1智能微網的概念及其在分布式能源接入中的作用

隨著經濟和社會發展對能源需求的不斷增長，分布式可再生能源發電由于靠近用戶側直接供能且便于實現多種能源形式的互補而越來越受到重視。但一方面，分布式可再生能源大量接入產生的間歇性和波動性會對電網運行和電力交易造成直接的沖擊，影響電力系統的安全性和穩定性；另一方面大量不受控的分布式能源發電并網會造成電力系統不可控制和缺乏管理的局面。這些因素都限制了分布式可再生能源在電力系統的接入規模和運行效率。

為整合分布式發電優勢，降低分布式可再生能源對電網的沖擊和負面影響，美國電力可靠性技術協會（CERTS）提出了微網（MicroGrid）的概念。微網是指由分布式能源、能量變換裝置、負荷、監控和保護裝置等匯集而成的小型發配電系統，是一個能夠實現自我控制和管理的自治系統。微網的構成如圖1所示。


既有僅利用光伏、儲能和負荷一起構成的簡單微網；也有由風力、光伏、儲能、冷/熱/電聯供系統等構成的多種類設備微網；還有由滿足一定技術條件的分布式電源和微網廣泛接入構成的公共微網。微網可以看作是小型的電力系統，它具備完整的發電和配電功能，可以有效實現網內的能量優化。隨著智能電網的建設和發展，相應提出了具備靈活性、高效性和智能化等特征的智能微網的概念。智能微網的提出旨在實現中低壓配電系統層面上分布式能源的靈活、高效應用，解決數量龐大、形式多樣的分布式能源無縫接入和并網運行時的主要問題，同時具備一定的能量管理功能，有效降低系統運行人員的調度難度，并提升可再生能源的接入能力

按照是否與常規電網聯結，微網可分為聯網型微網和獨立型微網。

（1）聯網型微網具有并網和獨立兩種運行模式。在并網工作模式下，一般與中、低壓配電網并網運行，互為支撐，實現能量的雙向交換。通過網內儲能系統的充放電控制和分布式電源出力的協調控制，可以實現微網的經濟運行；也可實現微網和常規電網間交換功率的定值或定范圍控制，減少由于分布式可再生能源發電功率的波動對電網的影響。在外部電網故障情況下，可轉為獨立運行模式，繼續為微網內重要負荷供電，提高重要負荷的供電可靠性，并提供優良的電能質量和其他輔助性服務，如電壓支撐、向外饋送電能甚至提供黑啟動能力。

（2）獨立型微網不與常規電網相連接，利用自身的分布式電源滿足微網內負荷的需求。當網內存在可再生能源分布式電源時，常常需要配置儲能系統以抑制這類電源的功率波動，同時在充分利用可再生能源的基礎上，滿足不同時段負荷的需求。這類微網更加適合在海島、邊遠地區等地為用戶供電。

總體來看，微網的出現將完全改變配電系統的結構和運行特性，在微觀上，微網可以看做是小型的電力系統，具備完整的發、輸、配電功能，可以實現局部的功率平衡與能量優化；在宏觀上，微網又可以認為是配電系統中的一個“虛擬”的電源或負荷。這使得現在的電力系統有了更大的柔性和可控性，同時也具有了更多的商業模式。現有研究和實踐表明，將分布式電源以微網形式接入到電網中并網運行，與電網互為支撐，是發揮分布式能源效能的最有效方式，具有巨大的社會與經濟意義。

2智能微網現狀與發展趨勢

國內外針對微網技術已開展了較為廣泛深入的研究，在取得理論和技術研究成果的同時，建設了一批微網實驗系統和試點工程，對微網的關鍵技術和關鍵裝備進行驗證。

2.1北美地區微網發展現狀

美國是最早提出并建設微網的國家，擁有全球最多的微電網示范工程，數量超過200個，約占全球微電網數量的50%。1999年，美國電力可靠性技術協會（CERTS）最早對微網的思想進行了描述和總結，并于2002年系統地提出了微網的定義。美國能源部將微網視為未來電力系統的三大基石技術之一，將其列入了美國“Grid2030”計劃。美國微網示范工程地域分布廣泛、投資主體多元、結構組成多樣、應用場景豐富，主要用于集成可再生分布式能源、提高供電可靠性及作為一個可控單元為電網提供支持服務。

