朱永利，姚建國(guó)，劉驥

(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003)

相對(duì)于傳統(tǒng)大電網(wǎng)的新概念，微電網(wǎng)是指由多種分布式發(fā)電（DG）及負(fù)荷按照一定拓?fù)浣M成，通過并網(wǎng)開關(guān)和主網(wǎng)相連的小型供電網(wǎng)絡(luò)。其域內(nèi)多個(gè)DG連接的主饋線稱為公共連接點(diǎn)（PCC）。當(dāng)主網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，微電網(wǎng)能無(wú)縫切換至離網(wǎng)運(yùn)行從主網(wǎng)脫離。所謂無(wú)縫，即對(duì)重要敏感負(fù)荷的供電不受影響。當(dāng)主網(wǎng)擾動(dòng)清除后，微電網(wǎng)又能重新同步并入主網(wǎng)。微電網(wǎng)技術(shù)與常規(guī)DG的本質(zhì)區(qū)別在于：前者允許并且人為安排離網(wǎng)運(yùn)行；后者禁止離網(wǎng)（孤島）運(yùn)行。此區(qū)別是由兩者在配網(wǎng)中的不同地位所決定的：前者從其概念提出之際即被當(dāng)作是一個(gè)獨(dú)立的電力系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)宗旨為與配網(wǎng)互利共生，無(wú)縫切換及即插即用；而后者在配網(wǎng)中的地位是負(fù)荷層，確切說(shuō)是有源負(fù)荷。自本世紀(jì)初其概念誕生至今，微電網(wǎng)技術(shù)取得了快速發(fā)展。文中簡(jiǎn)要介紹了微電網(wǎng)的組成及關(guān)鍵技術(shù)，闡述了近年來(lái)微電網(wǎng)技術(shù)的研究熱點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究現(xiàn)狀。

1 微電網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 微電網(wǎng)的組成

微電網(wǎng)的組成包括：（1）微電源或微源，內(nèi)容涵蓋風(fēng)電、光伏、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、生物質(zhì)發(fā)電等分布式電源；（2）儲(chǔ)能裝置，包括功率型（如飛輪、超級(jí)電容）和能量型（如鉛酸電池、鋰電池）；（3）監(jiān)控單元及調(diào)度體系；（4）負(fù)荷，包括不可中斷負(fù)荷和可中斷負(fù)荷；（5）離并網(wǎng)開關(guān)，用于將微電網(wǎng)與主網(wǎng)分合。

1.2 微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)包括：新型電力電子技術(shù)、故障監(jiān)測(cè)與保護(hù)技術(shù)、通信技術(shù)、規(guī)劃技術(shù)、運(yùn)行控制及能量管理技術(shù)等。美國(guó)、歐洲、日本等地區(qū)開展微電網(wǎng)研究已有多年。近年，我國(guó)也開始關(guān)注這一領(lǐng)域，并已在北京、鄭州和廣東等地建設(shè)了試點(diǎn)工程。就微源與微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)及微電網(wǎng)自身與主網(wǎng)的協(xié)調(diào)而言，其尚存的技術(shù)難點(diǎn)包括：（1）離并網(wǎng)時(shí)的無(wú)縫切換技術(shù)；（2）儲(chǔ)能技術(shù)及成本；（3）不同時(shí)間尺度上微電網(wǎng)內(nèi)的電量自平衡。

2 微電網(wǎng)技術(shù)的研究熱點(diǎn)

微電網(wǎng)概念自提出以來(lái)，學(xué)術(shù)界的研究方向主要包括：（1）微電網(wǎng)控制技術(shù)；（2）微電網(wǎng)的負(fù)荷跟蹤及能量管理；（3）微電網(wǎng)保護(hù)。近年來(lái)的研究則衍生出一些新的熱點(diǎn)，可將其劃分為2類：一是將傳統(tǒng)大電網(wǎng)、配電網(wǎng)的研究課題直接或改動(dòng)后植入微電網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行新的學(xué)術(shù)審視和考察，在新背景下繼續(xù)挖掘“舊課題”的新內(nèi)涵，如將傳統(tǒng)的黑啟動(dòng)概念下放到微電網(wǎng)中，就衍生出微電網(wǎng)黑啟動(dòng)能力的研究[1]。二是一些拓新課題，如微電源建模、微電網(wǎng)通信架構(gòu)和技術(shù)[2]。

