微電網關鍵技術及研究現狀

朱永利，姚建國，劉驥

(國網電力科學研究院，江蘇南京210003)

相對于傳統大電網的新概念，微電網是指由多種分布式發電（DG）及負荷按照一定拓撲組成，通過并網開關和主網相連的小型供電網絡。其域內多個DG連接的主饋線稱為公共連接點（PCC）。當主網發生擾動時，微電網能無縫切換至離網運行從主網脫離。所謂無縫，即對重要敏感負荷的供電不受影響。當主網擾動清除后，微電網又能重新同步并入主網。微電網技術與常規DG的本質區別在于：前者允許并且人為安排離網運行；后者禁止離網（孤島）運行。此區別是由兩者在配網中的不同地位所決定的：前者從其概念提出之際即被當作是一個獨立的電力系統，其設計宗旨為與配網互利共生，無縫切換及即插即用；而后者在配網中的地位是負荷層，確切說是有源負荷。自本世紀初其概念誕生至今，微電網技術取得了快速發展。文中簡要介紹了微電網的組成及關鍵技術，闡述了近年來微電網技術的研究熱點及國內外應用研究現狀。

1 微電網技術簡介

1.1 微電網的組成

微電網的組成包括：（1）微電源或微源，內容涵蓋風電、光伏、燃料電池、微型燃氣輪機、生物質發電等分布式電源；（2）儲能裝置，包括功率型（如飛輪、超級電容）和能量型（如鉛酸電池、鋰電池）；（3）監控單元及調度體系；（4）負荷，包括不可中斷負荷和可中斷負荷；（5）離并網開關，用于將微電網與主網分合。

1.2 微電網的關鍵技術

微電網關鍵技術包括：新型電力電子技術、故障監測與保護技術、通信技術、規劃技術、運行控制及能量管理技術等。美國、歐洲、日本等地區開展微電網研究已有多年。近年，我國也開始關注這一領域，并已在北京、鄭州和廣東等地建設了試點工程。就微源與微電網的協調及微電網自身與主網的協調而言，其尚存的技術難點包括：（1）離并網時的無縫切換技術；（2）儲能技術及成本；（3）不同時間尺度上微電網內的電量自平衡。

2 微電網技術的研究熱點

微電網概念自提出以來，學術界的研究方向主要包括：（1）微電網控制技術；（2）微電網的負荷跟蹤及能量管理；（3）微電網保護。近年來的研究則衍生出一些新的熱點，可將其劃分為2類：一是將傳統大電網、配電網的研究課題直接或改動后植入微電網環境下進行新的學術審視和考察，在新背景下繼續挖掘“舊課題”的新內涵，如將傳統的黑啟動概念下放到微電網中，就衍生出微電網黑啟動能力的研究[1]。二是一些拓新課題，如微電源建模、微電網通信架構和技術[2]。

2.1 微電網的能量管理

微電網的能量管理是指通過調節微源及儲能出力、投切負荷、改變網架結構等手段以滿足不同時間尺度上系統的能量平衡和頻率穩定。頻率波動來自兩方面：（1）風、光等間歇性能源的出力波動；（2）主網與微電網交換功率的波動。微電網離網時的頻率控制問題，實質是選取某個或多個出力源參與頻率調節的過程。例如，對于燃料電池，可通過控制其電解槽的動態響應來平衡系統有功波動[3]。對于交直流混合微電網，由于直流微電網不存在頻率問題，因此能量管理策略上允許更靈活，其核心是維持交直流母線電壓的穩定。

在頻率調節方面，儲能具有重要作用。蓄電池等能量型儲能用以平抑數分鐘乃至數小時尺度上的能量波動，著眼點是宏觀上的能量平衡；而飛輪等功率型儲能用于應對毫秒級乃至分鐘級的短時功率波動，著眼點是微觀上的瞬時功率平衡。但是如何實現不同時間尺度上控制策略的自適應切換是實踐中的難點。

