微电网示范工程综述

王彦宇，郭权利

（沈阳工程学院电力学院，辽宁 沈阳 110136）

目前，微电网示范工程的建立已成为世界性的热点话题，国内外投入运行的微电网示范工程超过400多个。现如今，我国各高校的微电网实验室为主要的微电网研究平台，实验室的模拟仿真虽然具有参考意义，但是缺乏一定的实际意义。因此，微电网示范工程的建设将微电网实验搬到了实际中来，通过微电网示范工程的建设使得微电网的相关技术及研究成果得以集中验证和展示，为微电网的研究提供了实际证明。随着国内外微电网示范工程的建设，对其相关技术与信息的汇总整理具有非常重要的意义。

1 微电网示范工程的典型特征

1.1 微电网示范工程的运行模式

微电网示范工程存在两种典型的运行模式：并网模式和孤网模式。正常情况下微电网与常规大电网相连，微电网的断路器闭合，使得微电网与大电网进行电能的交换，新能源系统可在并网运行时发电，储能系统也可在并网运行时进行充电和放电，或通过控制器转换为离网运行模式。离网模式也称为孤岛运行模式，可划分为两种：一种指在微网与大电网不直接相连，使微电网能够独立运行，如希腊岛的爱琴海风光柴蓄微电网示范工程；另一种是当大电网发生故障时，微电网与主网的配电系统断开，由发电系统、储能系统和用电负荷构成独立的运行方式，且联网模式与孤岛模式之间的切换必须要做到平滑且迅速，如美国威斯康辛麦迪逊分校微电网示范工程，云电科技园区多级智能微电网示范平台和河南财专分布式光伏发电微网控制工程等。

1.2 微电网示范工程的拓扑结构

微电网拓扑结构的确定是进行微电网示范工程规划设计的前提条件。微电网拓扑结构是指网络中的结构设计，包含了电气内部接线网络、发电、储能、负荷及分布式电源在网络中所处的位置等部分。根据微电网的工作特点，其拓扑结构可分为辐射型拓扑结构和环形拓扑结构。

1.2.1 辐射型拓扑结构

微电网中的每条母线端均汇集到一个中心点形成辐射型网络，当其中的某条线路发生故障时，断路器切除故障线路，保证其他线路正常运行，其结构如图1所示。辐射型拓扑结构的优点是由于辐射型网络的中心点选在了地理位置的中点，使得输电线路总长度最短，节约了输电线路，且每条直流输电线路仅需要配置一个直流断路器；而缺点是当中心点母线发生故障时，所有的断路器都会发生动作，使得整个微电网系统陷入瘫痪。

图1 辐射型微电网拓扑结构

1.2.2 环形拓扑结构

微电网的所有线路相互连接，构成一个闭合的环网，且在线路的两端各需配置一个断路器。若线路发生故障，断路器动作，切除故障线路，使得系统保持一个开环的状态继续稳定运行。环形拓扑结构的优点是投资少，每一个负荷均可从多条路径供电，保证了用电的可靠性；而缺点是环网中的任意节点若出现故障，则会造成整个电网瘫痪，而且对于电网中各个节点的故障诊断也非常困难。如图2为美国狂河市微电网示范工程环形拓扑结构。

图2 美国狂河市微电网示范工程拓扑结构

1.3 微电网示范工程的供电模式

微电网按其供电模式可分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网。交流微电网是指由电力电子装置将分布式电源和储能装置等连接至交流母线。交流微电网支持并网和孤网两种运行模式。在并网运行模式下，微网中能够实现能量的相互交换，当外部电网发生故障时，可切换为孤网运行模式，继续为微网负荷提供安全、可靠的电能。同时采用上层监测与控制手段，可以实现两种运行模式的无缝切换，如青海光储交流微电网示范工程。

