微电网

2008年8月Power System Technology Aug. 2008 文章编号：1000-3673（2008）16-0027-05 中图分类号：TM727 文献标识码：A 学科代码：470·4099

微电网的研究现状及在我国的应用前景

郑漳华，艾芊

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市闵行区200240）

Present Situation of Research on Microgrid and Its Application Prospects in China

ZHENG Zhang-hua，AI Qian

（School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，

Minhang District，Shanghai 200240，China）

ABSTRACT: In this paper, at first the appearance background of microgrid and its meaning as well as the concept and structure of microgrid are presented, and a classical diagram of microgrid is given. Then, the present development of microgrids in United States, Europe and Japan and demonstration projects are described in detail, the development ideas and the future development direction of microgrids in these places are compared and summarized. At last, the significance of microgrids in future development of power grids in China is prospected and some problems to be especially considered in the domestic research on microgrid are put forward.

KEY WORDS: microgrid；distributed generation (DG)；power quality and reliability (PQR)

摘要：首先介绍了微电网概念的产生背景和意义以及微电网的概念和结构，并给出了微电网的经典示意图；然后详细介绍了美国、欧洲和日本微电网的发展现状及其示范工程，对比了3者不同的微电网发展理念，概述了其微电网的未来发展方向；最后，展望了微电网对于中国未来电网发展的重要意义，提出了国内微电网研究应重点考虑的一些问题。

关键词：微电网；分布式发电；电能质量与供电可靠性

0引言

进入21世纪以来，随着石油价格的日益上涨，世界范围内的能源供应持续紧张，合理开发利用绿色能源已经成为一个重要课题。开发利用清洁高效的可再生能源是解决未来世纪能源问题的主要出路。目前常见的几种新能源包括太阳能、风能、生物质能等，均为分布式电源(distributed energy resources，DERs)。相应的一些发电技术称为分布式发电技术(distributed generation，DG)，又称分散式发电(dispersed generation)，也称嵌入式发电(embedded generation)。DG指的是通过在配电网建立单独的发电单元来对重要负荷进行供电，并通过PCC (point of common coupling)和外界电网进行能量交换。分布式发电一般靠近负荷用户，通过将电能和热能的利用相结合来提高能量的利用率。同时，又由于发电的位置离负荷距离较近，故还可以提高电能质量和供电的可靠性。大电网与分布式发电相结合，被国内外许多专家学者认为是降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式[1]。综上所述，分布式发电主要有以下几个特点：

（1）提高能量利用率。

（2）减少各种碳化物的排放，比较环保。

（3）提高电能质量和供电的可靠性。

（4）减少了由电能远距离传输所带来的线损和各种稳定方面的问题。

（5）延缓了由于负荷不断增长所造成的电网的不断膨胀。

尽管DERs有投资低、环保好、灵活性高等优点，但是它对大电网的影响确是不得不考虑的一个重要问题。IEEE P1547对分布式能源的单独并网标准做了规定：当电力系统发生故障时，分布式能源必须马上退出运行。这就大大限制了分布式能源的充分发挥，也间接限制了对新能源的利用[2]。为了能尽可能地利用分布式发电所带来的经济效益和对可靠性的改善，并尽量减少其对主网的冲击，微电网(microgrids)的概念[3-8]被提了出来。

本文主要关注目前微电网在世界上的发展现

基金项目：国家863高技术基金项目(2007AA05Z458)。

The National High Technology Research and Development of China 863 Program ( 2007AA05Z458)．

状，着重介绍世界上主要微电网的研究和示范工程，通过对比各国微电网研究所存在的差异，提出中国微电网研究所需要重点解决的问题，为中国微电网的发展提供参考。

1 微电网的概念

微电网[9-11]是规模较小的分散的独立系统，它采用了大量的现代电力技术，将燃气轮机、风电、光伏发电，燃料电池，储能设备等并在一起，直接接在用户侧。对于大电网来说，微电网可被视为电网中的一个可控单元，它可以在数秒钟内动作以满足外部输配电网络的需求[12]；对用户来说，微电网可以满足他们特定的需求，如增加本地可靠性、降低馈线损耗、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用的效率及提供不间断电源等。微电网和大电网通过PCC进行能量交换，双方互为备用，从而提高了供电的可靠性。图1展示了光伏发电、风能、燃料电池、微型燃气轮机等微电源形式，其中一些接在热力负荷附近，可以为当地用户提供热源，从而提高了能量的利用率[13]。

