中国微电网的特点和发展方向

Vol．42，No．7Jul.2009电力系统（微电网及分布式发电专栏）中国微电网的特点和发展方向时珊珊，鲁宗相，周双喜，闵勇

（清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京

）100084

摘要：基于先进的信息技术和通信技术，电力系统将向着“智能电网”的方向发展。作为实现智能电网

中有源配网的有效方式，微电网有利于引入大量可再生能源发电，使得电力系统更加可靠、安全、清洁和经济。介绍微电网和智能电网的概念及两者之间的关系；针对中国的能源情况、电力系统的特点和不同地区的需求，提出中国微电网的特点和发展方向；基于国内外微电网的研究现状，总结我国发展微电网需要解决的关键问题。

关键词：可再生能源；分布式发电；微电网；智能电网中图分类号：TM727文献标识码：A文章编号：1004-9649（2009）07-0021-05的单元，可实现对负荷多种能源形式的高可靠供给。0引言

低能耗、低污染、低排放的低碳经济，是解决生微电网中的电源多为容量较小的分布式电源，即含有电力电子接口的小型机组，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、小型风力发电机组以及超级电容、飞轮及蓄电池等储能装置，它们接在用户侧，具有成本低、电压低及污染低等特点［6-7］。微电网已经引起了世界各国专家们的关注，不同国家对微电网的定义和研究侧重点各有不同［8］。态环境和气候变化问题的新型经济模式。充分开发和利用可再生能源和清洁能源进行分布式发电，部分替代传统的火力发电进行低碳电力建设是发展低碳经济的基础。分布式电源与用户混杂而形成的有源型配网为电力系统带来了新的挑战，为解决分布式电源接入的问题，协调大电网和分布式电源的矛盾，充分挖掘分布式发电为电网和用户带来的价值与效益，在本世纪初，学者们提出了微电网的概念［1-5］：利用先进的电力电子技术，将微电源、负荷、储能系统及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电和热。微电网既可与大电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。本文首先探讨智能电网和微电网的相互关系，对微电网在未来电力系统发展趋势中的定位和作用进行分析。然后详细分析中国对于微电网的需求，阐述中国微电网的特点和发展方向。最后总结我国发展微电网需要解决的关键技术和难点问题。2001年，美国威斯康辛大学R.H.Lasseter等学者正式提出了更好地发挥分布式发电潜能的结构形式———微电网，随后电力可靠性解决方案协会（CERTS）出版白皮书正式定义了微电网的概念［2］。美国近年来发生了几次较大的停电事故，使美国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着重于利用微电网提高电能质量和可靠性［9］。日本国土资源匮乏，其对可再生能源的重视程度高于其他国家，但由于可再生能源发电的出力具有随机性，所以日本在微电网方面的研究更强调控制与储能技术［10－12］。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关注多个微电网的互联和市场交易问题［13-16］。对中国而言，由于电力系统的发展有与国外不同的特点，微电网的研究和发展也具有自己的特点，这将在本文的第2节中详细讨论。1

1.1

微电网和智能电网

微电网

微电网是一组微电源、负荷、储能系统和控制装1.2智能电网

基于先进的信息技术和通信技术，电力系统将向更灵活、清洁、安全及经济的“智能电网”的方向发展［17-23］。智能电网以包括发电、输电、配电和用电各置构成的系统，它对于大电网表现为一个单一可控收稿日期：2009-03-31基金项目：国家自然科学基金资助项目（50823001；5059411；50677031）

作者简介：时珊珊（1985—），女，安徽宿州人，博士研究生，从事微电网研究。E-mail：shiss06@mails.tsinghua.edu.cn21电力系统（微电网及分布式发电专栏）中国电力第42卷环节的电力系统为对象，通过不断研究新型的电网控制技术，并将其有机结合，实现从发电到用电所有环节信息的智能交流，系统地优化电力生产、输送和使用。对于电力系统而言，智能电网是通过将电力系统与先进的通信和计算机技术相结合而得到的智能网络，能够在系统发生故障和失去控制之前进行预测和自愈，具有更高的灵活性；而对于用户而言，智能电网提供的电力具有更高的可靠性和安全性，能源消耗降低，智能电网能以较低成本提供更优质的服务。智能电网的3个关键技术是智能化的电力设施、双向通信技术和先进的控制技术。智能电网理念是国内外电力企业、研究机构及学者在探讨未来电网的发展模式中逐步形成的，各国电力工业提出了各自的发展方向和模式，但从其本质来讲，都是将现代的信息、通信、控制及管理等先进技术与传统电力系统的技术和业务模式相融合，提高电网安全、稳定、经济运行能力，使电力行业能够面对未来挑战。1.3微电网和智能电网的关系

