微电网系统的应用与发展

微电网技术的提出与分布式发电（DG）技术的应用与发展密切相关。1978年美国《公共事业管理政策法》中首次公布并正式推广了DG的概念，其定义为：

1）与传统供电模式完全不同的新型供电系统，为满足特定用户需要或支持现有配电网的经济运行，以分散方式布置在用户附近、发电功率为数千瓦～50MW的小型模块式、与环境兼容的独立电源；

2）任何安装在用户附近的发电设施，不论其规模大小和一次能源的类型（包括DG、热电联产、冷热电联产以及各种蓄能技术等）。

在IEEE1547.2—2008分布式电源接入电网标准中对DG的定义则更为具体：分布式发电又称分散式发电，是各种发电设备与电能转换设备的合称，包括诸如光伏阵列（PV）、风力发电机、燃料电池、微型燃气轮机、传统的柴油和燃气内燃机、燃气轮机等各种电源以及相应的功率变换器和电力储能装置。

一般而言，DG指的是“直接与配电网或者用户侧连接的小型发电系统”，而分布式电源（Distributed Resource，DR）指的是分布式发电与储能设施（Energy Storage，ES）的联合系统（DR=DG+ES）。常见的分布式发电能源利用种类包括天然气（以及煤层气、沼气等）、太阳能、生物质能、氢能、风能、水能等；而储能设施包括蓄电池、超级电容器、飞轮储能等。此外，为了提高能源的利用效率并降低成本，这种发电技术往往采用冷、热、电联供（Combined Cooling，Heatand Power，CCHP）的方式，或者采用热电联产（Combined Heatand Power，CHP或者Cogeneration）的形式。

与依靠远距离输配的传统电源相比，DG一定程度上适应了分散的电力需求与资源分布，同时与电网互为备用，使供电可靠性也得以改善；并且基于清洁能源的分布式发电技术具有污染少、可靠性及能源利用效率高、安装地点灵活等多方面优点。与此同时，分布式发电接入电网也存在诸多问题，如分布式电源单机接入成本高、控制困难等。另外，为减小分布式电源对主电网的冲击，大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，IEEE 1547规定，当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行。这就大大限制了分布式电源充分发挥作用，也间接限制了对清洁能源的利用。

为协调电网和分布式电源的矛盾，解决大量位置分散、形式多样、特性各异的分布式电源简单并网运行对电网和用户造成的冲击，减小其接入对电能质量、系统保护、系统运行等带来不利的影响，充分挖掘分布式电源为电网和用户带来的价值和效益，学者们提出了微电网（Microgrid）的概念。微电网可看作是分布式电源、负荷、储能和控制装置构成的系统，它对于电网表现为一个单一可控的单元，可以对中心控制信号进行响应。

国外微电网的研究与实践

分布式电源的接入，给电网带来深刻影响，使配电网的运行、控制、保护面临新的挑战，为了解决这些问题，国内外的电力公司、高校、科研院所对分布式供电技术进行了广泛、深入的研究。其中美国、欧洲、日本这三个国家和地区在该技术领域内最为领先。

（1）欧洲

欧洲能源政策的核心是发展可持续、具有竞争力和安全的能源。近些年来，欧洲各国对微电网的研究越来越重视，各国之间开展了许多合作和研讨。欧洲对微电网研究和发展主要考虑的是有利于满足用户对电能质量以及电网的稳定和环保的要求，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。欧盟在第5，6，7框架计划中资助了多个科研项目，参与方包括高校、制造商（ABB、西门子等）、电力公司，研究涵盖分布式供电的多个方面。欧盟第五框架计划（5th Framework Program，5th FP）专门拨款450万欧元资助微电网研究计划。该项目已完成并取得了一些颇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。欧盟第六框架计划（6th Framework Program，6th FP）资助850万欧元继续资助了4个分布式供电项目。目前，这个计划刚刚结束，分别针对现有应用于分布式发电储能技术进行评估和分析，制定了未来评估规划；对成员国分布式电源并网政策和管理进行调研，提出改进方案；就分布式电源给配电网带来的安全稳定问题提出解决方案，并提出合适的标准、政策及商业模型来促进分布式电源在欧洲电网中的应用；还对分布式电源接入系统的设计、相关标准的制定及设备测试开展工作。欧盟第5，6框架研究项目中与微电网相关的项目主要包括：