图1微电网示意图

Fig. 1 The sketch map of microgrid

微电网解决了DERs并网的问题，并且由于所采用的先进的电力电子技术是灵活可控的，因此微电网可以利用DERs对微电网的潮流流动进行有效调节。微电网作为对单一大电网的有益补充，其广泛应用的潜力巨大。目前，世界上一些主要发达国家和地区，如美国、欧盟、日本和加拿大等，都开展了对微电网的研究。

2 美国微电网的研究现状

2.1 概述

美国最早提出了微电网概念，近年来，其微电网研究一直在有条不紊地进行着。美国的微电网研究项目主要受到了美国能源部的电力提供和能源可靠性办公室、加州能源委员会的资助，其研究的重点主要集中在满足多种电能质量的要求、提高供电的可靠性、降低成本和实现智能化等方面[14-15]。2.2 可靠性技术解决方案协会微电网

1999年，可靠性技术解决方案协会(the Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS)首次对微电网在可靠性、经济性及其对环境的影响等方面进行了研究。到2002年，较为完整的微电网概念被提出来，CERTS给出的微电网定义是：微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必要的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等方面的要求。后来，美国北部电力系统承建了第一个微电网示范工程。和世界上其他微电网项目一样，CERTS的微电网考虑的也是当微电网和主网因为故障突然解列时，微电网还能够维持对自身内部的负荷的电能供应，直到故障排除。CETRS微电网所接入的DERs都是峰值≤2MW的小机组，这就避免了采用快速却昂贵的控制，并且使得系统具有很好的鲁棒性。

图2所示的CERTS微电网有3条馈线及负载，网络呈辐射状结构[6]。该微电网内的微电源可以为光伏发电、微型燃气轮机和燃料电池等微电源形式，靠近热力用户的微电源还可以为本地用户提供热源，从而保证了能量的充分利用。当负荷变化时，该微电网的本地微电源自行调节功率输出。微电网中还配备了能量管理器和潮流控制器，能实现对整个微电网的综合控制和优化。该微电网与大电网只有一个公共连接点，并且它是不向大电网输出能量的。所以，从系统的角度来看，该微电网也可以看成是一个单一的可控负荷。

能量管理器

潮流

控制器

静态

开关

线路C：可中断负荷

线路B：可调节负荷

线路A：敏感负荷

图2 CERTS提出的微电网结构

Fig. 2 The structure of microgrid put forward by CERTS

从图2可以看出，该微电网有3类对供电质量有不同要求的负荷，即敏感负荷、可调节负荷、可中断负荷。馈线C和主网有直接联系，当主网的供电质量出现诸如电压跌落等问题时，静态开关将跳开，线路A和线路B形成独立运行的系统，直到主网恢复到正常状态。CERTS微电网是一个分散的即插即用系统(plug-and-play system)，整个系统的灵活性很好，发电机组可以安置在能够使能量得到充分利用的地方，进而提高了能量的利用率。

CERTS微电网的可行性研究已经在威斯康星大学麦迪逊分校的实验室得到了初步检验。威斯康星大学麦迪逊分校微电网于2001年建立，目前的系统容量为200kW，电压等级为280V/480V。CERTS计划对微电网进行全面检验，近期，美国俄亥俄州哥伦布杜兰技术中心已经开始了对微电网的全面测试。CERTS的微电网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、随时可接入的DERs等。这些突出的特点使它成为世界上所提出的微电网中最权威、认可度最高的一个。

