（河北工业大学 天津 300130）
摘要：微电网作为一种新型的网络结构，不仅能够孤岛运行还能够与大电网一起并网运行。正是由于微电网具有较高的智能性及灵活性，研究和发展微电网作为我国大电网发展的补充具有重要意义，符合我国的国情和电力工业的发展理念。本文从微电网的概念，结构与组成以及国内外研究现状出发，分析了微电网中的关键技术，包括微电网的优化设计、运行控制以及保护措施，结合微电网发展过程中存在的问题，提出了微电网架构的建议与展望。
关键词：微电网；网络结构；关键技术
0 引言
随着国民经济的迅速发展以及人民生活水平的日渐提高，用电需求增长迅猛，电力部门大多都注重发展火电，水电和核电等大型发电设备以及高压、超高压远距离输电。但是，随着电网规模的不断扩充，这种规模庞大的发电系统暴露了一系列的缺点，比如，运行维护成本高，运行难度大，安全可靠性低等[1-2]。一味的扩大电网规模显然是行不通的，分布式发电及微电网的提出，引起了广大学者专家的重视。
微电网是从系统的角度看问题，将发电机、控制装置和储能装置、负荷等相结合，形成一种单一可控的单元给用户供电，微电网既可以并网运行，也可以在大电网故障或短路时作为小型电网单独运行。自从微电网提出后，国际电工委员会（ICE）在《2010-2030应对能源挑战白皮书》中明确规定微电网技术是未来能源链的关键技术之一。欧盟在发布的“智能电网--欧洲未来电力发展战略及前景”中提出了欧盟电力发展的远景规划是建立以集中式发电站和微电网为主导的供电可靠、环境污染小、高经济效益的智能电网形式[3-5]。目前，美国已经确立了微电网在远程和军事领域应用的领导地位。同时，欧洲也将成为微电网技术进一步被采用的催化剂。我国也明确提出了构建新型智能电网的规划。由于迅速增长的能源需要、较低的电网连通性和间歇性断电，亚太地区的新型经济体是微电网最大潜在市场。随着许多地区不断增长的可再生能源需求的推动，微电网具有巨大的发展空间。
本文主要介绍微电网的概况，结合了国内外的研究现状，阐述了微电网的相关关键技术和发展前景，为大力发展微电网提供了一定的理论基础。
1 微电网技术简介
1.1微电网的概念
微电网也称为微网。如图1所示，微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护等装置组成的小型发电配电系统。微电网是一个实现自我控制，保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。微电网是相对于传统电网的一个概念，他是指包括多个分布式电源以及相关负载按照一定的拓扑结构组成的电网络，并通过与静态开关相连到大电网[6]。
图1微电网的架构
1.2微电网的组成与结构
微电网的组成包括：微电源，包括风电、光伏、燃料电池、微型燃气轮机等分布式电源；储能装置，包括一些超级电容，锂电池和铅酸电池等；负荷，各种各样的用电负荷；监控和保护体系以及离并网开关[7]。
微电网结构可分为直流微网、交流微网及交直流混合微网。其中，交流微网是主要形式，其典型结构如图2所示。在交流微网中分布式电源、各种储能及用电装置可以通过电力电子装置连接到交流母线，通过对公共连接点的开关控制，可以实现微网并网运行模式和孤岛运行模式的切换[8]。
直流微网的结构如图3所示，它比交流微网多了逆变装置，分布式电源、各种储能装置和用电负荷直接接到直流母线，再经过逆变器接到外电网的交流侧。在直流微电网中，可以向不同电压等级的交直流负荷提供电能可进一步提升供电系统的灵活性与可靠性。近年来，随着直流微电网容量和规模的不断扩大，一定区域内能够形成多个微电网系统，他们共同构成了微电网群[9-10]。
