微网研究中的关键技术

第33卷 第11期 2009年6月 电 网 技 术 Power System Technology

文章编号：1000-3673（2009）11-0006-06 中图分类号：TN72 文献标志码：A 学科代码：470·40

Vol. 33 No. 11

Jun. 2009

微网研究中的关键技术

丁明，张颖媛，茆美琴

（教育部光伏系统工程研究中心(合肥工业大学)，安徽省 合肥市 230009）

Key Technologies for Microgrids Being Researched

DING Ming，ZHANG Ying-yuan，MAO Mei-qin

（Research Center for Photovoltaic System Engineering(Hefei University of Technology)，Ministry of Education，

Hefei 230009，Anhui Province，China）

ABSTRACT: The microgrid technologies become one of key spots in the research on distributed energy systems. In this paper, the components, systemic structure and operation modes of microgrid are presented. From the viewpoint of technical connotation, the present research situation of key technologies for the microgrid is reviewed. These technologies include new power electronic converter technologies, fault detection and protection, communication technologies, planning and design of microgrid, as well as issues related to operation control and energy management such as supervisory and control architecture, control strategies and approaches, ancillary services, operation specification, modeling and simulation research in system level and unit level and microgrid economic evaluation. The authors also point out that the optimal design of microgrid topology and optimal configuration of distributed energy units are of significance for the implementation of maximum benefit of the whole microgrid. Besides, the effective economic evaluation of microgrid is a topic to be researched in detail.

KEY WORDS: distributed energy systems；microgrid；renewable energy resources；operation and control；energy management

摘要：微网技术的研究成为分布式能源系统研究领域的热点之一。文章介绍了微网的组成部分、体系架构和运行状态，从技术内涵角度综述了微网研究中关键技术的研究现状，包括新型电力电子技术，故障检测与保护、通信技术，系统规划设计、运行控制与能量管理所涉及的系统监控体系、控制策略及方法、辅助服务、运行标准，单元级、系统级的建模仿真研究，微网经济性评估等。文章还指出，微网系统网络

基金项目：国家863高技术基金项目(2007AA05Z240)；国家自然科学基金资助项目(50837001)。

The National High Technology Research and Development of China 863 Program(2007AA05Z240); Project Supported by National Natural Science Foundation of China (NSFC)(50837001).

拓扑的优化设计及分布式能源单元的优化配置对实现整个系统效益最大化具有重要作用，对微网进行有效的经济性评估是有待深入研究的课题。

关键词：分布式能源系统；微网；可再生能源；运行控制；能量管理

0 引言

能源需求在不断增加，而化石能源日趋枯竭，

核能发展受到一定的限制，能源问题愈来愈成为世界各国面临的一个严峻挑战。另外，电力系统结构的不断老化、环保问题、能源利用效率的瓶颈以及用户对电能质量的高标准要求，使得开发利用可再生能源、构建可持续能源系统成为近年来各国的共识与必然的发展趋势。分布式发电以其能就地消化电力，节省输变电投资和运行费用，减少集中输电的线路损耗；与大电网供电互为补充，减少电网容量，改善电网峰谷性能，提高供电可靠性，可以减少对环境的污染等优点受到了广泛关注，尤其是光伏和风力发电系统近年来得到了快速发展[1-2]。但由于分布式电源的不可控性及随机波动性，其渗透率的提高也增加了对电力系统稳定性的负面影响。根据文献[3]，当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行，这使得分布式电源的效益没能得到充分地发挥。

基于此，研究人员提出了一种新的分布式能源组织方式和结构——微网，它是一种新型能源网络化供应与管理技术，能给可再生能源系统的接入提供便利、实现需求侧管理及现有能源的最大化利用。尽管对微网的定义不尽相同，但国际上基本认为：微网是由各种分布式电源/微电源、储能单元、负荷以及监控、保护装置组成的集合；具有灵活的

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运行方式和可调度性能，即能在并网运行和孤岛(自主)运行2种模式间切换；通过相关控制装置间的协调配合，可以同时向用户提供电能和热能；根据实际情况，系统容量一般为数千瓦至数兆瓦；通常接在低压或中压配电网络中[4-12]。