在智能电网的发展过程中，配电网需要从被动式的网络向主动式的网络转变，这种网络利于分布式发电的参与，能更有效地连接发电侧和用户侧，使得双方都能实时地参与电力系统的优化运行。而微电网这种新型的网络结构恰是实现主动式配电网的一种有效的方式，开发和延伸微电网的概念能够促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，使传统电网向智能网络的过渡［24］。智能电网的技术框架既包括传统输电系统的模拟和仿真、数据采集与监控系统（SCADA）、广域测量系统（WAMS）等，也包括配电系统的快速模拟和仿真（DFSM）、高级配电自动化（ADO）、微电网运行和用电系统的高级量测体系（AMI）、自动读表（AMR）等技术［23］。微电网作为智能电网的配电网的核心部分，是智能电网的重要组成部分。微电网先进的控制系统和灵活的运行方式恰好满足了智能电网的要求，并且整合了高比重的可再生能源发电，提高了系统的整体效率和灵活性。两者之间既互相联系又有所区别，具有安全、可靠、经济、灵活的共同目标，应开展其相关技术的研究，并互相借鉴和促进。2

中国微电网的发展

2.1

原因

中国发展微电网首先源于大力发展可再生能源发电的形势。到2020年，我国可再生能源消费量要达到能源消费总量的15%，其中电力的20%来自可再生能源［25］。但是，目前的配电网结构却不能接纳这22么大容量的分布式电源，微电网对分布式电源的有效利用及灵活、智能的控制特点，在解决间歇性的分布式电源接入问题中表现出极大潜能。中国发展微电网还来源于电力系统自身发展的需求。微电网作为大电网的一种有益的补充形式，能够高效、经济地实现对用户的多样化、高可靠性的供电要求。而且，随着经济发展和人民生活条件的不断改善，夏季空调用电持续攀升，电网短时间的尖峰负荷越来越大。若采用增加发电装机容量的方法来满足高峰负荷是很不经济的，而利用微电网来充分调动分布式电源和负荷参与系统调峰，则能够有效缓解峰谷差问题。中国发展微电网的第3个原因，源于提高电网抗灾能力的迫切需求。在2008年春的南方冰灾和2008年5月份的汶川地震期间，中国电网都发生了大面积的停电事故。如何在极端恶劣的灾害条件下保障重要负荷的持续供电和提供可靠的应急电源，是提高电力系统的抗灾能力的关键。微电网可以在故障时与大电网断开独立运行，在突发灾难时能够保障重要负荷的供电，具有一定的抗灾能力［27］，是建设抗灾型电网的一个重要手段。此外，微电网的发展也有利于促进农村电气化以及改善环境等。2.2特点

我国电网建设和发展将进入推进电力资源尤其是可再生能源在更大范围内优化配置的新阶段，其标志是将分布式发电、储能和负荷组合在一起构成微电网，进而再将其与输配电网集成，形成一种全新的电网结构体系，随着可再生能源发电和微电网研究的推进，配电网的规划按照表1所示的方式发展。表1

配电网规划方式［28］

Tab.1Planningschemesofdistributionpowergrids

发展阶段过去现在将来规划方式传统方法分散式能量系统微电网发电方式集中分散分散电源形式就地备用电源较低、中等的分布中等、较高的分布式发电渗透率式发电渗透率负荷特性没有区别基于电能质量需求和控制的负荷分级配网特性由变电站供电的被动网络半自主的网络自主网络，具有双向能量交换能力紧急状态基于频率切负荷，切负荷，切分布孤网自治运行，紧急管理机组强迫停运式机组状态能量分配管理欧美最初提出微电网概念，是基于欧美的电力系统状况的。据美国电科院预测，美国2010年的负荷构成包括37.2%的居民负荷和35.6%的商业负荷，工业负荷仅仅占26.4%；而我国2007年的工业电力系统第7期时珊珊等：中国微电网的特点和发展方向

（微电网及分布式发电专栏）负荷高达74%，居民负荷仅占11%。另外，我国幅员广阔，气候等自然条件以及产业结构不同，导致各地电网负荷特性差异很大。在中国发展微电网，需要针对中国电力系统的特点，结合其不同区域的具体需求提出针对性的解决方案。中国的微电网按照其运行特点主要分为如表2所示的2种典型类型。表2