2.1 微電網(wǎng)的能量管理

微電網(wǎng)的能量管理是指通過調(diào)節(jié)微源及儲(chǔ)能出力、投切負(fù)荷、改變網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等手段以滿足不同時(shí)間尺度上系統(tǒng)的能量平衡和頻率穩(wěn)定。頻率波動(dòng)來(lái)自兩方面：（1）風(fēng)、光等間歇性能源的出力波動(dòng)；（2）主網(wǎng)與微電網(wǎng)交換功率的波動(dòng)。微電網(wǎng)離網(wǎng)時(shí)的頻率控制問題，實(shí)質(zhì)是選取某個(gè)或多個(gè)出力源參與頻率調(diào)節(jié)的過程。例如，對(duì)于燃料電池，可通過控制其電解槽的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)平衡系統(tǒng)有功波動(dòng)[3]。對(duì)于交直流混合微電網(wǎng)，由于直流微電網(wǎng)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(wěn)定。

在頻率調(diào)節(jié)方面，儲(chǔ)能具有重要作用。蓄電池等能量型儲(chǔ)能用以平抑?jǐn)?shù)分鐘乃至數(shù)小時(shí)尺度上的能量波動(dòng)，著眼點(diǎn)是宏觀上的能量平衡；而飛輪等功率型儲(chǔ)能用于應(yīng)對(duì)毫秒級(jí)乃至分鐘級(jí)的短時(shí)功率波動(dòng)，著眼點(diǎn)是微觀上的瞬時(shí)功率平衡。但是如何實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間尺度上控制策略的自適應(yīng)切換是實(shí)踐中的難點(diǎn)。

能量管理的另一個(gè)研究熱點(diǎn)是微源、儲(chǔ)能及負(fù)荷的優(yōu)化運(yùn)行。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)不同，此類問題的求解需考慮微電網(wǎng)自身的特點(diǎn)：（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(huì)影響微電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)成本。（2）微電網(wǎng)經(jīng)調(diào)問題本質(zhì)上是多目標(biāo)的，其目標(biāo)函數(shù)除發(fā)電成本外，還需考慮各種環(huán)境因素，如最小化碳排放治理成本及離并網(wǎng)切換時(shí)用戶的停電成本。（3）微電網(wǎng)經(jīng)調(diào)問題本質(zhì)上是多約束的，需考慮運(yùn)行模式（并網(wǎng)或離網(wǎng)）、電價(jià)機(jī)制（如分時(shí)電價(jià)）、是否提供輔助服務(wù)（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(yōu)化等也有所應(yīng)用[4]。

2.2 微電網(wǎng)的控制策略

早在1998年，Lasseter等在針對(duì)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(lái)分?jǐn)傌?fù)荷的思想。其認(rèn)為可將光伏、燃料電池等出力源視為“原動(dòng)機(jī)”范疇，依靠?jī)?chǔ)能配合可實(shí)現(xiàn)不論何種原動(dòng)機(jī)類型的微源接入，微電網(wǎng)對(duì)外部電網(wǎng)和負(fù)荷都能表現(xiàn)出“一致性”[5]。

微電網(wǎng)除了并網(wǎng)、離網(wǎng)2種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式外，還存在二者間的過渡過程。過渡過程的電能質(zhì)量?jī)?yōu)劣與否是評(píng)價(jià)微電網(wǎng)控制策略的重要判據(jù)之一。微電網(wǎng)的不同運(yùn)行方式及微源并網(wǎng)接口的拓?fù)湫问蕉紩?huì)導(dǎo)致其控制策略的多樣性。此外，儲(chǔ)能單元的配置也會(huì)影響控制策略的選取。微電網(wǎng)的控制微觀上主要是對(duì)電力電子變換器的控制，變換器作為微源與微電網(wǎng)的主要接口扮演著能量轉(zhuǎn)化和擾動(dòng)緩沖的重要角色。其研究的另一重點(diǎn)是離網(wǎng)下的自治穩(wěn)定運(yùn)行。微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行較之并網(wǎng)運(yùn)行的最大區(qū)別在于：并網(wǎng)時(shí)，其從PCC處獲取主網(wǎng)電壓的頻率及幅值參考信號(hào)以和主網(wǎng)同步運(yùn)行，離網(wǎng)時(shí)，其需設(shè)定新的參考信號(hào)以實(shí)現(xiàn)自治運(yùn)行。