1）MICROGRIDS：项目提出“微电网”的概念，试图将分布式电源以“微电网”’的形式接入电网并网运行，与电网相互支撑，发挥分布式电源的最佳效能。该项目的参入者包括法国的EDF电力公司、希腊的PPC电力公司、葡萄牙的EDP电力公司、制造商、高等院校。该项目取得如下成果：分布式电源模型及稳态和暂态分析工具，用于仿真以低电压逆变器为主的微电网不平衡运行；孤岛和并网运行机理；包含层次算法和分布式算法的控制算法；本地黑启动技术；分布式电源接口响应和功能要求；接地和保护方案；可靠性效益的量化分析方法；结构和功能各异的多个实验室微电网。

2）MOREMIGROGRIDS（欧盟第6框架计划资助）：继续微电网的研究，该项目的参与方包括来自丹麦、德国、葡萄牙、荷兰、波兰的电力公司。研究内容包括：分布式电源控制器；利用下一代信息与通信技术开发新的控制策略；开发微电网设计的新方法，研究现代保护技术，固态开关，以及异频微电网运行技术；多微电网在商业和技术上的融合以及非集中式的电力市场和附加服务市场运行；微电网孤岛和并网运行标准的制定；微电网对电力系统的影响，包括衡量微电网对地区、国家和欧盟层面的可靠性、损耗、环境等方面效益的量化方法；探讨微电网对电网基础设施发展的影响；微电网试点工程及现场试验。

3）CRISP：该项目研究了信息和通信技术在具有高渗透率分布式电源电网中的应用。

4）DGFACTS：该项目重点解决由于大量分布式电源并网所带来的电能质量问题。

5）ENIRDNET：该项目力求推动欧洲的分布式电源与电网连接。

6）INVESTIRE：该项目对现有的用于分布式发电的储能技术进行分析和评估，制定了未来的研发规划。

7）DG-GRID：该项目对欧盟新成员国的分布式电源并网政策与管理进行调研。

8）SOLID-DER：该项目着重解决分布式电源给输、配电网带来的安全稳定问题，并提出合适的标准、政策及商业模型来促进分布式电源在欧洲电网中的使用。

9）DERlab：该项目在分布式电源接入系统的设计、相关标准的制定及设备测试等方面开展工作。

对于什么是微电网，欧洲各个机构也给出了不同的解释。欧盟微电网项目（European Commission Project Microgrids）对微电网的定义：利用一次能源，使用微型电源，分为不可控、部分可控和全控3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。

英国从可靠性角度出发，将微电网看成系统中的一部分，它具有灵活的可调度性且可适时向主电网提供有力支撑等优点，其定义为：微电网是面向小型负荷提供电能的小规模系统，它与传统电力系统的区别在于其电力的主要提供者为可控的微型电源，而这些微型电源除了满足负荷需求和维持功率平衡外，也可能成为负载。

在开展研究的同时，欧洲部分国家建设了多个微电网试点工程，典型工程主要有：

1）希腊，Kythnos Islands Microgrid项目。提供12户岛上居民用电，接入380V配网，包含6台光伏发电单元，共11kW，1座5kW柴油机，1台3.3kW/50kW·h蓄电池/逆变器系统。目前只能独立运行，研究目标是微电网运行控制，以提高系统满足峰荷能力和改善可靠性。资助和运行机构为ISET、Municipality of Kythnos和CRES。