能量管理的另一個研究熱點是微源、儲能及負荷的優化運行。與傳統配電網不同，此類問題的求解需考慮微電網自身的特點：（1）潮流控制模式，即是否允許雙向潮流，雙向潮流的上下限等都會影響微電網的運營成本。（2）微電網經調問題本質上是多目標的，其目標函數除發電成本外，還需考慮各種環境因素，如最小化碳排放治理成本及離并網切換時用戶的停電成本。（3）微電網經調問題本質上是多約束的，需考慮運行模式（并網或離網）、電價機制（如分時電價）、是否提供輔助服務（如供熱）等約束。此外，求解算法上，人工智能算法如粒子群、模糊優化等也有所應用[4]。

2.2 微電網的控制策略

早在1998年，Lasseter等在針對分布式電源控制的討論中就提出了基于逆變器下垂控制來分攤負荷的思想。其認為可將光伏、燃料電池等出力源視為“原動機”范疇，依靠儲能配合可實現不論何種原動機類型的微源接入，微電網對外部電網和負荷都能表現出“一致性”[5]。

微電網除了并網、離網2種穩態運行模式外，還存在二者間的過渡過程。過渡過程的電能質量優劣與否是評價微電網控制策略的重要判據之一。微電網的不同運行方式及微源并網接口的拓撲形式都會導致其控制策略的多樣性。此外，儲能單元的配置也會影響控制策略的選取。微電網的控制微觀上主要是對電力電子變換器的控制，變換器作為微源與微電網的主要接口扮演著能量轉化和擾動緩沖的重要角色。其研究的另一重點是離網下的自治穩定運行。微電網離網運行較之并網運行的最大區別在于：并網時，其從PCC處獲取主網電壓的頻率及幅值參考信號以和主網同步運行，離網時，其需設定新的參考信號以實現自治運行。

就學術界已提出的微電網控制架構來說主要有2類，一類是以歐盟MICROGRIDS項目提出的微電網中央控制器（MGCC）為代表的主從控制，可以是單主或多主模式[6]；另一類是以美國CERTS微電網為代表的對等控制，各微源處的控制器都能響應系統負荷需求并自動分攤且無需借助和其他微源間的通信。

當前，主從控制的研究主要圍繞MGCC為核心的控制體系展開。如將模糊理論用于微源本地控制器的設計[7]；將最小化勢函數法用于MGCC的設計等[8]。當然，主從控制需借助MGCC與各微源本地控制器間的頻繁通信，故會增加系統成本。

對等控制的研究重點是對傳統下垂控制器進行改進。針對低壓線路呈阻性的特點，有學者提出基于虛擬同步旋轉軸的解耦控制策略[9]。針對傳統下垂控制存在的抗干擾性差等不足，有2種改進措施，一是從外環入手，如采用帶高階微分修正項的下垂控制或自適應變下垂系數以克服離網下的不確定擾動。二是修改內環，如引入高級滑模控制算法[10]，避免微電網電壓在負荷或電源出力劇烈變化時震蕩。

實踐中由于下垂深度不能太大等原因，下垂控制在當前實際工程中應用較少，大多采用主從控制。考慮到未來通信成本的進一步下降，各種實用化的主從控制算法的實現和改進仍是今后一段時期微電網控制研究的重點。

2.3 微電網的穩定性

當前，對微電網穩定性的研究多集中于小擾動穩定性分析，研究手段大多為用狀態空間法對微電網系統建模，在平衡點處線性化后求出狀態矩陣的特征根來進行穩定性判定。就穩定性而言，微電網的一個特點是其網內會存在較多分散接入的間歇性出力源，因此在研究穩定性時可考慮隨機性因素，由此也衍生出基于概率理論的穩定分析算法，如點估計法[11]。另一顯著不同在于，微電網中可能同時存在旋轉型和逆變型電源，尤其是同時考慮旋轉型及逆變型電源時，研究思路較為新穎，可以探討諸如微電網臨界穩定時，逆變型電源與旋轉型電源的出力比例等問題。

此外，現有研究大多針對微電網自身穩定性而未涉及微電網與配網穩定性的相互影響，鑒于此，后者可作為微電網穩定性進一步的研究方向。

2.4 微電網的建模仿真

微電網的建模仿真主要集中于微源本體建模和逆變器等電力電子接口建模。從工具上來看，以MATLAB/Simulink和PSCAD/EMTDC為主。也有學者從較新的視角針對微電網某一專題采用多學科手段建模，如將風電、光伏出力用概率分布進行表征，并采用蒙特卡羅法對微電網供電可靠性進行分析[12]；或借助負荷建模理論，利用元件的相似性對微網整體建模[13]，也是一種新穎的研究思路。

