以其在節(jié)能、環(huán)保和在提高傳統(tǒng)電網(wǎng)可靠性和電能質(zhì)量的方面存在的巨大潛力而得到了許多發(fā)達國家政府和專家的重視。美國能源部未來將提供5500萬美金用于建立新的微電網(wǎng)研究項目，加上地方政府和其它研究機構(gòu)的投資，總金額超過了一億美金。并且將微電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)這一概念的支撐，微電網(wǎng)技術煥發(fā)出全新的活力。為了應對未來電力市場的挑戰(zhàn)，提高電網(wǎng)效率和達到更好的經(jīng)濟效益，歐盟也于2005年啟動了智能電網(wǎng)的研究計劃，并且也明確提出微電網(wǎng)是是實現(xiàn)智能電網(wǎng)不可缺少的部分。微電網(wǎng)的重要功能包括：

1）促使用戶成為電力市場的積極參與者；

2）能提高能源利用率，并廣泛采用可再生能源，減輕了對環(huán)境的影響；

3）提高系統(tǒng)的效率，推遲系統(tǒng)擴建時間；

4）提高電能質(zhì)量；

5）提高電力系統(tǒng)的安全性和魯棒性；

6）因處于用戶側(cè)，可以根據(jù)用戶的不同需求，

提供不同電能質(zhì)量的電力供應；

通過對比智能電網(wǎng)所要實現(xiàn)的功能和微電網(wǎng)的功能，可以發(fā)現(xiàn)微電網(wǎng)在推進電力系統(tǒng)市場化，減排節(jié)能，提高系統(tǒng)安全和供電質(zhì)量等方面與智能電網(wǎng)不謀而合。因此，微電網(wǎng)的研究與發(fā)展和智能電網(wǎng)的實現(xiàn)是緊密接合在一起的，發(fā)展微電網(wǎng)對智能電網(wǎng)有非常重要的意義。

4 結(jié)束語

隨著對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的逐步實施，以及用戶對電能質(zhì)量和供電可靠性要求的不斷提高。節(jié)能、環(huán)保的分布式發(fā)電技術在國內(nèi)外得到了廣泛研究和應用。針對大量分布式電源接入電網(wǎng)時因為難以控制等原因?qū)е碌目刂坪捅Ｗo問題，以及為了進一步挖掘分布式發(fā)電技術的潛力，國外學者提出了微電網(wǎng)這一概念。微電網(wǎng)技術近年來在歐美日等發(fā)達國家得到了快速發(fā)展，并逐漸得到國內(nèi)學者的重視。目前，隨著智能電網(wǎng)這一概念在歐美的興起，微電網(wǎng)以其節(jié)能、環(huán)保以及供電靈活等特性被視為實現(xiàn)智能電網(wǎng)的有力支撐。國內(nèi)許多電力公司和科研單位都開始瞄準國際電力技術發(fā)展趨勢，并著手對微電網(wǎng)技術展開研究［4］［5］。 《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》中明確提出要大力開展“可再生能源低成本規(guī)?；_發(fā)利用”以及“間歇式電源并網(wǎng)及輸配技術”?？梢韵嘈?，隨著我國能源戰(zhàn)略的調(diào)整，節(jié)能環(huán)保的微電網(wǎng)技術將在實現(xiàn)智能電網(wǎng)的過程中發(fā)揮巨大作用。

［1］Thomas Ackermann a，Go¨ran Andersson b，Lennart So¨der.Distributed generation：a definition ［J］.Electric Power Systems Research，57 （2001） ：195-204.

［2］盛萬興，楊旭升.多Agent系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)中的應用［M］.北京：中國電力出版社，2007：18-25.

［3］余貽鑫，欒文鵬.智能電網(wǎng)［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2009，25（01）：7-11.

［4］帥軍慶.瞄準世界前沿建設智能電網(wǎng)［J］.國家電網(wǎng)，2008，（02）：54-57.

［5］王成山，王守相.分布式發(fā)電供能系統(tǒng)若干問題［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32（20）：1-5.