美國對微網的研究主要著重于利用微網提高重要負荷的供電可靠性，同時滿足用戶定制的多種電能質量需求、降低成本、實現智能化等。

加拿大政府針對微網研究啟動了綜合社區能源管理（ICES）研究計劃。重點關注微網技術在各類社區供能環節的應用，特別強調各類分布式能源的集成利用和與社區公共設施（交通、醫療、通訊等）的相互支撐。在ICES項目資助下，加拿大先后建立了一系列微電網示范工程，并計劃在2020年前，在全國構建2000余個ICES系統。

2.2歐洲的微網發展現狀

歐洲重視可再生清潔能源的發展，是開展微網研究和示范工程較早的地區，1998年就開始了有關微網的研究工作。2005年，歐洲提出“SmartPowerNetworks”概念，并在2006年出臺該計劃的技術實現方略。

歐盟在第五、第六和第七框架下支持了一系列關于發展分布式發電和微網技術的研究項目，組織眾多高校和企業，針對分布式能源集成、微網接入配電網的協調控制策略、經濟調度措施、能量管理方案、繼電保護技術，以及微網對電網的影響等內容開展重點研究，目前已形成包含分布式發電和微網控制、運行、保護、安全及通信等基本理論體系。同時，歐洲相繼建設了一批微網示范工程，例如希臘基斯諾斯島微網示范工程、德國曼海姆微網示范工程、丹麥法羅群島微網示范工程、英國埃格島微網示范工程等。

歐洲對微網的發展和研究主要圍繞著可靠性、可接入性、靈活性3個方面展開，實現電網的智能化、能量利用的多元化，滿足能源用戶對電能質量的多種要求、滿足電力市場的需求以及歐洲電網的穩定和環保要求等。

2.3日本的微網發展現狀

日本是亞洲研究和建設微網較早的國家，由于日本本土資源匱乏，能源緊缺，其對可再生能源的重視程度高于其他國家。自2003年開始，日本新能源與工業技術發展組織（NEDO）就協調高校、科研機構和企業先后在八戶市、愛知縣、京都市和仙臺市等地區建設了微網示范工程，研究、驗證了一批微網關鍵技術，為后續微網發展和建設奠定了良好的基礎。

日本擁有全球最多的海島獨立電網，因此發展集成可再生能源的海島微網，替代成本高昂、污染嚴重的內燃機發電是日本微網發展的重要方向和特點。日本經濟產業省資源能源廳于2009年啟動了島嶼新能源獨立電網實證項目，通過提供政府財政補貼，委托九州電力公司和沖繩電力公司在鹿兒島縣和沖繩縣地區的10個海島上完成了海島獨立電網示范工程的建設，包括由東芝集團負責建設的宮古島大型海島電網和由富士電機株式會社負責建設的9個中小型海島微網。

日本在微網方面的研究更注重可再生能源的控制與電儲能，主要著眼于能源供給多樣化、滿足用戶的個性化電力需求和減少對環境的污染，同時注重微網與傳統配電網的融合，為微網的大規模發展提供了廣闊的空間。

2.4我國微網的發展現狀

結合目前我國正處在工業化和城鎮化的進程中，能源需求持續增長，能源對外依存度高，環境治理壓力大的國情，大力發展可再生能源和微網有利于解決資源和環境的雙重壓力。在《中華人民共和國可再生能源法》等一系列國家政策法規的鼓勵引導下，在國家科技部“973”項目、“863”項目及國家自然科學基金等資金支持下，國內眾多高校、科研機構和企業投入到可再生能源和微電網的研究開發和應用實踐中，在理論研究、實驗室建設和示范工程建設方面取得了一系列的成果，建成了一批微網示范工程。我國的微網研究以提高分布式能源利用效率和電網接納能力為目標，充分利用分散型能源，結合終端用戶電能質量管理和能源梯級利用技術形成的小型模塊化、分散式的供能系統。我國微網示范工程大致可分為三類：邊遠地區微網、海島微網和城市微網。

（1）邊遠地區微網。我國邊遠地區人口密度低、生態環境脆弱，擴展傳統電網成本高，采用化石燃料發電對環境的損害大。但邊遠地區風、光等可再生能源豐富，因此利用本地可再生分布式能源的獨立微網是解決我國邊遠地區供電問題的合適方案。目前我國已在西藏、青海、新疆、內蒙古等省的邊遠地區建設了一批微網工程，解決當地的供電困難。

（2）海島微網。考慮到向海島運輸柴油的高成本和困難性以及海島所具有的豐富可再生能源，利用海島可再生分布式能源、建設海島微網是解決我國海島供電問題的優選方案。從更大的視角看，建設海島微網符合我國的海洋大國戰略，是我國研究海洋、開發海洋、走向海洋的重要一步。