2）荷兰，Continuon’s MV/LV facility项目。用于渡假村，共四条380V馈线，每条长约400m。以光伏发电为主，共装315kW光伏发电单元。既可独立运行，也可并网运行。主要用于含有电池储能系统的微电网独立运行性能的测试。资助和运行机构为Germanos EMforce。

3）西班牙，Labein microgrid项目。接入380V配电网，通过两个1000kVA和451kVA的变压器连接到30kV中压网络，0.6kW和1.6kW单相光伏（PV），3.6kW三相PV，2个55kW柴油机，50kW微型燃气轮机，6kW风力发电机；250kVA飞轮储能，2.18MJ超级电容，1120Ah和1925Ah蓄电池储能；55kW和150kW电阻负荷，2个36kVA电感负荷。既可独立运行，也可并网运行。用于测试并网运行时集中和分散控制及电力市场的能量交易。资助和运行机构为La-bein Tecnalia。

4）葡萄牙，EDP’s Microgeneration facility项目。连接到380V低压网络的天然气站电网，具有80kW微型燃气轮机，多余电力可送往10kV中压网，或供当地低压农村电网（3.45～41.5kVA），既可并网运行也可独立运行。资助和运行机构为EDP。

（2）美国

美国自20世纪90年代以来发生了几次较大的停电事故，使其电力行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。

美国的分布式发电与微电网技术研究主要由电力可靠性技术解决方案协会（CERTS）、制造商（以GE公司为代表）、高等院校等进行，侧重于微电网方面的研究。CERTS最早提出了微电网的概念，颇具权威性，其在2003年为美国能源部及加州能源委员会编写的《微电网概念》白皮书中对其微电网的主要思想及关键问题进行了描述和总结，系统地概括了美国CERTS微电网的定义、结构、控制、保护及效益分析等一系列问题。

CERTS对微电网的定义为：微电网是一种由负荷和微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。微电网相对于主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方面的需求。

CERTS微电网的初步理论研究成果已在实验室微电网平台上得到了成功检验。2005年CERTS微电网的研究已经从仿真分析、实验研究阶段进入现场试点运行阶段。由美国北部电力系统承建的MadRiver微电网是美国第一个微电网试点工程，用于检验微电网的建模和仿真方法、保护和控制策略以及经济效益等，并初步形成关于微电网的管理政策和法规等，为将来的微电网工程建立框架。美国能源部还与GE共同资助了第二个“GE全球研究”计划，GE的目标是开发出一套微电网能量管理系统（Microgrid energy management，MEM），包括电气和热能的性能和成本优化控制，与公用电网的并网控制及对清洁能源间歇性发电的管理。

在微电网方面其他一些机构也开展了研究，如在加州能源委员会的资助下，美国配电企业联合会（Distribution Utility Associates）开展了一项名为“Distribu-ted Utility Integration Test”的科研项目，首次对分布式电源融入公用电网进行了全方位的试验，提出了一个关键的技术问题：大量种类繁多的分布式电源并入配电系统时对系统产生的影响。该项目对分布式电源整合于配电系统的可行性和价值进行了全面深入的试验研究。美国国家可再生能源实验室完成了对佛蒙特州微电网的安装和运行的检验。DTEE nergy电力公司利用美国电科院（EPRI）开发的工具DEW重点研究了分布式电源对配电系统影响的量化分析；开展了热电联产、异步发电机、逆变型电源、同步型电源的建模仿真；微电网电压、谐波分析以及包含故障特性研究、继电保护调整在内的多分布式电源的故障分析，这些工作的开展逐步丰富了微电网的基础理论体系，为未来微电网关键技术突破和试点应用奠定了基础。

目前美国典型的微电网试点工程有：

1）Mad River Park项目。供电区域为6个商业、工业厂区和12个居民区，包含280kW丙烷燃气轮机和100kW生物柴油发电机，30kW微型燃气轮机，配有光伏发电，接入7.2kV配网，既可独立运行，也可并网运行。资助和运行机构为NPS（20%）和NREL（80%）。