直流微电网是一种采用了直流输配电的微电网模式，通过直流母线将各个电源和重要负荷相连，从而为对电能质量要求较高的直流负荷提供了安全可靠的供电。直流微电网与传统的交流微电网相比，具有线路损耗低、电能质量高、重构灵活等优势，可以更充分发挥分布式电源以及微电网的价值和效益，如美国CERTS实验基地直流微电网示范工程和厦门大学光伏建筑一体化直流微电网示范工程等。

交直流混合微电网根据分布式电源的不同包含直流和交流两条母线，可同时兼容交直流分布式电源及负荷，具有损耗小、效率高、灵活性强、电网改造成本低等特点，兼顾了直流微电网和交流微电网两者的优点，更加利于分布式电源的接入，提高了微电网的稳定性、可靠性、安全性和经济性。在世界上，交直流混合微电网为主流研究方向，如美国劳伦斯伯克利国家实验室微电网示范工程。

1.4 微电网示范工程的容量和电压等级

微电网能够稳定运行，其主要原因是具有稳定的电压等级。因此，微电网才能够得到迅速的发展。微电网的分布式电源主要接在用户侧，传输的距离短，从而决定了微电网的电压等级和容量大小。因此，微电网的电压等级相对较低，容量较小。目前，国内外对于微电网示范工程的电压等级还未具有明确的规定。美国微电网示范工程的电压等级以480 V为主，如威斯康辛麦迪逊分校微电网示范工程，电气可靠性技术解决方案联合会微电网示范工程，美国劳伦斯伯克利国家实验室微电网示范工程和加利福尼亚州帕姆代尔市微电网示范工程等，其容量等级均不超过2 MW。欧洲微电网示范工程的电压等级以400 V为主，如西班牙巴斯克地区的毕尔巴鄂市微电网示范工程，希腊爱琴海基克拉迪群岛微电网示范工程和法国巴黎矿业学院的能源研究中心微电网示范工程等。我国现有的微电网电压等级一般为400 V，如光、储、热一体化协调运行控制技术研究及微电网示范工程，中新天津生态城智能电网综合微网示范工程和河南财专分布式光伏发电及微网控制工程等。

1.5 微电网示范工程的控制策略

微电网的控制方式主要包含了3种：微电网整体控制策略、微电源控制策略和分层控制策略。微电网整体控制策略分为主从型和对等型控制策略；微电源控制策略可以分为恒功率控制、下垂控制和恒压恒频控制；分层控制方法可分为3层，每一层独立完成自身的控制任务，利用通信通道向下层传达命令，且传达命令过程中不会影响系统的稳定性。基于下垂控制方法，微电网分层控制的第一层为分布式电源和负荷控制，第二层为在第一层控制信号基础上的频率和电压幅值控制，第三层为微电网功率和主网功率控制。如美国威斯康辛麦迪逊分校微电网示范工程采用了下垂控制策略，太原理工大学风光储交直流混合微电网示范工程采用了恒功率控制和恒压恒频控制策略，河南财专分布式光伏发电及微网控制工程采用了恒功率控制和Droop控制策略。

表1总结了国内外微电网示范工程的拓扑结构、微电网电压等级、电源类型、供电范围、控制方式和并网接口，为微电网示范工程的建设提供理论基础。

表1 国内外微电网示范工程汇总

2 国内外微电网示范工程的关键技术

2.1 可再生能源接入技术

目前，世界各国都在进行微电网示范工程的建设，均已成功将新能源接入微电网系统。美国劳伦斯伯克利国家实验室微电网示范工程接入10 kW光伏和100 kW风力发电机，通过逆变装置为直流负荷供电，该工程的建设允许3套独立系统同时运行；法国巴黎矿业学院的能源研究中心微电网示范工程的发电设备为3.1 kW光伏实现了联网和孤岛运行；浙江舟山东福山岛是国内首个微网综合示范工程，发电机组由7台单机容量30 kW的风力发电机和100 kW的光伏发电系统组成，总装机容量为310 kW，建成了风光柴储“分布式发电”综合系统。