交直流混合微网如图4所示，他既含有直流母线，又含有交流母线，既可以向直流负荷供电，又可以向交流负荷供电。其实混合微电网可以看作是交流微网，而直流微网部分就是一个独立的电源通过电力电子逆变装置接入交流母线所构成。
1.3微电网的国内外研究现状
微电网具有较灵活的供电方式，能够进行孤岛运行，也能进行并网运行，由于微电网具有此类优点，世界各国便相继发展微电网。
1.3.1美国微电网的研究现状
美国电力可靠性技术解决方案学会（CERTS）最早提出了微电网的概念，其设计理念是不采用快速电气控制、单点并网不上网、提供多样化的电能质量与供电可靠性。CERTS通过在Wisconsin大学建立的实验室微电网验证本地下垂控制策略，之后通过在Dolan技术中心建立的微电网示范平台进一步实验验证。美国的微电网也得到了美国能源部的高度重视，2003年，布什总统提出了电网现代化的目标，要实现电网的智能化。2006年美国微电网会议上，美国能源部对未来微电网的发展做了详尽分析[11-13]。从美国电网现代化角度来看，提高重要负荷的供电可靠性、满足用户定制的多种电能质量要求、降低成本、实现智能化，将是美国微电网发展的重点。CERTS微电网中电力电子装置与众多新能源的使用与控制，为可再生能源的潜能充分发挥及稳定、控制等问题的解决提供了新的思路[14-15]。
1.3.2日本微电网的研究现状
日本的能源缺乏日益严重，同时负荷需求增长迅速，可再生能源和新能源一直是日本关注的重点。日本微电网发展的主要目标是能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力需求。日本的新能源与工业技术发展组织（NEDO），集中研究负荷跟踪能力、电能质量监控、电力供需平衡、经济调度和孤岛稳定运行等方面。日本的微电网主要采用主从控制结构，通过顶层能量管理系统统一对国内的分布式电源进行管理和调度，保证电网的暂态功率平衡，抑制对主网的影响。目前，日本微电网的发展在世界上占据领先地位[16]。
1.3.3欧洲微电网的研究现状
欧洲各个国家也争相发展微电网技术。欧洲在2005年便提出了“聪明电网”计划，指出欧洲电网应在灵活性、可靠性、经济性等方面着重发展。欧洲提出要将智能电网、分布式电源、电力电子技术等有效结合，推进电网发展[17]。
除了这些国家，世界上还有澳大利亚，加拿大等国家也相继开始发展微电网。各个国家对微电网的研究和应用均十分重视。
1.3.4我国微电网的发展现状
我国电力行业发展微电网，首先有利于我国可再生能源发电，可以优化我国的能源结构，也能够提高电网的抗灾能力，特别是在一些自然环境恶劣的地区，微电网可以在大电网故障时断开孤立运行，以提高供电系统的抗灾能力。
我国在微电网领域的发展迅速，我国启动了973计划“分布式供电系统”，科技部也将微电网示范研究列入“十二五”的863计划。同时也在杭州电子科技大学建立微电网系统，天津大学建立大型微电网实验室等，大力发展我国微电网工程[18-19]。
2 微电网的关键技术
2.1微电网的规划设计
微电网的规划设计是微电网关键技术的重要组成部分。首先，微电网要想建立，需要根据负荷分布及大小来规划微电网，然后在进行架构。微电网规划设计，能够明确微电网的结构，实现电网系统的效益性、节能性和环保性。但是，微电网的规划有别于其他电网形式，微电网规划设计需要考虑微电网运行时优化的因素，立足于系统数据信息跟合理正确的规划和优化设计。规划设计一般分为三个方面：可再生能源与负荷需求分析、建模方法和优化算法[20-22]。
2.1.1可再生能源与负荷需求分析
可再生能源与负荷需求是微电网规划的首要前提，根据可再生能源和负荷分布进行准确分析，其中主要依据全年数据中风速，光照强度和负荷大小的统计，应用概率统计的方法，提炼出典型的系统运行场景，针对典型的场景再进行概率估计及后续计算。