就學(xué)術(shù)界已提出的微電網(wǎng)控制架構(gòu)來(lái)說(shuō)主要有2類，一類是以歐盟MICROGRIDS項(xiàng)目提出的微電網(wǎng)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(guó)CERTS微電網(wǎng)為代表的對(duì)等控制，各微源處的控制器都能響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷需求并自動(dòng)分?jǐn)偳覠o(wú)需借助和其他微源間的通信。

當(dāng)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(shè)計(jì)[7]；將最小化勢(shì)函數(shù)法用于MGCC的設(shè)計(jì)等[8]。當(dāng)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(huì)增加系統(tǒng)成本。

對(duì)等控制的研究重點(diǎn)是對(duì)傳統(tǒng)下垂控制器進(jìn)行改進(jìn)。針對(duì)低壓線路呈阻性的特點(diǎn)，有學(xué)者提出基于虛擬同步旋轉(zhuǎn)軸的解耦控制策略[9]。針對(duì)傳統(tǒng)下垂控制存在的抗干擾性差等不足，有2種改進(jìn)措施，一是從外環(huán)入手，如采用帶高階微分修正項(xiàng)的下垂控制或自適應(yīng)變下垂系數(shù)以克服離網(wǎng)下的不確定擾動(dòng)。二是修改內(nèi)環(huán)，如引入高級(jí)滑?？刂扑惴╗10]，避免微電網(wǎng)電壓在負(fù)荷或電源出力劇烈變化時(shí)震蕩。

實(shí)踐中由于下垂深度不能太大等原因，下垂控制在當(dāng)前實(shí)際工程中應(yīng)用較少，大多采用主從控制?？紤]到未來(lái)通信成本的進(jìn)一步下降，各種實(shí)用化的主從控制算法的實(shí)現(xiàn)和改進(jìn)仍是今后一段時(shí)期微電網(wǎng)控制研究的重點(diǎn)。

2.3 微電網(wǎng)的穩(wěn)定性

當(dāng)前，對(duì)微電網(wǎng)穩(wěn)定性的研究多集中于小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析，研究手段大多為用狀態(tài)空間法對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)建模，在平衡點(diǎn)處線性化后求出狀態(tài)矩陣的特征根來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定性判定。就穩(wěn)定性而言，微電網(wǎng)的一個(gè)特點(diǎn)是其網(wǎng)內(nèi)會(huì)存在較多分散接入的間歇性出力源，因此在研究穩(wěn)定性時(shí)可考慮隨機(jī)性因素，由此也衍生出基于概率理論的穩(wěn)定分析算法，如點(diǎn)估計(jì)法[11]。另一顯著不同在于，微電網(wǎng)中可能同時(shí)存在旋轉(zhuǎn)型和逆變型電源，尤其是同時(shí)考慮旋轉(zhuǎn)型及逆變型電源時(shí)，研究思路較為新穎，可以探討諸如微電網(wǎng)臨界穩(wěn)定時(shí)，逆變型電源與旋轉(zhuǎn)型電源的出力比例等問題。

此外，現(xiàn)有研究大多針對(duì)微電網(wǎng)自身穩(wěn)定性而未涉及微電網(wǎng)與配網(wǎng)穩(wěn)定性的相互影響，鑒于此，后者可作為微電網(wǎng)穩(wěn)定性進(jìn)一步的研究方向。

2.4 微電網(wǎng)的建模仿真

微電網(wǎng)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(lái)看，以MATLAB/Simulink和PSCAD/EMTDC為主。也有學(xué)者從較新的視角針對(duì)微電網(wǎng)某一專題采用多學(xué)科手段建模，如將風(fēng)電、光伏出力用概率分布進(jìn)行表征，并采用蒙特卡羅法對(duì)微電網(wǎng)供電可靠性進(jìn)行分析[12]；或借助負(fù)荷建模理論，利用元件的相似性對(duì)微網(wǎng)整體建模[13]，也是一種新穎的研究思路。

2.5 微電網(wǎng)的繼電保護(hù)

微電網(wǎng)保護(hù)的研究源自對(duì)DG保護(hù)的研究。由于僅為少數(shù)DG保護(hù)進(jìn)行分散投資，無(wú)論從成本還是保護(hù)配置維護(hù)上而言并不經(jīng)濟(jì)，因此，更好解決方案是將眾DG構(gòu)成微電網(wǎng)，并視作整體來(lái)進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)[14]。然而，微電網(wǎng)接入會(huì)對(duì)配網(wǎng)保護(hù)產(chǎn)生如下根本性影響：