2.2 联网和孤岛模式之间的无缝切换技术

当大电网发生故障时，如果微电网从联网模式到孤岛模式之间未能做到合理的切换，会导致其输出电压和频率发生偏移，从而不能保证重要负荷的供电质量，造成重大的经济损失和人身安全的问题；当大电网恢复正常时，如果没有做到从孤岛模式到联网模式的切换，将会导致微电网和大电网之间存在相位差，使得微电网并网时产生较大的冲击电流，造成用电设备的严重损坏，使得大电网系统和微电网系统受到冲击或使得并网开关再次断开。所以微电网中联网与孤岛之间的无缝切换变得尤为重要，如美国威斯康辛麦迪逊分校微电网示范工程，电气可靠性技术解决方案联合会微电网示范工程，法国巴黎矿业学院的能源研究中心微电网示范工程和河南财专分布式光伏发电及微网控制工程的建设均适用了联网与孤网运行的无缝切换实验。

2.3 微电网示范工程储能技术

在微电网示范工程的建设中，储能系统是必不可少的一部分。当电网发生故障时，不能保证对负荷提供持续可靠的电能。此时，储能系统起到了至关重要的作用。储能系统对电网的电能质量、电网稳定性以及供电可靠性都有很大的提升，可以为负荷短时供电，实现“削峰填谷”。当新能源发电系统发生故障时，储能系统可以起到过渡的作用，满足负荷的供电需求。西班牙巴斯克地区的毕尔巴鄂市微电网示范工程的储能装置为联网和孤岛模式切换提供了可靠的电能供给；2008年，日本中部城市机场微电网示范工程成功地运用了储能技术，其储能装置为熔碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池及钠硫储能电池组；浙江温州南麂岛微电网示范工程储能装置的建设，用于蓄电池使用特性最大化延长使用寿命的运行策略研究。

2.4 微电网保护技术

微电网保护需要考虑很多问题。由于微电网的运行分为孤岛运行和联网运行两种模式，所以微电网的短路电路和拓扑结构会发生明显的差异，微电网中可能含有不同类型的分布式电源，分布式电源短路电路差异较大，微电网的故障切除需要更短的切除时间。如美国电气可靠性技术解决方案联合会微电网示范工程和加利福尼亚微电网示范工程的建设均适用于微电网继电保护的研究。

2.5 微电网通讯技术

建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能微电网的基础，微电网的所有数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统的支持。微电网内部须容纳不同类型的发电设备和用户负荷，这就要求相应的通信协议必须具备开发性好、更标准化、复杂程度低等特点。意大利交替结构微电网示范工程的建设实现了微网通讯技术的研究。

3结语

世界各国现有的微电网示范工程为我国微电网示范工程的建设与发展提供了宝贵的借鉴经验，并通过对国内外微电网示范工程的总结，明确了我国微电网示范工程的发展方向。

我国微电网示范工程已实现了微电网与外部电网并网运行和孤立运行，并且可以平滑地切换，同时拥有上层调度管理系统，允许多套独立系统同时运行。结合美国，欧洲，日本等微电网示范工程的研究成果，我国微电网示范工程可继续在微电网的结构功能上进一步完善，设计具有综合性和多样性等特点的微电网示范工程实验。因此，微电网拓扑结构可采用多母线辐射网，具备多条高低压直流网和多条交流子网，以适应多种状态下的实验分析与模拟运行，同时设置监测系统，利用云计算和云调控来研究分布式电源输出功率的变化、负荷变化对微网暂态运行的影响，建设继电保护装置实现对微网的继电保护研究，并在多种运行状态下，演示从联网切换到孤岛状态的可能性，进行各种实验设备的仿真测试，从而搭建功能多样化、设备完善化的微电网示范工程，建设适用于微电网各项技术研究的综合性实验平台。