2.3 其他微电网研究

美国能源部还与通用电气共同资助了第二个“通用电气(General Electric Company，GE)全球研究(Global Research)”计划，投资约400万USD。GE的目标是开发出一套微电网能量管理系统(microgrid energy management，MEM)，使它能向微电网中的器件提供统一的控制、保护和能量管理平台。MEM 的设计旨在通过优化对微电网中互联元件的协调控制来满足用户的各种需求，如运行效率最高、运行成本最小等等。这项微电网计划分两个阶段施行，第一个阶段已经完成，该阶段主要对一些基础的控制技术和能量管理技术方面进行研究，并探索该计划的市场前景。第二阶段计划在2008年中完成，主要是将第一阶段的技术在具体的模型下进行仿真，并建造示范工程进行具体的实现。这项微电网计划对于目前该领域的其他微电网研究是一个很好的补充。CERTS微电网研究主要集中在对DERs的设计和鲁棒控制，GE微电网则更多地关注在外部监控回路的研发上，以及对能量利用和运行成本的优化上。

除了上述微电网研究之外，在美国还开展了许多在这方面的研究，它们促进了微电网的发展，如加州能源委员会资助的分布式效能集成测试平台、美国国家可再生能源实验室所完成的对佛蒙特州微电网的安装和运行的检验。

3 欧洲微电网的研究现状

3.1 概述

欧洲DERs的研究和发展主要考虑的是有利于满足能源用户对电能质量的多种要求以及欧洲电网的稳定和环保要求等。微电网被认为是未来电网的有效支撑，它能很好地协调电网和DERs之间的矛盾，充分发挥DERs的优势。欧洲各国对微电网的研究越来越重视，近几年来各国之间开展了许多合作和研讨。2005年，欧洲提出“Smart Power Networks”概念[16]，欧盟微电网项目(European Commission Project Microgrids)给出的定义是利用一次能源；使用微型电源，分为不可控、部分可控和全控三种，并可冷、热、电三联供；配有储能装置；使用电力电子装置进行能量调节[16-17]。

3.2 欧盟第五框架计划

欧洲的微电网研究引起了欧洲各国的广泛关注，主要分为两个阶段，第一个是欧盟第五框架计划(5th Framework Program，FP5)中，专门拨款450万欧元的微电网研究资助计划。该计划由雅典国家技术大学(National Technical University of Athens，NTUA)组织，14个成员来自欧盟的7个国家，还有很多高校的参与，如the University of Manchester(英国)、INESC Porto(葡萄牙)、Ecole de Mines(法国)等。该项目已完成并且取得了一些很具启发意义的研究成果，如DERs的模型、可用于对逆变器控制的的低压非对称微电网的静态和动态仿真工具、孤岛和互联的运行理念、基于代理的控制策略、本地黑启动策略、接地和保护的方案、可靠性的定量分析、实验室微电网平台的理论验证等。

3.3 欧盟第六框架计划

欧洲微电网研究的第二个阶段名为“Advanced architectures and control concepts for more microgrid”，欧盟第六框架计划(6th Framework Programme，FP6)资助850万欧元。目前，这项计划正在进行中。该计划仍然是由NTUA组织，参与的厂商有Siemens、ABB、SMA、ZIV、I-Power、Anco、Germanos等，还有来自英国、法国、德国、西班牙等国的许多专家学者。这项新计划的研究目标包括：

（1）研发新型的分布式能源控制器，以保证微电网的高效运行。

（2）寻找基于下一代通信技术的控制策略。

（3）创造新的网络设计理念，包括新型保护方案的应用和考虑工作在可变的频率下等。

（4）各种微电网在技术和商业方面的整合。

（5）微电网在技术和商业方面的协议标准。

（6）研发合适的硬件设备，使微电网具有即插即用的能力。

（7）研究微电网对大电网运行的影响，包括地区性的和大范围的影响。

（8）研究微电网能给欧洲电网在供电可靠性、网络损耗和环境等方面带来的改善。

（9）探索微电网的发展对基础电网发展的影响，包括其增强和替代老化的欧洲电网的可行性分析。

目前，欧洲的微电网示范工程主要有希腊基斯诺斯岛微电网、德国曼海姆Wallstadt居民区示范工程、西班牙LABEIN项目、葡萄牙EDP项目、葡萄牙Continuon项目、意大利CESI项目、丹麦ELTRA项目等。