2）Palmdale’s Clearwell Pumping Station项目。配有950kW风机、200kW微型燃气轮机、250kW水轮机，通过这些分布式电源自给自足，并有800kW柴油机备用电源。配备450kW储能系统，通过超级电容和先进电力电子设备的配合和控制维持系统的平衡，接入480V低压配电网，既可独立运行，也可并网运行。该系统用于评估储能设备对提高关键负荷电能质量的作用，并示范储能系统在由电网供电切换到由备用电源供电过程中维持对负荷不间断供电的作用。资助和运行机构为DOE。

（3）日本

日本微电网发展立足于国内能源日益紧缺、负荷日益增长的问题。日本政府十分希望可再生能源能够在日本的能源结构中发挥重要作用。所以微电网研究和试点定位于解决能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力需求。日本新能源产业技术综合开发机构（New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO）在微电网研究方面已取得了很多成果，在2003年的“Re-gional Power Gridwith Renewable Energy Resources Project”项目中，着重开展3个微电网的试点项目建设。这3个测试平台的研究都着重于清洁能源接入本地配电网的技术和管理问题，分别在青森县、爱知和京都。清洁能源在3个地区微电网中都占有相当大的比重。目前日本在微电网试点工程的建设方面处于世界领先地位。

日本NEDO对于微电网的定义为：微电网是指在一定区域内利用可控的DR，根据用户需求提供电能的小型系统。

除此之外，在NEDO的引导下，有很多商业公司加入到分布式电源与微电网技术研究中来。知名商业建筑公司清水建设（SHIMIZU）与东京大学合作，利用位于东京研究中心的试验系统进行电网控制系统的研究。东京大学给出的微电网定义为：微电网是一种由分布式电源（Distributed Resource，DR）组成的独立系统，一般通过联络线与大系统相连，由于供电与需求的不平衡关系，微电网可以选择与主网之间互供或者离网模式运行。

积水化学工业株式会社（SEKISUI）已推出了完全依赖分布式电源供电的智能屋，更在近期宣布，将与NEC公司合作，开发下一代智能屋，除安装分布式发电系统以外，还将装备清晰显示电力使用情况信息的NEC系统。

三菱公司给出微电网的定义为：微电网是一种包含电源和热能设备以及负荷的小型可控系统，对外表现为一整体单元并可以接入主网运行。该概念将以传统电源供电的独立电力系统也归入到微电网的研究范畴，大大扩展了CERTS对微电网的定义范围。三菱公司参与了多个微电网项目建设，积累了丰富的建设经验。

目前日本主要的微电网试点工程包括：(www.xing528.com)

1）Aichi project项目。配置270kW和300kW熔融碳酸盐燃料电池，25kW固体氧化物燃料电池，4个200kW磷酸燃料电池，330kW光伏系统，钠硫蓄电池储能。接入电压等级为200V，目标是10min内供需不平衡控制在3%以内，于2007年9月进行了第二次独立运行实验。既可并网运行也可独立运行。资助和运行机构为NEDO。

2）Kyotango project项目。配置400kW燃气轮机，250kW熔融碳酸盐燃料电池，100kW铅酸蓄电池。较远的地区配有2个光伏（PV）系统和50kW小型风机，接入200V电压等级。与电网连接并通过中央控制系统控制，目标为5min内供需不平衡控制在3%以内。既可并网运行也可独立运行。资助和运行机构为NEDO。

3）Hachinohe project项目。污水处理厂配有3个170kW燃气轮机、50kW光伏（PV），接入200V电压等级，发出电力通过5km的私营配线输送到4个学校、水利局办公楼和市政办公楼。学校内也有小型风机和光伏（PV），既可并网运行也可独立运行。控制目标是6min内供需不平衡控制在3%以内。在测试过程中，该目标完成率为99.99%。在2007年11月独立运行一周，资助和运行机构为NEDO。