2.1.2规划设计建模
规划设计建模主要在满足用户用电需求的基础上，依据可再生能源和负荷的需求分析，从各个角度选定合理的优化变量、目标函数和约束性条件。
首先要选定合理的优化变量。优化变量的选取主要考虑分布式电源、储能装置等设备的容量和类型，还有一些不同微电网的运行控制参数等也作为优化变量。对于优化的目标函数的选取主要考虑设备的购置费用、后期维修费用、燃料费用、净残值等，还有有害气体排放量的环保问题。约束性条件主要包括了系统有功功率、无功功率平衡，机组运行约束，备用容量约束以及储能约束，可靠性约束等。
综合以上的分析，在建模过程中，首先需要搞清楚优化变量，在建立优化目标函数时，可以是确定性的计划设计模型，或者是不确定的规划设计模型，加上诸多约束条件后，依据合理的优化问题求解算法对问题进行求解。
2.1.3优化算法
针对规划设计所建立的模型，通常是比较复杂的目标函数和约束条件，目标函数往往属于非线性目标函数，其优化属于非线性优化。众多学者通过多年的研究学习，总结出一系列人工智能算法来优化目标函数，主要有模拟退火算法、粒子群算法、遗传算法、人工神经网络、小波分析等，相对于传统算法来说操作更加简便、效率更高。在选择优化算法时，应根据目标函数的多少和模型的复杂程度等方面，选择适当的算法求解[23-26]。
2.2微电网的运行控制
运行控制在微电网的架构中起到至关重要的作用。高质量的电网供电一定离不开完善可靠的控制系统。微电网中电源较多，一个中心点对电网系统做出故障分析的能力要比大电网差。所以，微电网的控制需要保证任意电源的接入都不会对系统造成影响，与电网并、离的平滑性以及电网有功、无功功率的平衡控制等[27-29]。
目前，已有的5类微电网的控制方法如下：
1）主从控制
以中央控制器为代表的主从控制，可以是单主或多主模式。文献[30]提出了一种微电网主从控制策略，将恒功率控制和恒压、恒频控制结合起来对微电网进行控制。在微电网并网的状态下，采用恒功率控制，实现电源对于有功功率和无功功率的控制；在离网状态下，采用恒压、恒频控制，实现电网的稳定运行。
2）对等控制
微电网中的对等控制策略主要是基于电力电子技术中的“即插即用”与“对等”思想，将有功功率和频率、无功功率和电压结合起来，通过控制算法模拟传统电网来实现控制与调节，无需借助通信。文献[9]研究了微电网的对等控制策略，在对等控制中，每个分布式电源有着相等的地位，不存在从属关系，当有电源因故障退出运行时，可以直接加入采用下垂控制的机组，其控制方式、保护措施等不发生改变，即为“即插即用”思想。但是对等控制没有考虑电压及频率恢复问题，可能在系统大故障时无法正常运行，故对等控制一般用于电力电子技术控制的微电源间的控制。
3）基于功率管理系统的控制
此方法通过不同的控制模块对有功功率和无功功率分别进行控制，能够满足微电网对多种控制的要求，这种方法较对等控制来说加入了频率恢复算法，能够很好的满足频率要求。其次，这种方法还对无功功率的不同需求提出了多种控制方法，从而提高了功率控制的稳定性[31-32]。
4）基于多代理技术的微电网控制
多代理技术也是传统电力系统的控制方式，将其应用于微电网的控制中，能够通过代理的反应能力、自治性等特点对微电网进行控制，提供了一个能够嵌入各种控制技术并且不需要管理者经常出现的系统，刚好满足微电网中分布式电源多，分散，不能统一于一个中心点控制的缺陷。但是目前的很多这种技术还未深入到微电网的电压和频率等控制层面[33]。
5）基于虚拟同步发电机的微电网控制
该方法提出了虚拟同步发电机的概念，并且将大电网中的一次调频、二次调频等技术应用到微电网中，实现在并网或孤岛运行条件下的不间断供电。虚拟同步发电机，使得逆变电源通过响应的控制，对外表现出同步发电机的特性，这样就把大电网中的技术应用到微电网中，解决了微电网中逆变器电压、功率调节的技术难题[34-36]。