（1）傳統(tǒng)配網(wǎng)輻射供電、單向潮流的特點(diǎn)將不復(fù)存在，原有遵循時(shí)序配合的三段式保護(hù)需加裝方向元件或縱聯(lián)保護(hù)。配網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，微電網(wǎng)會(huì)提供故障電流，此時(shí)原有配網(wǎng)保護(hù)需重新配置。

（2）保護(hù)設(shè)計(jì)需考慮是否允許故障后微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行。微電網(wǎng)離網(wǎng)與并網(wǎng)2種模式下的保護(hù)設(shè)計(jì)有所不同：并網(wǎng)時(shí)，逆變器輸出電流受上限約束（如熱約束），故障時(shí)不能提供足夠大的短路電流，與離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)有較大差異，故保護(hù)配置需分開設(shè)計(jì)。針對(duì)離網(wǎng)時(shí)微電網(wǎng)的保護(hù)問題，需研究針對(duì)逆變型電源的新型故障定位及類型識(shí)別算法[15]。

微電網(wǎng)保護(hù)的研究趨勢(shì)包括：（1）在傳統(tǒng)方法上融入人工智能技術(shù)和新型暫態(tài)保護(hù)原理，以提高保護(hù)對(duì)方向信息的敏感性；（2）基于分層分區(qū)或多代理思想的多級(jí)保護(hù)體系設(shè)計(jì)；（3）直流微電網(wǎng)保護(hù)設(shè)計(jì)。

2.6 其他

關(guān)于微電網(wǎng)的潮流計(jì)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(diǎn)，有學(xué)者主張根據(jù)出力特性劃分不同微源在潮流計(jì)算中的節(jié)點(diǎn)類型[16]?；诙啻硐到y(tǒng)（MAS）的控制架構(gòu)是當(dāng)前微電網(wǎng)控制領(lǐng)域的前沿方向之一。所謂多代理控制，即將人工智能領(lǐng)域的智能代理（agent）概念映射到實(shí)際微電網(wǎng)中的各部分，如主電網(wǎng)Agent、微電網(wǎng)Agent和元件Agent[17]。通過Agent通信來(lái)完成微電網(wǎng)的控制。研究手段大多是利用開源的多代理建模平臺(tái)如JADE、Zeus[18]等對(duì)Agent間的協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行離線或?qū)崟r(shí)的仿真驗(yàn)證。

3 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究現(xiàn)狀

近年來(lái)微電網(wǎng)的研究不僅在前述理論方面取得了較大進(jìn)展，另一方面，國(guó)際上眾多示范工程及試驗(yàn)系統(tǒng)也相繼建立起來(lái)[19]，為微電網(wǎng)應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)：美國(guó)，CERTS的微電網(wǎng)項(xiàng)目已在俄亥俄州的Dolan技術(shù)中心進(jìn)行了物理裝置的測(cè)試。歐洲，希臘、德國(guó)等地已有微電網(wǎng)示范項(xiàng)目處于運(yùn)行階段。日本、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家也開展了適合本國(guó)國(guó)情的微電網(wǎng)研究計(jì)劃。如日本的微電網(wǎng)應(yīng)用研究主要在其發(fā)展較成熟的光伏設(shè)施基礎(chǔ)上，走以家庭光伏并網(wǎng)發(fā)電、商業(yè)中心區(qū)燃料電池電站配合儲(chǔ)能為特色的微電網(wǎng)建設(shè)路線。

目前，國(guó)內(nèi)微電網(wǎng)應(yīng)用研究單位集中在部分高校、科研院所及電力企業(yè)，如天津大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)、中科院電工所、中國(guó)電科院等，各自建立了相應(yīng)的微電網(wǎng)示范項(xiàng)目或?qū)嶒?yàn)室，研究微電網(wǎng)的控制、運(yùn)行及對(duì)主網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響。實(shí)際工程方面，由于牽涉到電網(wǎng)的正常運(yùn)營(yíng)，因此必須由電網(wǎng)公司主導(dǎo)進(jìn)行，如國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)的河南財(cái)專微電網(wǎng)示范工程，作為國(guó)內(nèi)第一個(gè)正式投入運(yùn)行的微電網(wǎng)試點(diǎn)項(xiàng)目，取得了良好的運(yùn)行業(yè)績(jī)和社會(huì)效益。

