微电网技术及其发展现状研究

微电网技术及其发展现状研究

摘 要：微电网充分发挥了分布式发电的价值和效益，可作为大型电网的有益补充，解决大规模电力系统的诸多潜在问题。本文介绍了微电网产生的背景，并阐释了其概念和结构特点，最后，对国内外微电网发展现状进行了对比研究。

关键词：微电网 分布式发电 供电可靠性

引言

近年来，世界能源紧缺、环境污染、温室效应等问题越来越严重，分布式发电技术以具有低污染、高能源利用效率、可节约电网投资、提高大电网供电可靠性等优点得到重视。但是分布式电源（DG）单机接入成本高、控制困难，大量接入可能会对电网造成冲击，影响电能质量和系统的安全稳定。为协调大电网与分布式电源的矛盾，充分挖掘DG的价值和效益，在本世纪初，学者们提出了一个解决方法，即将DG及负荷一起作为公共配网的一个单一可控的子系统――微电网（Microgrid）。

一、微电网的概念

目前，国际上主要有美国、日本、欧盟等国家和地区给出了微电网定义。

美国电力可靠性技术解决方案协会（CERTS）认为：微电网由负荷和微型电源共同组成、可实现热电联供，微电源主要由电力电子器件进行能量转换和控制。当微电网与大电网相连时，微电网可视为单一的受控单元。

日本三菱公司按规模大小将微电网分为小规模（发电容量10MW，燃料为可再生能源，主要应用于小型区域电网、住宅楼、岛屿和偏远地区）、中规模（发电容量100MW，燃料为石油或煤、可再生能源，主要应用于工业园）和大规模（发电容量1000MW，燃料为石油或煤，主要应用于工业区）3类。它将以传统电源供电的独立电力系统也纳入微电网系统，扩展了研究范畴。

欧盟定义的微电网具有以下特点：

１、利用一次能源；

２、使用微型电源；

３、可实现冷热电三联供；

４、含储能环节；

５、含电力电子设备；

６、分为不可控、部分可控和全控三种类型。

综合来讲：微电网就是采用大量的现代电力技术，将微电源，负荷，储能设备及控制装置等结合在一起，直接接在用户侧，可同时向用户供给电能和热能的小规模分散独立系统。

二、微电网的结构

与传统的输配电网相比，微电网的结构比较灵活，其具体结构根据负荷情况会有所不同，但基本单元一般包括微型电源、储能元件、能量管理及控制系统、负荷等。

图1 CERTS微电网

图1是CERTS微电网基本结构。该系统与外部配网通过主隔离开关相连，可以在并网与孤网两种运行模式间平滑切换，负荷侧馈线电压一般为480 V或根据用户需要自己定义。

图1中的微电源不仅可以提供电能，布置在热力用户附近时，还可以为本地用户提供热能，从而提高能量利用率。能量管理器可实现对整个微电网的综合控制和优化；潮流控制器则可根据负荷变化情况，基于本地信息适时调整微电源的输出功率。

该微电网中有3类供电质量要求不同的负荷，其供电电源形式也各不相同。敏感负荷和可调节负荷对供电质量要求较高，均采用双电源供电，馈线A，C上的静态开关可以快速动作切除故障，并保证对其不间断正常供电；可中断负荷供电质量要求相对较低，在系统功率难以平衡的情况下可以将其切除。

不难看出，微电网的两个明显特征是：

１、根据系统负荷需要，网络结构可以灵活设计；

２、根据用户需求，可提供多样化的电能质量。

三、微电网研究概况

近年来，微电网引起了世界能源专家和电力工业界的高度重视，许多国家都将其纳入

了未来电力发展战略计划。目前，美国、日本、欧盟等许多国家和地区都立足于本国电力工业实际和能源可持续发展目标，纷纷开展了微电网研究。

（一）美国

美国于本世纪初最早提出了微电网的概念，因受美国能源部的电力提供和能源可靠性办公室、加州能源委员会的资助，十多年来，美国的微电网研究一直进行地有条不紊。美国希望微电网的研究与应用，可以提高系统的供电可靠性、可以提供多种电能质量、同时可以降低成本和加速电网智能化进程。