2.3微电网的保护
微电网的保护就是当微电网中某处发生接地或短路故障时，能够快速定位故障点，并且切除故障恢复微电网安全稳定运行的一种保护技术。由于微电网的运行方式有两种，并网运行和离网运行，两种运行方式之间的保护策略也不尽相同并且差距较大[37-38]。
在并网运行时，如果微电网发生故障，则应当首先检验故障是否为永久性故障，从而判断微电网是否需要从主网中断开。如果是内部故障不需要与电网断开的情况，则应快速切除故障部分，保证电网其
他部分正常运行。如果是外部故障需要与电网断开的情况，则应马上解列进入孤网运行。
在离网运行时，当发生故障时，由于电力电子变换器的影响，使得分布式电源所提供的短路电流常常被限制在两倍的额定电流范围内，这就会对保护装置的整定参数造成困难。所以要求根据离网运行条件来更改保护装置的整定值。还有一种解决方案就是通过差动保护来实现故障的识别和切除[39-42]。
3 微电网的发展
3.1微电网发展中存在的问题
政策、技术问题：我国微电网技术还处于起步阶段，还不够成熟，涉及到先进的电力电子技术、计算机控制技术、通讯技术等在微电网中的应用水平较低，且我国尚无统一规范的微电网体系技术标准和规范，这样统一的标准和规范对微电网的架构起十分重要的作用，尤其是在微电网的接入、规划设计、建设运行和设备制造等环节，都缺乏相应的国家层面的标准和国家规范。
电能质量问题：微电网中用到了很多个分布式微电源，而这些电源很多都是使用全控型换流器，由于引入大量的电力电子设备，会导致系统运行过程中电能的质量出现问题。
成本因素问题：微电网的建设和投资成本很高，这使得微电网的发展受到严重制约，并且微电网的控制系统成本很高，加上储能系统、后期运行维护成本等，都使得微电网的成本问题成为制约微电网发展的关键因素。
3.2微电网的发展前景
微电网具有较高的智能性及灵活性，它符合我国的国情和电力工业的发展理念。首先，有利于我国的可再生能源发电。可以优化我国的能源结构，发展低碳环保经济，解决农村及边缘地区的用电问题，保证人与自然的协调发展；其次，是我国电力系统自身发展的需要。对于一些边远、供电要求较高的地区，可以在保证供电质量的前提下，减少对电网进行改善的投资以及停电造成的经济损失，特别是一些短时间的尖峰负荷可以得到有效的解决。最后，能提高电网的抗灾能力。特别是在一些自然环境比较恶劣的地区，微电网可以在大电网故障时与其断开并独立运行，以提高供电系统的抗灾能力。
我国的微电网起步时间较晚，但是近年来发展迅猛，国家电网公司进行的微电网研究项目，涵盖了微电网的核心技术框架、电网应对微电网的策略、技术标准和政策等，制定了我国微电网发展线路和技术路线图，对我国微电网不同发展阶段提出了积极的意见和建议。我国烟台长岛分布式发电及微电网接入控制工程已经正式竣工投运。这是我国北方第一个岛屿微电网工程，可以在外部大电网瓦解的情况下，实现孤网运行保证对重要用户的连续供电，极大地提高长岛电网的供电能力和供电可靠性[43]。
微电网作为大电网的有力补充，是智能电网领域的重要组成部分，在工商业区域、城市片区及偏远地区有广泛的应用前景。随着微电网关键技术研发进度加快，我国微电网将迅猛发展。
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论文作者:关家祥,陈堂功
论文发表刊物:《电力设备》2017年第6期
论文发表时间:2017/6/13
标签：电网论文; 负荷论文; 分布式论文; 电源论文; 技术论文; 我国论文; 功率论文; 《电力设备》2017年第6期论文;