于 輝，欒文鵬，熊 雄

(1.國網(wǎng)上海能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，上海自由貿(mào)易試驗區(qū)李冰路251號 201203；2.天津大學(xué)，天津市南開區(qū)衛(wèi)津路92號 300072；3.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京市海淀區(qū)清河小營東路15號 100192)

2009年以來，支撐國防安全、商業(yè)運營和偏遠(yuǎn)地區(qū)供電的微電網(wǎng)工程已取得重大進(jìn)展。隨著微電網(wǎng)技術(shù)的不斷突破及其在工程試點和商業(yè)項目中的驗證，以及即插即用元器件的快速增加，其在促進(jìn)可再生能源利用、降低碳排放、解決偏遠(yuǎn)地區(qū)安全經(jīng)濟(jì)供電、提高用戶供電可靠性和特殊用戶供電質(zhì)量、參與需求側(cè)響應(yīng)、提高能源綜合利用效率，以及用于災(zāi)備等方面，將扮演越來越重要的角色[1-3]。政府激勵、常規(guī)能源日益緊張，以及可再生能源發(fā)電成本下降和技術(shù)進(jìn)步等因素，都不同程度推動了微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。Navigant咨詢公司2018年的《Q4微電網(wǎng)部署跟蹤》報告顯示，截止2018年第四季度，全球申請、規(guī)劃及正在建設(shè)或運營中的微電網(wǎng)項目總裝機(jī)容量已由2013年年底的4 148 MW增加到19 575 MW。盡管微電網(wǎng)技術(shù)前景廣闊，由于相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的缺失，嚴(yán)重滯絆了這一產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展。

微電網(wǎng)內(nèi)部電源以可再生能源發(fā)電為主，風(fēng)能、太陽能發(fā)電的不可預(yù)測性和出力的隨機(jī)性，增加了微電網(wǎng)功率控制的難度。同時，小型電源大多通過電力電子裝置接入微電網(wǎng)，微電網(wǎng)不再有大電網(wǎng)的“慣性”或“魯棒性”，多個微源的協(xié)調(diào)控制是大電網(wǎng)中沒有而微電網(wǎng)需重點解決的問題。此外，微電網(wǎng)并/離網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換、多變流器并列運行等需求，使得微電網(wǎng)的運行控制方法也與傳統(tǒng)電網(wǎng)不同。因此，有必要從確保微電網(wǎng)和大電網(wǎng)安全可靠運行，以及充分發(fā)揮分布式電源、微電網(wǎng)和大電網(wǎng)效能和價值的角度，開展微電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化需求分析及研究，推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制訂，以引導(dǎo)行業(yè)健康發(fā)展。

文中在分析微電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)以及智能電網(wǎng)區(qū)別的基礎(chǔ)上，闡析了微電網(wǎng)應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化需求；結(jié)合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織IEC和IEEE已開展相關(guān)工作，提出了今后一段時間內(nèi)微電網(wǎng)領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)化工作建議和展望。

1 微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 微電網(wǎng)及相關(guān)技術(shù)

分布式發(fā)電作為就地利用可再生能源發(fā)電的一種形式，在世界范圍內(nèi)得到快速發(fā)展。但分布式電源數(shù)量眾多且分散，電源的不同歸屬也無法保證調(diào)度指令能夠被快速、有效地執(zhí)行，在配電系統(tǒng)中直接調(diào)度和管理大量分布式電源困難很大。因此，需要一種新的控制和管理形式，以減小分布式電源直接并網(wǎng)給電網(wǎng)運行和管理帶來的問題。一個可行的方法是將分布式電源和就地負(fù)荷組成一個系統(tǒng)，如圖1所示，作為一個相對于公共電網(wǎng)而言可控的電源或負(fù)荷，即微電網(wǎng)。

圖1 微電網(wǎng)示意圖

微電網(wǎng)通常由分布式發(fā)電(如微型燃?xì)廨啓C(jī)，燃料電池，分布式光伏等)、儲能裝置(如超級電容、電池、飛輪儲能等)、負(fù)荷、控制和保護(hù)設(shè)備等組成，如圖1所示，可向用戶提供電能和熱能，并滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全的要求。

按供電制式分類，微電網(wǎng)可分為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)以及交直流混合微電網(wǎng)。按與公共電網(wǎng)的連接關(guān)系分類，微電網(wǎng)可分為并網(wǎng)型微電網(wǎng)和獨立型微電網(wǎng)。并網(wǎng)型微電網(wǎng)既可并網(wǎng)運行，也可與公共電網(wǎng)斷開連接而獨立運行；獨立型微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)沒有電氣連接，只有離網(wǎng)運行模式。