（3）城市微網。我國還有許多城市微網示范工程，重點示范目標包括集成可再生分布式能源、提供高質量及多樣性的供電可靠性服務、冷熱電綜合利用等。另外還有一些發揮特殊作用的微網示范工程，例如江蘇大豐的海水淡化微網項目。

值得指出的是，我國目前的微網發展重點關注新技術的探索和應用，對于微網的運營模式、市場推廣機制、引導推動政策等方面的研究還比較少，而這些正在成為微網技術獲得廣泛推廣應用的瓶頸。

3基于分布式可再生能源接入的智能微網關鍵技術及挑戰

微網的最終目標是實現各種分布式能源的無縫接入并發揮其最大潛力。要實現這一目標需要很好地解決與微網相關的一系列關鍵技術，包括：規劃設計、控制與保護、電能質量監測與治理、能量優化管理、能源系統信息-物理融合、智能化接入與需求互動響應、直流微網及多微網間直流互聯等各個方面。

3.1微網規劃設計

微網規劃的目標是在滿足用戶對電、熱、冷用能需求的前提下，合理地利用能源，特別是盡可能利用風、光等可再生能源，獲得最佳的投資效益，保證微網安全、可靠、經濟運行等。要實現含分布式可再生能源的微網優化規劃設計，需要綜合考慮多方面因素，尤其是：

（1）需要考慮微網中能源結構和運行方式，包括分布式可再生能源的電、熱、冷生產靈活匹配與協調運行。

（2）需要考慮可再生能源波動性和間歇性，合理預測可再生能源生產，并規劃能源互補能力及微網獨立運行能力的保障等問題。

3.2微網運行控制與保護

實現微網與大電網的協調運行控制以及對大電網安全穩定的支撐，是微網區別于一般分布式可再生能源并網的重要技術特征。相對于常規電力系統而言，一方面，分布式可再生能源容量一般不大，采用電力電子裝置的逆變方式并網，自身運行亦不穩定；另一方面，微網內的設備種類繁多，各類可再生能源運行特性不一、控制方式不同，導致微網的運行控制與保護問題比較復雜。

（1）電壓和頻率的穩定控制。可再生能源的并/離網、波動等都會造成微網電壓波動，同時可再生能源大多為電力電子裝置并網，導致系統慣性小，離網獨立運行模式下頻率變化迅速，因此如何保證系統在不同運行模式下電壓和頻率的穩定控制是微網內分布式電源協調運行控制的首要關鍵技術。

（2）故障下的運行模式無縫切換。部分微網具有聯網運行和獨立運行兩種模式，需要重點解決在多類型分布式可再生能源接入下微網的故障快速檢測、基于內外部故障信息的微網自動解列和無縫切換、微網再并網自同期技術。

（3）控制保護架構。目前國內外針對微網的控制保護架構提出了三種模式：對等控制模式、主從控制模式和基于多Agent代理的分層控制模式。現有的分布式可再生能源如光伏、風電等并網逆變器產品及相關技術尚不足以滿足微網可靠靈活運行的要求，還需要更加具有針對性的研究和開發工作。

3.3微網的電能質量監測與治理

在微網中，間歇式電源的頻繁啟停和功率輸出的變化，會給用戶帶來電壓波動、閃變等電能質量問題；微網內的電源往往采用電力電子技術，會產生諧波污染；單相分布式電源和單相負荷的存在，增加了系統的三相不平衡水平。

目前用于治理微網電能質量的技術包括無源濾波器、靜止無功補償裝置（SVC）等，隨著高性能電力電子元件的出現以及微處理技術、信息技術、控制技術的發展，滿足用戶定制電力需求的電能質量治理技術還需要進一步發展。

3.4微網能量優化管理

微網集成了多種能源輸入（太陽能、風能、生物質能等）、多種產品輸出（冷、熱、電等）、多種能源轉換單元（燃料電池、微型燃氣輪機、儲能系統等），微網內能量的不確定性和時變性更強，需要全面利用各種控制和調節手段，實現對微網內能量管理與經濟調度，提高微網整體運行效率。

微網能量管理系統主要有集中調度和分散控制兩種模式。集中調度模式由上層中央能量管理系統和底層分布式電源、負荷等就地設備控制器組成，兩層之間要求雙向通訊。分散控制模式中，微網內能量優化的任務主要由分散的設備層控制器完成，每個設備層控制器的主要功能并不是最大化該設備的使用效率，而是與微網內其他設備協同工作，以提高整個微網的效能。集中調度模式技術上相對成熟，目前應用得也較為廣泛，但距離真正實現微網運行的優化還有很大的挖掘潛力。