中国微电网的特点

Tab.2CharacteristicsofmicrogridsinChina

微电网类型城市片区微电网偏远地区微电网农村微电网企业微电网运行方式GD，IGGI，IG分布地区经济发达的城市农村、郊区、草原、山区等偏远地区电压等级中压配网（10kV）低压配网（400V）中压配网（10kV或以上）容量数百千瓦至10MW数千瓦至数百千瓦数百千瓦至10MW事故状态下保障重要电源供电、确保利用可再生能源提高供电可靠性和主要目的供电可靠性和电能为偏远地区供电、能源利用效率、降质量、节能减排、抗促进农村城镇化低成本灾能力清洁能源发电（燃可再生能源发电主要微电料电池、微型燃气（风力发电、太阳源类型轮机、柴油机等）和可再生能源发电能发电、沼气发电传统电源类型（太阳能发电等）等）注：1）GD（GridDependentMode）：与大电网并网并进行功率交换；2）GI（GridIndependentMode）：也称自主运行状态，与大电网并网，但并不进行功率交换，内部发电自给自足；3）IG（IsolatedGrid

Mode）：孤网状态，与大电网断开连接独立运行。

2.2.1城市片区微电网

城市片区微电网按居民小区、宾馆、医院、商场及办公楼等进行建设。该类微电网在并网运行时主要通过大电网供电，而大电网故障时则与之断开进入孤网运行模式，以保证重要负荷的供电可靠性和电能质量。此外，该类微电网多接在10kV中压配网，容量为数百千瓦至10MW等级。城市片区微电网将在中国经济较发达的城市首先发展，这些地区用电需求比较大，部分负荷对供电可靠性的要求也比较高，微电网可提高当地供电的服务质量。同时，该类地区负荷的日、季节性波动都比较大，微电网与大电网配合，能有效平滑负荷曲线。经济较发达的城市地区应该大力发展清洁能源发电，以减轻环境压力，同时应适当发展当地可利用的可再生能源发电，例如可以在北京、上海、广东等地的大中城市，建设与建筑物一体化的屋顶太阳能并网光伏发电设施。2.2.2偏远地区微电网（农村电网、企业电网）该类微电网并网时与外网功率交换很少，基本通过当地微电源供电，而微电网故障时可利用大电网作为启动备用电源。该类微电网具有2种形式：农村微电网和企业微电网。目前中国在农村地区及草原、山区等偏远地区仍有大量人口没有供电，这些地区电力需求较低，将电力系统延伸过去需要很大的成本。而微电网应用和地点具有灵活性，所以适用于以较低成本利用当地可再生能源为用户供电。该类微电网一般接在400V低压配网，容量在数千瓦至数百千瓦，多用于解决当地用户的用电需求。偏远地区的可再生能源丰富，可以充分利用当地的风能、太阳能、沼气进行发电。例如在风力资源丰富的“三北地区”建设风电基地；在西藏、青海、新疆等省（自治区）建设户用光伏发电系统，解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，促进农村城镇化的进程。企业微电网一般接在10kV中压配网甚至更高，容量在数百千瓦至10MW，一般分布在城市的郊区，多利用传统电源满足企业内部的用电需求，常见于石化、钢铁等大型企业。微电网能满足该类企业对电力安全性和可靠性较高的需求，并充分利用回热，有效提高资源的利用效率，为企业降低成本、提高效益。3

中国发展微电网需要解决的关键问题

3.1

微电网在未来电网中的定位及其与现有配电网的协调发展规划

在发展微电网的时候，首先需要回答的一个关键问题是微电网在未来电网中的定位问题，目前回答这个问题还存在很大的技术难度。但是，从技术趋势来看，在靠近分散型资源或有极高供电可靠性需求的用户周边区域，是适合发展微电网的。在这些地区，结合终端用户电能质量管理和能源梯级利用技术形成的小型模块化、分散式的供能网络，达到高效、环保、节能的综合效应。再结合我国对可再生能源发展规模的预测，微电网应当能够在未来配电网中占据相当的规模比例。另一个问题就是微电网与现有配电网的协调发展，即微电网是基于现在的配电网更新改造，还是全新建设？在很多大中城市的新兴科技园区中，基于环保和节能等方面的考虑，都引入了小型燃气轮机、太阳能发电等分布式能源，同时保持与配电网的联系，通过多种供电通道实现高供电可靠性的目标，具有微电网的雏形。但对于大多数的配电网用户，要实现微电网概念的供电模式，只能考虑在现有供电网络的基础上进行技术改造，技术复杂度比较大。3.2微电网自身的技术问题

微电网作为一个小而全的发供用电系统，存在大量的技术问题需要解决，例如，微电源的优化配置；微电源、负荷及微电网系统的控制；微电网与大23电力系统（微电网及分布式发电专栏）中国电力第42卷电网的协调运行；能量管理和调度；微电网通信和可视化；安全与保护技术等。控制问题是微电网研究中的一个难点问题，应优先开展微电网的稳态和动态模型研究，在此基础上分别设计并网和孤网状态下的控制结构，包括有功—频率控制、无功—电压控制等，通过各微电源的分散控制和微电网监控和调度系统集中控制相结合来共同完成。进一步考虑微电网和大电网之间的相互作用进行系统级的控制，使微电网能灵活地在2种状态之间平滑切换，并实现黑启动。3.3微电网的仿真、试验及示范应用