美国威斯康星大学麦迪逊校部的Lasseter教授在实验室建立了一个容量为200KW、电压为208/280V的微电网，CERTS微电网的可行性研究已经在美国实验室得到了初步检验。Mad River微电网是由美国北部电力系统承建的美国第1个微电网示范工程，该工程的建设目的主要有：

１、通过研究和测试，检验微电网的建模、仿真方法；

２、研究检验微电网的控制、保护策略以及经济效益等；

３、初步形成微电网的管理政策和相关法规，为将来的微电网工程提供参考等。

此外，由美国能源部与通用电气（GE）共同投资约400 万美元，建立了第二个“通用电气全球研究”计划。该项计划旨在开发出一套理想的微电网能量管理系统（MEM），向微电网中的器件提供统一的控制、保护和能量管理平台，优化对互联元件的协调控制，使系统的运行更加经济、高效，以满足用户的多样化需求。

2008 年美国国家自然科学基金（NSF）在电气、通信、计算机系统（ECCS）研究领域的重大研究项目之一为可重构的微网测试系统研究。2009年美国电力系统工程研究中心（PSERC）在原研究基础上继续把微网技术作为重点研究方向之一。

（二）日本

日本政府希望通过开发利用新能源改善本国的能源结构，缓解国内负荷快速增长而能源相对紧缺的局面。因此，日本微电网的研究与发展主要致力于开发利用新能源、减少污染，为用户提供多样化的电能质量等方面。

为克服可再生能源的波动性缺点，保证电能质量和供电可靠性，有日本学者提出了灵活可靠性和智能能量供给系统（FRIENDS），利用FACTS元件快速灵活的控制性能，实现对配电网能量结构的优化，并满足用户的多种电能质量需求。

目前，日本在微电网示范工程的建设方面处于世界领先地位。为保证新能源的有效利用与长足发展，日本专门成立了新能源与工业技术发展组织（NEDO），统一协调国内高校、企业与国家重点实验室对新能源及其应用的研究。近年来，NEDO分别在可再生能源占相当大比重的爱知、青森县和京都三地建立了微电网示范工程，运行期间，分别进行了微电网功率平衡能力，电能质量和供电可靠性、运行成本，控制策略等方面的测试评估，成效显著。

（三）欧洲

欧洲微电网的研究与发展更多地关注满足市场多样化的电能质量需求、电能安全供给和环保等。

近年来，微电网研究引起了欧洲各国的广泛关注，并相继在微电网领域开展了许多研讨与系列合作。“欧盟第五框架计划（1998－2002）”中，用于微电网研究的专项资金为450万欧元。该项目在微电网建模与仿真，孤网与并网两种运行方式的理论依据，微网的控制、保护及本地黑启动策略，微网的可靠性分析及实验室微电网平台的建设等方面取得了极具启发性的成果。“欧盟第六框架计划（2002－2006）”对微电网研究的资助金额为850万欧元。其目标主要侧重于研究更加先进的控制策略、制定相应的标准、改善供电可靠性、降低网络损耗和环境污染等。“欧盟第七框架计划（2007－2013）”在原有微电网研究基础上提出了发展智能电网的构想。

欧洲在2005年就提出了“聪明电网”计划，该计划指出灵活性、可接入性、可靠性、经济性是未来欧洲电网需具备的特点。

（四）中国

中国多在分布式发电和分布式储能方面开展研究，并主要结合配电系统的现状，考虑电力系统的需要，研究分布式发电及其运行等。对微电网的研究，目前主要区分了微电网与分布式电源间的关系，明确了微电网现阶段研究中的关键问题，并对微电网的控制策略、优化与稳定运行等展开了初步研究与仿真试验，另外，根据微电网的典型特征和运行特性给出了建立国内微电网标准体系的建议等，可以说尚处在起步阶段。

总之，微电网的形成与发展将促使电力行业在服务、能源利用及环境保护等方面进行较大的提高与改变。是保证未来电网实现高效、环保、优质供电的一个重要手段。

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