微网概念一经提出便引起了能源专家和电力工业界的重视，很多国家都加强了相关方面的科研力度，欧盟、美国、日本从不同方面展开了卓有成效的研究，我国对分布式能源系统和微网的研究和应用尚处在起步阶段，与发达国家相比还有很大差距。由于分布式发电技术本身及电力零售市场还不成熟、不完善，且分布式发电对电力系统的影响还缺乏相应的防治措施等，现在主要应用单一种类可再生能源发电场、(冷)热电联供系统。因而，基于电力电子技术的包含太阳能、风能的多种分布式能源发电系统的配合及其与储能系统相结合的分布式能源微网系统的集成与控制成为近年来研究可再生能源应用与分布式能源系统的热点。文献[13-15]较为详细地介绍了微网概念的产生背景、意义、结构，对比了欧洲、美国、日本的微网研究现状及其示范工程；列出了微网研究中，尤其是中国微网发展有待关注的问题。本文将侧重从技术内涵角度综述微网系统研究中从单元级到系统级关键技术的研究现状，主要包括基于电力电子技术的新型逆变器、静态开关、电能质量控制器，微网故障检测与保护技术、通信技术以及微网系统的规划、运行控制、能量管理、仿真建模、经济性评估等。

5 MW范围内，应用于包含多种建筑物、多样负荷类型的网络，如校园、军事基地、工业和商业综合区及居民区等。3）馈线级微网，容量在5~10 MW范围内，它管理一条配电网母线内所有单元的运行。这种类型的微网可能由多个包含单一或多样化单元的较小型的微网组合而成，这种微网适用于公共设施、政府机构及监狱等场合。4）变电站级微网，容量在5~10 MW范围内，管理连接到配电网变电站的所有发电和/或负荷单元的运行情况。这种类型的微网可能包括一些变电站内的发电单元以及一些馈线级和设施级的微网。在日本的微网研究中，除了可再生能源外，还将以化石能源为燃料的独立电力系统纳入其中，这大大扩展了微网的容量，使应用于工业区大规模微网的容量可达到上千兆瓦。

微网是一个可以实现自我控制、保护和管理的自治系统。它在工作中存在与主网并网运行、孤岛(自主)运行2种典型的稳态运行状态和2种过渡状态，过渡状态是指正常运行下微网与主网间解列、并列的过渡状态以及微网从停运状态通过黑启动恢复控制向稳态运行转移的系统恢复过渡状态。

2 微网系统中的并网、保护与通信技术

2.1 电力电子技术

电力电子技术是开发各类可再生能源和发展分布式发电的关键技术之一。根据微网的特殊需求，需要研究适用的电力电子技术并研制一些新型的电力电子设备，如并网逆变器、静态开关和电能质量控制装置[4-11]。

光伏电池、风机、燃料电池、储能元件、高频燃气轮机等都需要通过电力电子变换器才能与微网系统网络相连接。这些变换器可能既包括整流器也包括逆变器，也可能仅是一个逆变器。变换器具有响应速度快、惯性小、过流能力弱等特性，这使得微网能量管理的控制理念与常规系统有很大不同。同时，适用于微网中的逆变器除了需要具备常规逆变器的功能以及能够并联运行外，还需要根据微网系统的特殊需求具备一些控制功能，如有功–频率下垂控制功能和电压–无功下垂控制功能。因而，逆变器的运行控制成为微网研究的一个重要方面。

静态开关置于连接微网与主网间的公共连接点处。在发生一些主网故障、文献[3]定义的事件或电能质量事件时，静态开关应该能自动地将微网切换到孤岛(自主)运行状态；此后，当上述事件消失

1 微网简介

微网是一种在能量供应系统中增加可再生能源和分布式能源渗透率的新兴能量传输模式，其组成部分包括不同种类的分布式能源(distributed energy resources，DER)、各种电负荷和/或热负荷的用户终端以及相关的监控、保护装置。DER单元为具有不同容量和特性的分布式发电单元(distributed generation，DG)或分布式储能单元(distributed storage，DS)2种类型。负荷分为敏感性负荷和非敏感性负荷[10]。

文献[16]中指出Navigant Consulting在为美国能源署提交的微网研究评估报告中，根据应用场合的不同提出了4种微网的体系架构：1）单个设施级微网，指所带负荷量小于2MW，应用于小型工业或商业建筑、大的居民楼以及医院等单幢建筑物的网络；2）多个设施级微网，指所带负荷量在2~

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时，它也应自动实现微网与主网的重新连接。它除了需要具备开关功能外，还需具备常规电力系统中由继电器、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)及其它硬件等提供的保护、测量及通信功能。静态开关需要同时不断地测量开关两侧(主网侧与微网侧)的网络情况才可以确定是否达到可操作的条件，直到孤岛(自主)运行的微网与主网同步时才可以闭合静态开关。静态开关的设计也需要满足有关的连接标准，如文献[3]。