4）Shimizu microgrid项目。配置4台燃气轮机（22kW、27kW、90kW和350kW）、光伏（PV）（10kW）、铅酸蓄电池（20kW）、NiMH蓄电池（400kW·h）和超级电容（100kW）。接入200V电压等级，既可并网运行也可独立运行。侧重负荷跟踪技术研究，资助和运行机构为Shimizu Corp。

5）Tokyo Gas microgrid项目。共100kW，包括燃气轮机、CHP、PV、风力发电和蓄电池储能。接入200V电压等级，既可并网运行也可独立运行。资助和运行机构为Tokyo Gas。

从上述欧洲、美国、日本微电网的研究与试点工程建设情况分析可以看出，虽然国际上对为微电网的定义各不相同，但也不失一般性，微电网一般均具备以下基本特征：

1）靠近终端用户，适应用户电压等级，总体规模较小；

2）以分布式发电为基础，融合储能、控制和保护系统；

3）能工作在并网和离网两种运行模式，能够自我平衡，与外部电网电力交换很少；

4）采用电力电子设备作为主要的电能变换装置。

5）以高效接纳分布式可再生能源和提高能源综合利用效率为目标。

目前，欧美日本等国家的微电网试点工程，一般均以开展微电网技术的试验验证为基本目的，均未考虑商业化运行。

国外典型微电网试点工程见表9-1。

（4）中国

和发达国家相比，我国对分布式发电和微电网的研究的起步较晚。目前，电力公司和很多高校、研究结构都关注这一领域，并在国家“973”、“863”计划的支持下在该领域开展一些研究工作，也取得了一些阶段性的研究成果。

1）天津大学。天津大学是国内较早开展分布式发电与微电网技术研究的高校，集中对微电网建模、微电网控制方法进行了研究。目前天津大学王成山教授作为首席科学家承担了国家“973”科技项目《分布式发电供能系统相关基础研究》，项目紧紧围绕分布式发电供能微电网系统开展研究，以微电网及其所接入的主电网为研

表9-1 国外典型微电网试点工程

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注：PV：光伏发电；MT：微型燃气轮机；MCFC：熔融碳酸盐燃料电池。

究对象，以保证微电网与主电网的安全稳定和经济高效运行为目标，重点针对“高渗透率微电网的复杂动态行为及安全高效运行理论”这一科学问题开展研究工作。

2）中科院电工所。中国科学院电工研究所的课题“分布式能源系统微型电网技术研究”获“863”计划资助，在此带动下，开展了分布式发电系统与微电网技术研究，主要工作包括微电网数学建模计算分析、微电网自治运行的控制管理策略、基于ARM10的分布式电源数据采集和管理终端系统试制以及微电网能量管理软件开发。

3）国家电网公司。国家电网公司自2009年开始就对微电网相关技术进行调研，并制定了微电网关键技术研究框架，在研究框架的指引下，下属国网电力科学研究院开展了《微电网技术体系研究》、《微电网保护与接地技术研究》等课题。同时，自2010年以来，国家电网公司结合坚强智能电网建设工作的推进，开展了多个微电网试点工程的建设。

4）其他。国内其他的一些科研机构，如清华大学、浙江大学、合肥工业大学等，也开展了微电网相关的技术研究，主要集中在模型、控制策略等基础理论以及实验平台的建设等方面。

虽然我国在微电网的技术研究方面还处于起步阶段，但目前已有一些微电网试点工程建成投运，主要包括：

河南郑州财专光储微电网试点工程。这是国家电网公司智能电网试点项目中的微电网试点工程，依托国家金太阳示范工程资助的河南财政税务高等专科学校屋顶光伏发电项目。该微电网试点工程配置350kW的光伏发电，200kW/200kW·h的锂电池储能，接入380V用户侧。项目于2010年上半年开工建设，目前已安装调试完成。该试点工程完成了并离网切换试验，能够初步实现独立运行。该项目的光伏发电部分由河南财专负责出资建设，储能和其他部分由国家电网公司出资建设，整个系统由国家电网公司负责运营管理。