根據(jù)應(yīng)用情況，目前微電網(wǎng)主要有五種應(yīng)用模式，其中最具活力的是校園微電網(wǎng)、軍事微電網(wǎng)和偏遠(yuǎn)微電網(wǎng)。校園微電網(wǎng)主要特點是含有就地發(fā)電設(shè)施，系統(tǒng)內(nèi)存在多個負(fù)荷中心，并配有主控系統(tǒng)，系統(tǒng)規(guī)模一般從4 MW至40 MW不等。軍事微電網(wǎng)最大特點是安全性高，美國國防部已將軍事微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到了阿富汗和伊拉克的前沿陣地。偏遠(yuǎn)微電網(wǎng)主要特點是和主網(wǎng)隔離，僅以離網(wǎng)模式運行，該類微電網(wǎng)多通過集成太陽能光伏發(fā)電、分布式風(fēng)電及水力發(fā)電，以減少對柴油燃料的消耗。偏遠(yuǎn)微電網(wǎng)的應(yīng)用主體是鄉(xiāng)村，盡管鄉(xiāng)村電力系統(tǒng)一般容量較小，但數(shù)量龐大。社區(qū)/公共事業(yè)微電網(wǎng)在歐洲占領(lǐng)導(dǎo)地位，尤其是丹麥有很高的普及率，在其所有的微電網(wǎng)市場中社區(qū)/公共事業(yè)微電網(wǎng)大約占了80%。商業(yè)/工業(yè)微電網(wǎng)正在快速成熟，特別是在北美地區(qū)，但由于缺少公共標(biāo)準(zhǔn)及綜合管理政策，短期內(nèi)限制了商業(yè)微電網(wǎng)項目在全球的發(fā)展和應(yīng)用。

1.2 微電網(wǎng)典型工程

在世界范圍內(nèi)，高校、國家實驗室、公司為驗證微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備建設(shè)了微電網(wǎng)試驗和示范工程。到目前為止，微電網(wǎng)項目主要集中于驗證微電網(wǎng)在安全可持續(xù)運行、提供可接受的電能質(zhì)量、并離網(wǎng)無縫切換以及即插即用運行方面的能力。文中選擇一些項目作為典型案例，包括：希臘的Kythnos海島微電網(wǎng)[4]、美國的Hawaii Park微電網(wǎng)、中國的蒙東村莊微電網(wǎng)、挪威的Utsira海島微電網(wǎng)，以及日本仙臺NTT Facilities’ Tohoku Fukushi校園微電網(wǎng)。

表1 微電網(wǎng)工程

續(xù)表

如表1所示，在運微電網(wǎng)大多能夠不依賴公共電網(wǎng)而獨立運行，且至少包括一種可再生能源發(fā)電設(shè)備。光伏和風(fēng)力發(fā)電是微電網(wǎng)中最常見的可再生能源發(fā)電形式，同時，為提高微電網(wǎng)的安全可靠供電能力，柴油發(fā)電機(jī)和燃料電池通常被用作微電網(wǎng)內(nèi)部的可控發(fā)電設(shè)備。此外，由于可再生能源發(fā)電出力的間歇性和不可控性，微電網(wǎng)通常利用儲能設(shè)備來補(bǔ)償可再生能源發(fā)電的波動性，如蓄電池、飛輪、儲氫罐等儲能設(shè)備。

2 微電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化需求分析

微電網(wǎng)內(nèi)部包括電源和負(fù)荷，可將其看作是一個小型發(fā)用電系統(tǒng)，但微電網(wǎng)不是傳統(tǒng)電網(wǎng)的簡單縮微。微電網(wǎng)有別于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的關(guān)鍵特征包括：

(1)內(nèi)部電源以分布式電源為主，發(fā)電具有間歇性和隨機(jī)性特點，包括可再生能源發(fā)電和冷熱電三聯(lián)供；

(2)終端用戶的主動互聯(lián)；

(3)動態(tài)負(fù)荷控制系統(tǒng)的引入；

(4)電力電子元件的高密度使用，如多逆變器；

(5)多種運行模式，如并網(wǎng)、孤島、并網(wǎng)/孤島切換；

(6)與公共電網(wǎng)有唯一的電氣連接點(對于并網(wǎng)型微電網(wǎng))。

上述一個或多個特征也許單獨存在于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)而沒有導(dǎo)致問題，但是當(dāng)上述所有特征同時出現(xiàn)在微電網(wǎng)中時，產(chǎn)生了一系列新的問題，對微電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計、供需平衡、電壓和頻率控制、保護(hù)配置和整定、信息和通信等提出了更高的要求。