此外，还需要研究相关的电能质量控制系统。任何DER单元的接入都会对系统中的电能质量产生或多或少的影响，如果控制不当，它们对电压波形、频率以及功率因数会产生负面影响，尤其是太阳能、风能这些随机性的能源；而且电子负载易受暂态、跌落、谐波、瞬间中断及其它扰动的影响，这些都是原先没有关注的方面。电能服务的质量正变得与其可靠性一样的重要，同时电能质量问题将有着巨大的经济影响。 2.2 故障检测与保护

DER单元的引入使得微网系统的保护控制与常规电力系统中的保护控制在研究对象和控制方法、策略上有很大不同

[4-12,17-18]

3 微网系统的规划设计

微网系统的规划设计包括网络结构的优化设

计以及DER单元类型、容量、位置的选择和确定[20]。这需要根据微网系统安置处的负荷和可利用能源的情况，考虑设备的响应特性、效率、安装费用以及控制方法等，从而优化确定相关DER单元的信息，提高整个系统的可靠性、安全性和经济性[9]。 DER单元的配置不同于常规的发电单元，在微网系统规划设计中单元配置的优化策略对于实现整个系统效益最大化尤为重要。如在日照强度较高的地区，可选择较多容量的太阳能电池板；在热能需求量较大的地区，可选用热电联产的微型燃气轮机和燃料电池。文献[21]以满足微网中负荷需求所需供电量的年运行费用最小为目标，考虑6种天气类型，利用优化规划确定微网中各单元的数量和容量、与主网间的能量交换合同以及系统的年运行计划。

4 微网系统的运行控制与能量管理

微网系统承受扰动的能力相对较弱，尤其是在孤岛(自主)运行模式下，考虑到风能、太阳能资源的随机性，系统的安全性可能面临更高的风险，因此对系统进行有效地运行控制与能量优化管理是需要研究的重要内容。

1）监控体系。

为了能够与现有电力系统友好地融合，微网的正常运行需要在通信网络的支撑下通过以下3个层次控制系统间的协调合作[11]：1）配网级，配网级包括配电网控制器(distribution network operator，DNO)和市场控制器(market operator，MO)。2）微网级，微网级包括微网中央控制器(microgrid central controller，MCC)。3）单元级，单元级包括各个DER单元以及负荷的就地控制器(local controllers，LCs)。

DNO用于控制包含一个和多个微网的区域，MO负责各个特定区域内电力市场的功能。这两种控制器属于微网上一层次的系统，实现主网配网级别的调度功能。MCC是主网与微网间的接口，一方面与上层DNO/MO交互信息，一方面与下层各LCs交互信息。LCs对微网内部的DER单元以及可控负荷进行控制，调节系统电压和频率，以利于微网系统的稳定运行。

根据MCC、LCs决策方式的不同，上述监控系统的控制方式被划分为集中式控制和分散式控制 2种。集中式控制与常规电力系统分层控制的思想

，如除了过压及欠压

保护外，文献[3]针对分布式电源制定了包括反孤岛和低频保护的特殊保护功能。常规的保护控制策略是针对单向潮流系统的保护，而在微网系统中潮流可能双向流通，且随着系统结构和所连接的DG单元数量的不同，故障电流级别将有很大不同，传统的继电保护设备可能不再起到应有的保护作用，甚至可能导致这些保护设备损坏，因而需要研发能够在完全不同于常规保护模式下运行的故障检测与保护控制系统。 2.3 通信技术

微网的运行需要在采集不同特性的DER单元信息的基础上，通过配网级、微网级、单元级各控制器间的通信来实现。以电力电子器件为接口的DER单元与常规同步机的特性有很大差别，因而在微网的运行控制与能量管理过程中对通信技术的可靠性和速度提出了更高的要求。通信技术还直接关系到微网能否提供更快的辅助服务。在响应特性不同的设备间建立连接成为网关技术面临的挑战。对低消耗、高性能、标准型网关的需求和通信协议的标准化是能量管理系统开发中的一个重要组成部分[4-11,16-19]。