可以看出，當(dāng)前國(guó)內(nèi)微電網(wǎng)應(yīng)用研究的特點(diǎn)是涉研單位較廣，但尚無(wú)某個(gè)機(jī)構(gòu)擁有完整的集試驗(yàn)、仿真、檢測(cè)等功能于一體的微電網(wǎng)應(yīng)用研究平臺(tái)。因此，就微電網(wǎng)應(yīng)用研究而言，我國(guó)目前在國(guó)際上的知名度和影響力還較為有限，另一方面也表明在國(guó)家電監(jiān)會(huì)及各電網(wǎng)公司等部門的政策支持下，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位在此領(lǐng)域還大有可為。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，微電網(wǎng)是以逆變型微電源為主的小型供電網(wǎng)絡(luò)，能量管理上具有較高的自治性和靈活性，其核心技術(shù)是離網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行及離并網(wǎng)時(shí)的無(wú)縫切換。文中認(rèn)為微電網(wǎng)技術(shù)后續(xù)的研究可著眼于：微電網(wǎng)能量管理及通信架構(gòu)；實(shí)用化的離網(wǎng)運(yùn)行控制及無(wú)縫切換技術(shù)；微電網(wǎng)與配網(wǎng)穩(wěn)定性的相互影響；微電網(wǎng)繼電保護(hù)的新算法和新架構(gòu)；微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的政策法規(guī)研究；微電網(wǎng)建模仿真及一體化試驗(yàn)平臺(tái)。

[1] PECAS LOPES J A，MOREIRA C L，Resende F O.Microgrids Black Start and Islanded Operation[C].Proceedings of 15th Power Systems Computation Conference，2005.

[2] SIOW L K，SO P L，GOOI H B，et al.Wi-Fi Based Server in Micrgrid Energy Management System[C].IEEE TENCON 2009 Proceedings，2009.

[3] LI X J，SONG Y J，HAN S B.Frequency Control in Micro-grid Power System Combined with Electrolyzer System and Fuzzy PI Controller[J].Journal of Power Sources，2008（180）：468-475.

[4] 楊佩佩，艾欣，崔明勇，等.基于粒子群優(yōu)化算法的含多種供能系統(tǒng)的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（20）：38-42.

[5] NIKKHAJOEI H，LASSETER R.Distributed Generation Interface to the CERTS Microgrid[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24（3）：1598-1608.

[6] PECAS LOPES J A，MOREIRA C L，MADUREIRA A G.Defining Control Strategies for Microgrids Islanded Operation[J].IEEE Transactions on PowerSystems，2006，21（2）：916-924.

[7] PAPADIMITRIOU C N，VOVOS N A.A Fuzzy Control Scheme for Integration of DGs into a Microgrid/[C].Proceedings of 15th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference，2010.

[8] MEHRIZI-SANI A，IRAVANI R.Potential-Function Based Control of a Microgrid in Islanded and Grid-connected Modes[J].IEEE Transactions on Power Systems，2010，25（4）：1883-1891.

[9] LI Y，LI Y W.Decoupled Power Control for an Inverter Based Low Voltage Microgrid in Autonomous Operation[C].Proceedings of IEEE 6th International Power Electronics and Motion Control Conference，2009.

[10] MOHAMMADHASSAN A S，GEVORG B G.Dynamic Performance Enhancement of Microgrids by Advanced Sliding Mode Controller[J].Electrical Power and Energy Systems，2011，21（4）：1-7.

[11] XU X L，LIN T，ZHA X M.Probabilistic Analysis of Small Signal Stability of Microgrid Using Point Estimate Method[C].Proceedings of International Conference on Sustainable Power Generation and Supply，2009.

[12] YOKOYAMA R，NIIMURA T，SAITO N.Modeling and Evaluation of Supply Reliability of Microgrids including PV and Wind Power[C].Proceedings of IEEE PES General Meeting，2008.

[13] 鞠平，蔡昌春，曹湘芹.基于物理背景的微網(wǎng)總體建模[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30（3）：7-11.

[14] LAAKSONEN H J．Protection Principles for Future Microgrid[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（12）：2910-2918.

[15] 王偉.含微網(wǎng)配電系統(tǒng)的繼電保護(hù)問題研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

[16] ZHANG Y P，LU Y P.A Novel Newton Current Equation Method on Power Flow Analysis in Microgrid[C].Proceedings of IEEE PES General Meeting，2009.

[17] 章健，艾芊，王新剛.多代理系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（24）：80-82.

[18] FEROZE H．Multi-Agent Systems in Microgrids Desi gn and Implementation[D].Arlington：Virginia Polytechnic Institute and State University，2009.

[19] 王成山，楊占剛，王守相，等.微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征及控制模式分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（1）：99-105.