作为一个新的供电网络形式，开展仿真及试验是一个必需的研究环节，包括微电网数字仿真技术研究、数字仿真与物理动模仿真接口的研究、数字仿真与物理动模仿真混合仿真平台的开发等。而微电网示范工程的建设，则是微电网走向实际应用的必要步骤。4结语

通过智能电网的建设，电力发、输、配、用各领域都将发生飞跃和提升，尽管智能电网的研究与实践尚处于起步阶段，但是建设智能电网已经成为未来电力工业的一个构想，必将进一步推动电力工业的变革和进步。微电网是未来电网实现高效、环保、优质供电的一个重要手段，是实现智能电网有源配网的有效方式。对于中国而言，微电网的发展能够提高供电的可靠性、促进农村城镇化和可再生能源的利用，并对于建设抗灾型电网具有重要意义。本文基于中国的资源分布和社会发展情况，提出了微电网在中国的发展方向和特点，但微电网的理论和应用有待于进一步研究和深入。参考文献：

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FeaturesanddevelopmentsofmicrogridsinChina

SHIShan-shan,LUZong-xiang,ZHOUShuang-xi,MINYong

（StateKeyLabofPowerSystems,Dept.ofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China）

Abstract:Basedonadvancedinformationandcommunicationtechnology,powersystemsaredevelopingtowards“smartgrids”.Asaneffectivewaytorealizetheactivedistributionsystemofasmartgrid,amicrogridcanintegratelargeamountofrenewablegenerationintothebulkpowersystem,andmakethepowersystemmorereliable,secure,cleanandeconomic.Theconceptsofmicrogridsandsmartgirdsandtherelationshipbetweenthemwerediscussed,andthenthecharacteristicsanddevelopmentsofmicrogridsinChinawereproposedreferringtoChineseenergyconditions,thefeaturesofpowersystemsandtherequirementsofdifferentareas.ThekeyissuestodevelopmicrogridsinChinaweresummarizedbasedonthemicrogridresearchstatusaroundtheworld.

Keywords:renewableenergyresources;distributedgeneration;microgrid;smartgrid

水反应堆建设项目已被推迟，原因是铀燃料短缺。电力科技信息▲全球2009年初关闭3座反应堆、新开工10座反应堆2008年底至2009年初，全球总共有3座老旧的核电反应堆被关闭，有10座新的核反应堆开始建设。关闭的反应堆包括斯洛伐克的1座VVER-440型反应堆（博胡尼斯2号机组于2008-12-31关闭）及日本滨冈的▲江苏首批3MW风电机组在盐城下线华锐风电（盐城）产业基地3MW风电机组已正式批量下线。首批产品将使用于我国第1个国家海上风电示范工程———上海东海大桥100MW海上风电场。这标志着推动国家大型海上风电机组国产化、入选江苏省100个重大产业项目目录、领跑江苏风电产业的新能源“龙头”项目在盐城投入全面运营。作为目前国内风电行业唯一拥有3MW风电机组自主知识产权和生产能力的华锐风电科技有限公司，是专门从事大型风力发电机组开发、设计、制造和销售的高新技术企业，承担着国家多个特许权、国家重大专项和国家GW级风电场项目，是国内风电行业的第1品牌企业，MW级大型风电设备生产和装机国内第一、世界第五。华锐风电（盐城）产业基地落户盐城高新技术产业区（盐都西区）内，由华锐风电科技有限公司投资新建，项目总投资30亿元。项目全部建成后，将形成年800台1.5MW陆上风电机组、300台3MW海上及潮间带风电机组和小批量2座最老的核反应堆（滨冈1、2号沸水堆机组于2009-01-31正式关闭）。斯洛伐克关闭该核电站是其加入欧盟的条件之一。欧盟坚持认为，需要结束前苏联时代的反应堆在斯洛伐克境内的运营。而日本关闭上述2座堆的原因是其所建时间长久（分别建于1973年和1978年），无法满足抗震标准。2008年开始建设的10座新的核电反应堆主要集中在亚洲，其中中国6座，韩国2座，俄罗斯2座。目前世界范围内在建核电反应堆总数达到43座，装机容量达37.6GW，该数量较2007年底大幅提高（2007年的在建核电反应堆总数为33座，装机容量26.6GW）。需要说明的是，印度原本预定于2008年启动的2座202MW的重5MW风电机组的总装试验生产能力。25