欧洲所有的微电网研究计划都围绕着可靠性、可接入性、灵活性3个方面来考虑。电网的智能化、能量利用的多元化等将是欧洲未来电网的重要特点。

4 日本微电网研究

4.1 概述

目前日本在微电网示范工程的建设方面处于世界领先地位。日本政府十分希望可再生能源(如风能和光伏发电)能够在本国的能源结构中发挥越来越大的作用，但是这些可再生能源的功率波动性降低了电能质量和供电的可靠性。微电网能够通过控制原动机平衡负载的波动和可再生能源的输出来达到电网的能量平衡，例如配备有储能设备的微电网能够补偿可再生能源断续的能量供应。因此从大电网的角度看，该微电网相当于一个恒定的负荷。这些理念促进了微电网在日本的发展，使日本的微电网对于储能和控制十分重视。有日本学者提出了灵活可靠性和智能能量供给系统(flexible reliability and intelligent electrical energy delivery system，FRIENDS)[18]，利用FACTS元件快速灵活的控制性能实现对配电网能量结构的优化[18-19]。

4.2 新能源与工业技术发展组织微电网

新能源与工业技术发展组织(new energy and industrial technology development organization，NEDO)是日本为了较好地利用新能源而专门成立的，它负责统一协调国内高校、企业与国家重点实验室对新能源及其应用的研究。NEDO在2003年的“Regional Power Grid with Renewable Energy Resources Project”项目中，开始了3个微电网的试点项目[18]。这3个测试平台的研究都着重于可再生能源和本地配电网之间的互联，分别在青森县、爱知和京都，可再生能源在3个地区微电网中都占有相当大的比重。

中部机场的爱知微电网是NEDO建立的第一个微电网示范工程，2005年日本爱知世博会时投入使用。2006年，该系统迁到名古屋市附近的中部机场，并于2007年初开始运行。该微电网的最大特点是它的电源大都为燃料电池：2个高温熔化碳酸盐燃料电池(270kW和300kW)，4个磷酸盐型燃料电池(各200kW)，一个固体氧化物燃料电池(50kW)。系统中总的光伏发电容量为330kW，此外还有一个500kW的钠硫磺电池组用于功率的平衡。

青森县的微电网于2005年10月投入运行，计划作为示范工程一直运行到2008年3月，这期间进行电能质量和供电可靠性、运行成本等方面的评估。该微电网组的最大特点是只使用可再生的能源(100kW)进行供电。可控的DERs包括3个以沼气为燃料的发电机组(共510kW)、1个100kW的铅酸电池组和1个1.0t/h的锅炉。该微电网能够节省约57.3%的能耗，同时减少约47.8%的碳化物排放量。

京都微电网2005年12月投入运行，它主要由以下几方面构成：50kW光伏发电系统、50kW风力发电系统、5×80kW沼气电池组、250kW高温熔化碳酸盐燃料电池及100kW电池组。该系统的控制中心能够在5min之内实现系统能量的平衡，也可以根据需要设置更短的时限。

5 各国微电网研究的对比及微电网在中国的应用前景

美国近年来发生了几次较大的停电事故，使美国电力工业十分关注电能质量和供电可靠性，因此美国对微电网的研究着重于利用微电网提高电能质量和供电可靠性。

日本本土资源匮乏，其对可再生能源的重视程度高于其他国家，但很多新能源具有随机性，穿透功率极限限制了新能源的应用，所以日本在微电网方面的研究更强调控制与电储能。

欧洲希望通过优化从电源到用户的价值链来推动和发展DERs，以使用户、电力系统及环境受

益。欧洲互联电网中的电源大体上靠近负荷，比较容易形成多个微电网，所以欧洲微电网的研究更多关注于多个微电网的互联问题。

2008年初的冰雪天气导致我国发生大面积停电，暴露了我国现有的网架结构在保障用户供电方面所存在的薄弱环节。微电网既可以联网运行，又可以孤岛运行，能保证在恶劣天气下对用户供电。微电网在满足多种电能质量要求和提高供电可靠性等方面有诸多优点，使它完全可以作为现有骨干电网的一个有益而又必要的补偿。另一方面，我国“十一五”规划纲要提出了建成5GW风电的发展目标，在不久的将来将有风电和光伏等DERs不断接入电网。微电网在协调大电网与DERs间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益等方面具有优势，使其能够在中国未来电网的发展中发挥很重要的作用。但是，中国微电网的发展尚处在起步阶段，在今后微电网的研究和发展中，以下几个方面的问题需要给予更多的关注：