3.5微網能源系統的信息-物理融合

目前的分布式能源系統只是一個單一的能源生產系統，遠遠不能滿足當下對物理設備可控制、可交互、可通信、可擴展等眾多應用需求。尤其是微網中包含大量的太陽能發電、風力發電等可再生能源，使得其在電源側和負荷側的隨機性、間歇性、波動性都遠遠大于傳統配電網，傳統的監測系統缺乏系統的感知能力且信息共享能力差，運行控制實時性也很難滿足需要。因此，在環境感知基礎上，將信息與計算嵌入微網能源，實現人、機、物互聯互通與深度融合是微網能源系統的發展方向，而信息-物理融合系統（Cyber-PhysicalSystem,CPS）是其中最為關鍵的技術體系。信息-物理融合系統是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，核心概念是“3C”（Computation、Communication、Control），即將計算進程與物理進程良好地結合到一起，通過人機交互接口來實現與物理進程的交互，使用傳感器網絡以實時、可靠、遠程、安全的方式監控一個物理實體的具體動作行為。

在信息物理融合系統的帶動下，未來的微網將是一個綜合計算、網絡、能源和物理環境的多維復雜系統，通過計算、通信、控制技術的有機融合與深度協作，實現用戶側分布式能源系統及微網的實時感知、動態控制和信息服務。

3.6微網智能化接入電網及需求互動響應

開放互動是智能電網的重要特征之一，通過構建開放統一、競爭有序的電力市場體系，實現信息和電能雙向互動，可以為用戶提供參與多種類型互動的供用電新模式。智能電網與用戶之間的互動主要方式之一是通過部署各類需求響應（DemandResponse,DR）項目來實現。需求側響應作為用電環節與其他各環節實現協調發展、友好交互的關鍵支撐手段和重要方式，一方面能夠使用戶參與電網優化運行和優化能源配置，另一方面可以滿足用戶多樣化的電力需求，提高用戶體驗。微網具有單獨的能量管理系統，可以作為一個整體組織內部電力生產、傳輸、交易，因此微網的能力并不僅僅限于集成分布式能源和并網等功能，其一方面能夠更好地自動化和智能化組織分布式能源以微網形式參與需求互動，另一方面能夠為用戶提供更加智能化的能源-用戶服務。

3.7直流微網及多微網間直流互聯

為與目前交流電網相適應，目前微網主要是交流供電方式，但是光伏等分布式能源大部分為直流形式，需要通過DC/AC變換環節接入交流微網，同時配電網中的電動汽車、LED照明、大量各類電子設備等直流負荷也逐漸占越來越大的比重。當采用直流微網集成可再生能源能源等分布式發電系統時，能夠通過AC/DC或者DC/DC接入直流母線，與交流微網相比使得分布式發電單元更易于接入系統，不僅能夠減小能量轉換次數，而且降低了成本、提高效率。

除此之外，采用直流微網集成可再生能源分布式發電單元具有無需考慮頻率、相位、集膚效應以及無功補償設備等優勢，而且控制結構更加簡單。因此直流微網集成可再生能源的新型解決方案具有著重要的現實意義和廣泛應用前景。

其關鍵技術主要包括：（1）可再生能源及儲能系統直流并網變換器技術；（2）直流微網的運行控制和能量管理技術；（3）直流微網的故障保護技術；（4）微網多端直流互聯技術。

4智能微網的技術成熟度和產業化發展路線圖

微網是分布式可再生能源接入設計、運行、控制、保護的整體集成技術，為可再生能源接入提供服務。微網技術的成熟將直接影響分布式可再生能源接入能力及其與電網間互利能力，由此帶動分布式可再生能源產業擴大發展，而在此過程中微網產業也將逐步成型和規模化發展。

從技術上看，至2020年微網關鍵技術能夠基本支撐分布式可再生能源大規模推廣，至2030年微網技術能夠基本成熟，走向商業化，具體各技術方面發展預測如圖2所示。


我國已逐漸開始推廣微網等相關技術及系統集成，在“太陽能光電建筑應用一體化示范”和“金太陽示范”中，都提出應優先考慮利用智能電網和微電網技術建設的用戶側光伏發電項目，并在具備條件地區應加快推廣微電網并網技術示范，完善相關技術標準和管理制度，提高光伏發電對現有電網條件的適應能力。但總體上，截至目前為止，微電網相關政策仍屬于缺失階段，微電網技術主要被部分核心研究所或者企業掌握。