鑒于微電網(wǎng)獨有的特性，微電網(wǎng)不能直接應(yīng)用傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，需要專門針對微電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和方面制定標(biāo)準(zhǔn)，以滿足運行于不同場景、不同模式下的不同類型微電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化需求。這些方面包括：

-術(shù)語

-建模和仿真

-微網(wǎng)與主網(wǎng)互聯(lián)要求

-微電網(wǎng)內(nèi)的電源或用戶接入微電網(wǎng)要求

-調(diào)試驗收及一致性測試(微電網(wǎng)作為一個整體)

-規(guī)劃和設(shè)計

-保護(hù)

-監(jiān)測和控制

-微電網(wǎng)的系統(tǒng)性能，包括可靠性、電能質(zhì)量等

-運行

-微電網(wǎng)黑啟動

-與主電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行

-多個微電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)運行

-參與輔助服務(wù)

-安全要求

-微電網(wǎng)的管理，包括維護(hù)、能源的優(yōu)化管理和協(xié)調(diào)運行控制、多元復(fù)合儲能優(yōu)化控制、經(jīng)濟(jì)運行、內(nèi)部需求側(cè)管理

-信息和通信

-測試和評估

-偏遠(yuǎn)或發(fā)展中地區(qū)供電典型方案

3 微電網(wǎng)領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

為應(yīng)對前述的標(biāo)準(zhǔn)化需求和挑戰(zhàn)，國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)和美國電氣與電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已在微電網(wǎng)領(lǐng)域開展了一些活動，并組織編制了一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

IEC在微電網(wǎng)領(lǐng)域已發(fā)布2項國際標(biāo)準(zhǔn)，包括IEC TS 62898-1:2017《微電網(wǎng) 第1部分：微電網(wǎng)工程規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則》(NB/T 10148-2019)、IEC TS 62898-2:2018《微電網(wǎng) 第2部分：微電網(wǎng)運行導(dǎo)則》(NB/T 10149-2019)；同時有3項國際標(biāo)準(zhǔn)在編，包括IEC TS 62898-3-1《微電網(wǎng) 第3-1部分：技術(shù)要求-保護(hù)和動態(tài)控制》、IEC TS 62898-3-1(《微電網(wǎng) 第3-2部分：技術(shù)要求-能量管理系統(tǒng)》)和IEC TS 62898-3-3(《微電網(wǎng) 第3-3部分：技術(shù)要求-可調(diào)度負(fù)荷的自調(diào)節(jié)》)，見表2。

其中，IEC TS 62898-1:2017(《微電網(wǎng) 第1部分：微電網(wǎng)工程規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則》)適用于中低壓電壓等級的交流微電網(wǎng)，主要內(nèi)容包括：一般性要求、微電網(wǎng)的應(yīng)用和分類、資源分析和發(fā)電預(yù)測、負(fù)荷預(yù)測、分布式能源規(guī)劃、微電網(wǎng)電氣系統(tǒng)規(guī)劃、分布式能源接入微電網(wǎng)技術(shù)要求、微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)技術(shù)要求，微電網(wǎng)控制、保護(hù)和通訊系統(tǒng)技術(shù)要求、微電網(wǎng)項目評價。規(guī)范中將微電網(wǎng)劃分為并網(wǎng)型微電網(wǎng)和獨立型微電網(wǎng)，并網(wǎng)型微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)具有電氣連接點，可以并網(wǎng)運行，也可以離網(wǎng)運行，從外部電網(wǎng)看，是一個獨立的可控單元；獨立型微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)沒有物理連接。

IEC TS 62898-2:2018(《微電網(wǎng) 第二部分：運行導(dǎo)則》)適用于中低壓電壓等級的交流微電網(wǎng)，主要內(nèi)容包括運行模式和模式轉(zhuǎn)換、微電網(wǎng)的能量管理和控制、通訊和監(jiān)視、電力儲能以及保護(hù)、調(diào)試、維護(hù)和測試在運行過程中應(yīng)滿足的技術(shù)要求。

表2 微電網(wǎng)領(lǐng)域IEC標(biāo)準(zhǔn)(已發(fā)布和在編)

IEEE在微電網(wǎng)領(lǐng)域截止2019年年底已發(fā)布2項國際標(biāo)準(zhǔn)，包括IEEE 2030.9:2019(《微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計推薦性實踐》)和IEEE 1547.4:2011(《分布式孤島電力系統(tǒng)的設(shè)計、操作和集成指南草案》)。