广东佛山冷热电联供微电网系统。该项目属于国家“863”项目，以局季华路变电站大院的建筑楼群为依托，是一个基于兆瓦级燃气轮机的高效天然气电冷联供试点系统，配置3台CCHP燃气轮机，总发电量570kW，最大制冷量1081kW，研究重点为基于燃气轮机的分布式供能系统及其关键单元技术，出于成本考虑未配置储能系统。系统中的燃气轮机接入0.4kV电压等级，既可独立运行，也可并网运行。由于仅有一种电源，且不含储能设施，因此该项目更接近于一个分布式供能系统接入项目，微电网的很多特殊功能都没有实现。该项目由南方电网公司出资建设并负责运营管理。

广东珠海东澳岛风光柴蓄微电网项目。2009年国家“太阳能屋顶计划”政策支持的项目之一。该微电网电压等级为10kV，包括1.04MWp光伏、50kW风力发电、1 220kW柴油机、2 000kW·h铅酸蓄电池和智能控制，多级电网的安全快速切入或切出，实现了微能源与负荷一体化，清洁能源的接入和运行，还拥有本地和远程的能源控制系统。该项目由兴业太阳能公司负责管理运营，由于只能独立运行，微电网中的很多特殊功能也未能实现。

浙江东福山岛风光储柴及海水淡化综合系统项目。该微电网属于孤岛发电系统，采用可再生清洁能源为主电源，柴油发电为辅的供电模式，为岛上居民负荷和一套日处理50t的海水淡化系统供电。工程配置100kWp光伏、210kW风电、200kW柴油机和2 000Ah蓄电池，总装机容量510kW，接入0.4kV电压等级。该系统由国电浙江舟山海上风电开发有限公司负责运营，由于只能独立运行，也未能实现微电网的技术特征。

河北廊坊新奥未来生态城微电网项目。新奥未来生态城是新奥能源集团（廊坊）为展示其科技品牌而建设的多能源综合利用试点工程。微电网以生态城智能大厦为依托，是生态城多能源综合利用的基础试验平台，装机规模250kW。配置100kWp光伏、2kW风电、150kW三联供机组和100kW×4h锂离子电池，接入0.4kV电压等级，既可独立运行，也可并网运行。该系统由新奥能源集团投资建设和管理运营。

北京左安门微电网试点工程。该系统是北京市电力公司按照国家电网公司建设智能电网的总体部署和技术要求，在左安门公寓建设的智能用电小区试点展示项目的组成部分。该系统配置50kWp光伏、30kW三联供机组和72kW·h铅酸电池，接入0.4kV电压等级，既可独立运行，也可并网运行。

天津中新生态城智能营业厅微电网试点工程。国家电网智能电网首批综合试点重点工程。微电网以智能营业厅为依托，装机规模35kW。配置30kWp光伏、5kW风电和25kW×2h锂电池。电压等级为380V，该项目由国家电网公司出资建设并负责运营管理，目前还在建设中。

内蒙古呼伦贝尔盟陈巴尔虎旗赫尔洪德移民村微电网工程。国家电网公司智能电网建设项目。配置30kWp光伏、20kW风电和42kW×1h锂离子电池，接入0.4kV电压等级，既可独立运行，也可并网运行。在陈巴尔虎旗赫尔洪德移民村选取24户居民和挤奶站作为微电网负荷，建设并网型微电网试点工程，主要研究并网型微电网，该项目由国家电网公司出资建设并负责运营管理，目前尚处于设计和建设阶段。

国内典型微电网试点工程见表9-2。

表9-2 国内典型微电网试点工程

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