2.5 微電網的繼電保護

微電網保護的研究源自對DG保護的研究。由于僅為少數DG保護進行分散投資，無論從成本還是保護配置維護上而言并不經濟，因此，更好解決方案是將眾DG構成微電網，并視作整體來進行保護設計[14]。然而，微電網接入會對配網保護產生如下根本性影響：

（1）傳統配網輻射供電、單向潮流的特點將不復存在，原有遵循時序配合的三段式保護需加裝方向元件或縱聯保護。配網發生故障時，微電網會提供故障電流，此時原有配網保護需重新配置。

（2）保護設計需考慮是否允許故障后微電網離網運行。微電網離網與并網2種模式下的保護設計有所不同：并網時，逆變器輸出電流受上限約束（如熱約束），故障時不能提供足夠大的短路電流，與離網運行時有較大差異，故保護配置需分開設計。針對離網時微電網的保護問題，需研究針對逆變型電源的新型故障定位及類型識別算法[15]。

微電網保護的研究趨勢包括：（1）在傳統方法上融入人工智能技術和新型暫態保護原理，以提高保護對方向信息的敏感性；（2）基于分層分區或多代理思想的多級保護體系設計；（3）直流微電網保護設計。

2.6 其他

關于微電網的潮流計算，如何盡可能少地修改雅克比矩陣以提高算法效率是研究重點，有學者主張根據出力特性劃分不同微源在潮流計算中的節點類型[16]。基于多代理系統（MAS）的控制架構是當前微電網控制領域的前沿方向之一。所謂多代理控制，即將人工智能領域的智能代理（agent）概念映射到實際微電網中的各部分，如主電網Agent、微電網Agent和元件Agent[17]。通過Agent通信來完成微電網的控制。研究手段大多是利用開源的多代理建模平臺如JADE、Zeus[18]等對Agent間的協調控制策略進行離線或實時的仿真驗證。

3 國內外應用研究現狀

近年來微電網的研究不僅在前述理論方面取得了較大進展，另一方面，國際上眾多示范工程及試驗系統也相繼建立起來[19]，為微電網應用研究奠定了基礎：美國，CERTS的微電網項目已在俄亥俄州的Dolan技術中心進行了物理裝置的測試。歐洲，希臘、德國等地已有微電網示范項目處于運行階段。日本、英國等發達國家也開展了適合本國國情的微電網研究計劃。如日本的微電網應用研究主要在其發展較成熟的光伏設施基礎上，走以家庭光伏并網發電、商業中心區燃料電池電站配合儲能為特色的微電網建設路線。

目前，國內微電網應用研究單位集中在部分高校、科研院所及電力企業，如天津大學、合肥工業大學、杭州電子科技大學、中科院電工所、中國電科院等，各自建立了相應的微電網示范項目或實驗室，研究微電網的控制、運行及對主網安全穩定運行的影響。實際工程方面，由于牽涉到電網的正常運營，因此必須由電網公司主導進行，如國家電網公司建設的河南財專微電網示范工程，作為國內第一個正式投入運行的微電網試點項目，取得了良好的運行業績和社會效益。

可以看出，當前國內微電網應用研究的特點是涉研單位較廣，但尚無某個機構擁有完整的集試驗、仿真、檢測等功能于一體的微電網應用研究平臺。因此，就微電網應用研究而言，我國目前在國際上的知名度和影響力還較為有限，另一方面也表明在國家電監會及各電網公司等部門的政策支持下，國內相關單位在此領域還大有可為。

4 結束語

綜上所述，微電網是以逆變型微電源為主的小型供電網絡，能量管理上具有較高的自治性和靈活性，其核心技術是離網穩定運行及離并網時的無縫切換。文中認為微電網技術后續的研究可著眼于：微電網能量管理及通信架構；實用化的離網運行控制及無縫切換技術；微電網與配網穩定性的相互影響；微電網繼電保護的新算法和新架構；微電網運營的政策法規研究；微電網建模仿真及一體化試驗平臺。

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