其中，IEEE 2030.9:2019(《微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計推薦性實踐》)適用于交流并網(wǎng)型微電網(wǎng)和獨立型微電網(wǎng)，主要內(nèi)容包括微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計流程、微電網(wǎng)規(guī)劃、安全、微電網(wǎng)一次系統(tǒng)設(shè)計、微電網(wǎng)保護(hù)配置、監(jiān)控與能量管理、電能質(zhì)量監(jiān)測與控制、電能計量、通信、方案評估和典型案例分析等。該標(biāo)準(zhǔn)重點關(guān)注于微電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計應(yīng)考慮的因素，提供了發(fā)電功率預(yù)測、負(fù)荷預(yù)測、系統(tǒng)架構(gòu)、接地、保護(hù)、能量管理和信息交換等方面的設(shè)計方法和推薦性做法，依據(jù)此推薦性實踐方法，結(jié)合邊遠(yuǎn)山區(qū)并網(wǎng)型微電網(wǎng)給出了典型案例分析。

IEEE 1547.4:2011(《分布式孤島電力系統(tǒng)的設(shè)計、操作和集成指南草案》)適用于交流并網(wǎng)型微電網(wǎng)，將分布式電源與就地負(fù)荷組成的孤島電力系統(tǒng)視為微電網(wǎng)，主要內(nèi)容包括設(shè)計、操作和集成分布式孤島電力系統(tǒng)的方法和實際做法，涉及微電網(wǎng)的離網(wǎng)和重新并網(wǎng)應(yīng)考慮的因素。

4 微電網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)化建議與展望

隨著微電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和新商業(yè)模型的出現(xiàn)，國際標(biāo)準(zhǔn)必將成為微電網(wǎng)在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。目前已開展的微電網(wǎng)領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)化活動主要集中在并網(wǎng)型交流微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計、運行、保護(hù)、能量管理以及內(nèi)部負(fù)荷調(diào)度。行業(yè)調(diào)研報告顯示，用于解決偏遠(yuǎn)地區(qū)供電問題的獨立型微電網(wǎng)在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)出快速增長勢頭，同時直流微電網(wǎng)的應(yīng)用也在不斷增多。

因此，在可預(yù)見的三到五年內(nèi)，獨立型微電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)要求和系統(tǒng)/設(shè)備功能檢測要求將是重點方向，包括：

(1)獨立型微電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)系列主要規(guī)定獨立型微電網(wǎng)在供電電能質(zhì)量、頻率控制、電壓調(diào)節(jié)、繼電保護(hù)配置、防雷與接地、信息通信、黑啟動等方面應(yīng)滿足的技術(shù)要求，為微電網(wǎng)投資方、運營方以及第三方監(jiān)管機(jī)構(gòu)提供評判具體工程是否是獨立型微電網(wǎng)的依據(jù)；

(2)系統(tǒng)/設(shè)備功能檢測標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)系列主要規(guī)定微電網(wǎng)內(nèi)部的關(guān)鍵設(shè)備或系統(tǒng)(如信息通信系統(tǒng)、并網(wǎng)一體化裝置)等應(yīng)具備的功能和性能指標(biāo)的檢測方法等進(jìn)行規(guī)定，為相關(guān)設(shè)備制造商以及試驗檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計和功能驗證提供依據(jù)；

(3)運行特性評價標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)系列主要規(guī)定微電網(wǎng)的運行特性評價在評價項目、評價流程、評價內(nèi)容和評價方法方面應(yīng)滿足的技術(shù)要求，為評價已投入運行的微電網(wǎng)項目的功能和性能提供依據(jù)；

(4)經(jīng)濟(jì)性評價標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)系列主要規(guī)定微電網(wǎng)全壽命周期經(jīng)濟(jì)性評價內(nèi)容、評價流程、評價指標(biāo)和評價方法方面應(yīng)滿足的技術(shù)要求，為計算微電網(wǎng)項目的投資回報以及不同項目的橫向比對提供依據(jù)。

5 結(jié)語

行業(yè)發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)先行。隨著分布式電源技術(shù)的不斷進(jìn)步，微電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)將在全球得以普及應(yīng)用和實施，國際標(biāo)準(zhǔn)是引領(lǐng)微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵。我國在IEC和IEEE相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)制訂中，一直擔(dān)任著領(lǐng)跑者的角色，為行業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)良多，也為中國技術(shù)的國際推廣提供有效的保障。本文介紹了微電網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了這一領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化需求、制訂現(xiàn)狀和未來工作展望，希望拋磚引玉，吸引更多專家參與這一領(lǐng)域的工作。