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一致，较易实现，因而目前多根据该思想进行研究。文献[22]描述的微网系统是集中式控制方式的典型代表，该系统由微网中央控制器进行优化管理，协调整个层次控制系统，包含经济调度等功能，目标是通过优化各DER单元的发电量及与主网间的功率交换使微网得到最大化利用。分散式的控制思想是想要最大程度地实现微网内DER单元和负荷的自治，但实现较为复杂。各LCs在搜集本地信息并与别的控制器、上层控制器交互信息的基础上，各自进行就地决策。多代理系统(multi-agent system，MAS)是开发分散式微网控制的一个主要候选系统。文献[23-24]介绍了MAS在微网系统中的应用，针对供能、需求、电力系统和微网中央控制器开发了4种代理。

2）运行管理。

微网的运行方式、所采取的电力市场和能源政策、系统内DER单元的类型和渗透率、负荷特性和电能质量的约束，与常规电力系统存在较大的区别[4-12,17-18]。因而需要对微网系统内部各DER单元间、单个微网与主网间、多个微网间的运行调度和能量优化管理研究制定出合理的控制策略，以确保微网的安全性、稳定性和可靠性，保证微网高效、经济地运行。

微网系统处于并网运行状态时，涉及到与主网间的相互作用和能量交换：一种是微网利用内部的DER单元来尽力满足网内的负荷需求，可以从主网吸收功率，但不可以向主网输出功率；另一种是允许微网参与到开放的电力市场中，可以与主网自由交换功率，且除各DER单元参与竞价外，需求侧也可参与市场竞价[22]。微网的运行、尤其是孤岛运行时，与其内部的DER单元特性、负荷特性和所要求的电能质量有密切关系。同时，由于微网承受扰动的能力相对较弱，特别是在DER单元的渗透率较高的情况下，对储能子系统进行有效的能量管理与控制，对平抑可再生能源的能量波动和负荷需求波动、维护系统的稳定运行有着重要的作用。

综上所述，微网运行控制与能量优化管理的策略可以通过综合当地的热电需求情况、气候状况、电价、燃料消耗、电能质量要求、泵售及零售服务需求、需求侧管理要求以及拥塞水平等情况来作出决策[25]，以实现如下功能：为每个DER单元控制器提供功率和电压设定点；确保满足热电负荷需求；确保微网能满足与主网间的运行合同；使运行成本与系统网损最小；使DER单元的运行效率最

高；提供微网故障情况下孤岛运行与重合闸的逻辑控制方法。

3）孤岛控制。

当微网由并网转为孤岛运行时，存在电压和频率的管理、能量供需间的平衡、电能质量等问题。文献[26]列举了目前提出的6种微电源和储能装置联合运行的控制技术，对各种方法的优缺点进行了讨论，并对这些方法的适用场合提出了建议。上述6种方式分别是：储能装置和所有的微电源一起参与调节的纯下垂控制；根据储能装置配置不同，分别采用单主逆变器方式和多个主逆变器方式的逆变器模式控制；储能装置以同步电机运行模式执行二次控制的基本能源控制；基于低压配电网的阻性特性，通过控制有功输出来调节电压，通过控制无功输出来调节频率的反向下垂控制(reverse droop control)；遵循对等和即插即用原则，采用单元功率控制模式、馈线潮流控制模式或将这两种模式相结合的自主控制；储能装置以负荷跟踪单元模式运行，其它微电源采用PQ控制的多代理控制模式。 电能质量和稳定性、储能装置的容量、对通信网络的要求、微电源的类型及微网的所有权等因素都影响孤岛运行策略的选择。

4）辅助服务。

微网向主网提供的辅助服务可分为2种：一种是不允许微网向主网提供能量的情况下所能提供的服务，微网以一个可控的负荷形式来运行，能够控制负荷量和功率因数，负荷的控制对主网系统处于重载时具有十分重要的意义；另一种是允许微网向主网提供能量，并可参与电力市场情况下所能提供的服务，如实时频率稳定调节、功率平衡(负荷跟踪)、电压稳定调节、长短期各种备用能力、黑启动、网络稳定性等[17,27]。在开放的市场政策下，微网将比常规电站提供更优质的服务。因为常规电站距离负荷区一般较远，尽快改善主网系统的承载压力一般较难；而微网位于负荷区域，且DER单元的响应速度远快于常规电机，故微网能够更加有效地提供这些辅助服务。

5）运行标准。

在常规效用体系下，主网系统发生故障引起电压或频率偏移时，只需简单地将分布式电源断开主网系统，然后可按照常规方法处理故障问题。这种方法符合文献[3]的规定。然而，这些标准一方面使分布式电源的效益没能得到充分发挥，另一方面孤岛运行