（1）微电网中含有多个微电源，各微电源之间的协调控制是一个需要重点考虑的问题。微电网中含有传统的电源方式(燃气轮机等)、新型的DERs(风电和光伏等)和各种储能元件。这些元件的时间常数各不相同，而电力系统中的能量都是瞬时平衡的，如何协调这些元件的控制策略，保持微电网运行的稳定性，尽最大可能利用微电网中的分布式发电所带来的经济效益和对可靠性的改善，尽量减少这些不可控源对主网的冲击等，都需要做进一步的探讨和研究。

（2）微电网中引入了很多先进的电力电子设备，它们大都是灵活可控的，如何实现对这些设备的智能控制和最优控制也是一个很重要的问题。微电网中的最优控制问题为一个多目标非线性的控制问题，国内外的许多学者提出了很多智能方法，如遗传算法和粒子群法等，这些方法多为离线计算，很难实现在线监测和实时控制。需要寻找新的满足微电网要求的优化算法和控制策略。

（3）微电网和上级电网是互为备用、相互支持的一个有机整体。加强微电网和主网之间的协调控制，以提高微电网对上级电网的支撑能力对于电网的稳定具有重要意义。

（4）微电网在并网和孤岛运行下的稳定性分析。在保持本地电压稳定的同时，降低馈线损耗，提高微电网的能量利用率。

（5）微电网中的微电源，如风电、光伏发电等，大都采用全控型换流器，这些电力电子设备的引入很可能会带来一些谐波方面的问题。因此，对于微电网谐波问题需要做进一步的探讨和研究。

（6）现有的小发电机组并入微电网的可行性分析。中国目前有许多老的发电机组因为煤耗率过高已经停运或面临着拆除。这些机组容量较小，却又大都靠近负荷区。微电网是冷、热、电三联供系统，所采用的传统的发电机组是小型的发电机组。基于此，可以考虑对现有小型发电机组进行技术改造，将其并入微电网，组成区域性的小型微网，从而实现对现有资源的合理再利用，减少新的投资费用。

6 结论

微电网的出现将从根本上改变传统的应对负荷增长的方式，其在降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性等具有巨大潜力。世界上很多国家都参与到微电网的研究和开发中，建立了很多微电网示范工程和测试平台，关于微电网的理论和实验研究已经取得了一定成果，国际间的研讨和交流也极大地推动了微电网的发展。但是在如何实现微电网的最优控制、微电网的监控和微电网对上级电网的支撑等方面仍存在诸多问题，有待于进一步研究。微电网的发展在我国尚处在起始阶段，文献[1]中不间断电力变电站的概念体现了微电网的思想，但是我国微电网的概念还没有形成，微电网在中国的发展方向和特点有待于专家学者们的进一步研究。

参考文献

[1] 李峰，李兴源，郝巍．不间断电力变电站中分布式电源接入系统

研究[J]．继电器，2007，35(10)：13-19．

Li Feng，Li Xingyuan，Hao Wei. A research of the distributed generation in the uninterrupted power substation connected to the grid[J]．Relay，2007，35(10)：13-19(in Chinese)．

[2] 鲁宗相，王彩霞，闵勇，等．微电网研究综述[J]．电力系统自动

化，2007，31(19)：100-107．

Lu Zongxiang，Wang Caixia，Min Yong，et al. Overview on microgrid research[J]．Automation of Electric Power Systems，2007，31(19)：100-107(in Chinese)．

[3] Caire R，Retiere N，Martino S，et al．Impact assessment of LV

distributed generation on MV distribution network[C]．2002 IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，Chicago，2002：1428-1423.

[4] Niknam T，Ranjabar A M，Shirani A R．Impact of distributed

generation on V olt/Var control in distribution networks[C]．IEEE Power Tech Conference Proceedings，Bologna，2003．

[5] Lasseter R H，Paigi P．Microgrid: a conceptual solution[C]．IEEE

Power Electronic Specialists Conference，Aachen，2004．

（下转第58页continued on page 58）