同時由于分布式可再生能源成本變化較大，政府一方面要根據分布式可再生能源成本變化及時調整微網相關政策，另一方面也需要進一步引導放開電網管制，為更加合理的分布式可再生能源和微網運營模式創造寬松的政策環境，以使通過微網能夠更好地服務于用戶、運營商、電網等多方參與者，讓投資者決定投資收益問題，鼓勵可再生能源在電力交易市場中實現自身價值，才能夠激發投資者和用戶對分布式可再生能源和微網的接受度和熱情，讓微網產業走向良性循環和發展。

從樂觀角度看，未來20年將是微網產業政策完善階段，也是市場化蓬勃發展的階段。微網發展大幅向企業及獨立經營型轉變的階段，且不需要政府補貼，市場相對開放，競價策略將會大幅推廣。對微網產業化發展路線詳細預測如圖3和圖4所示。




目前來看，微網示范工程大部分由科技項目和示范工程推動，另外也有相當數量的企業也開始自行投資建設微網。隨著政策引導和相關示范項目的帶動，預期將會產生大量從事微網系統設計、建設、集成和運營管理的相關企業，并帶動一系列相關產業共同快速發展，包括：

（1）分布式可再生能源關鍵設備產業。微網是一個綜合的網絡，帶來的也將是一個綜合的設備市場，首先微網將能夠大力推動達到用戶和投資者投資期望回報的分布式可再生能源系統，包括各類型光伏電池、風機及其發電系統等。

（2）微網關鍵設備產業。為達到微網運行控制的高級應用需求，需要增加具備如無縫切換、即插即用、電壓頻率調節等新功能的一系列新型智能控制設備；總體來看，作為投資中占比最大的關鍵設備制造，尤其是新型智能設備，是未來微網系統發展的重要增長產業方向。

（3）微網系統運營服務產業。在未來電力管制放松的預期下，微網系統能夠以一個整體組織內部電力生產、傳輸、交易及使用來深度參與需求側響應等市場運營，既可以向電網購電，也可以向電網售電，在配電和用戶側將能夠形成新的運營模式。

（4）變配電自動化產業。未來配電網將融合先進的傳感測量技術、自動控制技術、高級分析技術以及通信技術等，從而能夠與用戶側微網智能化相適應，進而帶來巨大的設備（產品）技術革新與市場需求，智能用電管理終端、配電自動化裝置、遙控遙測裝置、故障診斷裝置、一體化測控保護終端等配電自動化設備的市場前景廣闊。

（5）節能產業。微網不僅涉及分布式可再生能源，也涉及用戶側提高能效、節能等重要的環節，微網的發展同樣會在一定程度上帶動節能領域產業發展。

5結語

（1）大量分布式能源并網會對電力系統產生沖擊和影響，從而限制了其接入規模和運行效率。

（2）智能微網是分布式能源發電并網的有效方式，可實現分布式能源的靈活、高效應用，解決數量龐大、形式多樣的分布式能源并網運行問題，可有效降低系統運行人員的調度難度，并提升分布式能源的接入能力。微網的最終目標是實現各種分布式能源的無縫接入并發揮其最大潛力。

（3）未來的微網及能源和信息技術的融合包含三個方面：信息與計算嵌入微網能源、微網能源融入廣域信息網絡、基于信息的微網智能化。通過借助物聯網、云計算、數據挖掘等新興技術，為靈活地整合、管理、調度分布式資源奠定了基礎，可以推動電網與用戶的互動，將能大大提高系統運行能力和接納可再生能源能力，進一步解決大規模分布式可再生能源的接入和消納問題。

（4）隨著電力電子技術和半導體器件成本的下降，基于直流的新型供電方式也逐漸成為可能，相對目前交流微網供電模式，其具有靈活、高效、可靠等優點，多端直流系統、交-直流混合系統等也將是未來微網重要的創新模式。

（5）未來微網將從信息和電氣兩個方面向前發展，逐步形成一個微網為核心的開放對等的信息-能源互聯系統架構，實現多種能源安全最優傳輸和配送、相互轉換（效率）、高效利用和動態靈活供需平衡，并提供雙向互動能源服務，將一個集中、單向、生產者控制的電網，轉變成更加分布、更多消費者互動的電網。