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的分布式电源可能会危及线路维修人员的安全。微网作为一种特殊的分布式能源系统，充分利用其特性可以对解决故障问题提供多方面的支持。目前，研究人员正在研究完善内容包括微网的文献[3]，以期为微网的集成及运行提供可选择的方法和范例[8-9]。

5 微网系统的建模与仿真

对微网进行仿真研究，能够预先校验策略的合理性，以确保系统实际运行时的安全性、稳定性及可靠性等，这需要对种类繁多、特性各异的DER单元及相关单元级控制器进行建模，也需要对微网系统级控制器及管理系统进行建模，建立系统整体运行控制和能量优化管理模型[4-12,16-19,22-36]。

1）微网单元级。

首先需要对微网系统中的各种供热、供电、储能单元及相关单元级控制器进行单元级建模，包括系统各组成单元的数学模型、以可再生能源为初始能源的DER单元出力的随机模型、储能单元的充放电控制模型等。对以可再生能源为初始能源的DER单元的能量预测是其中一个重要的方面。准确预测长期、短期甚至超短期太阳能、风能发电单元的发电能力，是合理规划微网系统的基础，也是保证微网系统可靠运行的关键之一。

2）微网系统级。

微网系统有多种DER单元的存在，监控系统的控制方式也不完全相同于常规电力系统分层控制的方式，因而需要为各DER单元间的协调、系统的集成运行开发相应的微网系统级运行控制及能量优化管理软件，如短期甚至超短期的可再生能源的能量预测和负荷需求预测、机组组合、经济调度、实时管理等应用软件。电力电子变换器的控制是微网系统运行控制尤其是动态运行过程中需重点考虑的一个问题。

除此之外，系统的电源、负荷可以是单相也可以是三相的，电路可以是三线制、四线制甚至五线制的，系统可以是单点接地也可以是多点接地的，这些导致系统不对称、不均衡，使得现有针对互联电力系统的分析方法不完全适用于微网系统。因而，需要开发一些系统稳态和动态工具，以进行性能仿真和分析，如潮流分析、动态电压控制、系统不平衡、不对称的预测和评估、不同组成单元的动态交互及对系统稳定性的影响等。

目前，美国电气可靠性技术措施解决方案联合会(consortium for electric reliability technology

solution，CERTS)已经提出了分布式电源用户侧模型DER-CAM，并正在开发微网分析工具µGrid；通用公司正在开发和检验微型电网的能量管理系统，以提供联合控制、保护和能量管理平台；日本Hachinohe微网示范工程既考虑了储能等变化周期较长的因素，也考虑了能量的实时供需平衡等短周期变化的因素，并开发了相关的能量管理系统。

6 经济性评估

微网通过就地供电，与常规系统相比能降低输变电投资和网损，提高供电可靠性，加上技术创新及可再生能源的利用，能减少温室气体的排放，但是也存在DER单元发电成本较高等问题。大多数情况下，系统经济性分析是基于安装费用、运行与维修费用以及为满足可靠性需求的辅助设备费用、电能质量和污染物排放控制费用等。当然，因为价格因素随电力市场、当地的燃料市场、负荷需求的时间段和主网提供的电能可靠性变化而变化，一些分布式能源在特殊时间、特殊场合下的发电费用可能会增加或降低。如何确定微网运行的经济效益，并提出系统性的评估方法将是评估微网经济性时需重点解决的问题。

7 结论

1）由于能量产生、储存和传输方式的不同，分布式发电与微网技术将在可再生能源利用、电力系统解除管制与重构过程中扮演重要角色。

2）微网系统的稳定运行控制与能量优化管理既依赖于先进的单元级控制技术，也依赖于系统级合理的集成控制技术，其中分布式储能子系统的优化设计与调度运行尤其值得关注。

3）微网系统网络拓扑的优化设计和DER单元的优化配置对实现整个系统效益最大化具有重要作用。同时，如何对微网进行有效的经济性评估是有待深入研究的课题。

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收稿日期：2009-03-23。 作者简介：

丁明(1956—)，男，教授，博士生导师，研究方向为电力系统规划与可靠性、新能源及其利用、分布式发电等，E-mail：[email protected]；

张颖媛(1984—)，女，博士研究生，研究方向为分布式发电、微网能量管理，E-mail：zhyyer

丁明

@126.com；

茆美琴(1961—)，女，教授，硕士生导师，研究方向为新能源及其

利用、分布式发电、电力电子与电力传动等，E-mail：mmqmail @163.com。

（责任编辑

杜宁）