浅谈微电网的研究与应用

齐佳鑫，骆洁艺，韩光玲

(1.广西电网公司柳州供电局，广西 柳州 545006;2.中国南方电网有限责任公司，广东 广州510623;3.柳州市财政投资评审中心，广西 柳州 545006)

1 引言

微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统［1－3］，可以实现其并网或孤岛运行、降低间歇性分布式电源给配电网带来的不利影响，最大限度地利用分布式电源出力。将分布式电源以微电网的形式接入配电网，被普遍认为是利用分布式电源有效的方式之一［4－6］。

近年来，欧盟、美国、日本等均开展了微电网试验示范工程研究。美国的配电网比较薄弱，微电网的发展目标主要集中在提高重要负荷的供电可靠性，满足用户定制的多种电能质量需求，降低成本、实现智能化等方面;日本的国内能源紧缺，微电网的发展目标主要定位在能源供给多样化，减少污染，满足用户的个性化电力需求;欧盟从电力市场需求、电能安全供给和环境保护等角度出发，够充分利用微电网的分布式能源、智能技术、先进电力电子技术，实现集中供电与分布式发电的高效紧密结合。从各国对微电网的研究可以看出，微电网的形成与发展不是对传统集中式、大规模电网的革命与挑战，而是未来电网实现高效、环保、优质供电的一个重要手段，是对大电网的一种有益补充。本文阐述了微电网的规划设计、运行优化、保护控制等关键技术的研究现状，并对微电网技术发展进行展望。

2 微电网结构

按照接入配电系统的方式不同，微电网可分为用户级、馈线级和变电站级微电网。用户级微电网与外部配电系统通过一个公共连接点连接，一般由用户负责其运行及管理;馈线级微电网是指将接入中压配电系统某一馈线的分布式电源和负荷等加以有效管理所形成的微电网;变电站级微电网是指将接入某一变电站及其出线上的分布式电源及负荷实施有效管理后形成的规模较大的微电网。

按照微电网内主网络供电方式不同，还可分为直流型微电网、交流型微电网和混合型微电网。在直流型微电网中，大量分布式电源和储能系统通过直流主网架，直接为直流负荷供电;对于交流负荷，则利用电力电子换流装置，将直流电转换为交流电供电。在交流型微电网中，将所有分布式电源和储能系统的输出首先转换为交流电，形成交流主干网络为交流负荷直接供电;对于直流负荷，需通过电力电子换流装置将交流电转换为直流电后为负荷供电。在混合型微电网中，无论是直流负荷还是交流负荷，都可以不通过交直流间的功率变换直接由微电网供电［7］。

3 微电网规划设计

微电网规划设计要尽可能实现系统经济性、环保性及能源利用效率等量化指标的优化，其研究内容主要包含可再生能源与负荷需求分析、建模方法和优化算法三个方面。

3.1 可再生能源与负荷需求分析

微电网规划设计对可再生能源和负荷需求分布特性的主要分析手段包括历史数据分析法［8］和概率统计分析法［9－10］。历史数据分析法是利用风速、光照强度与负荷等信息的历史数据，对微电网的运行情况进行序贯分析，缺点是在获取小时级的现场历史气象信息时的难度较大。概率统计分析法主要是基于风、光等的月或典型年历史统计信息和分布特性，结合蒙特卡洛方法对可再生能源的全年变化信息进行随机生产模拟［9］，缺点是当规划需要考虑复杂的运行优化策略时增加计算负担。为此，可采用随机过程方法建立风、光及负荷等的Markov转移模型，降低计算量［10］。

3.2 规划设计建模

微电网规划设计要在满足用户需求的基础上，综合技术、经济和环境等方面因素选定优化变量、目标函数和约束条件。在优化变量选择方面，一种方式是将所有变量统一到同一目标函数下［11］;另一种方式是将各层次的变量区别对待，采用两阶段的建模方式［12］，即第一阶段主要确定设备的类型、位置和容量，第二阶段主要确定系统的运行策略及其相关的参数。在目标函数选择方面，在采用单一目标函数时，主要考虑系统经济性指标的最优化。在采用多目标函数时，可以考虑经济性、环保性与可靠性等目标的不同组合。在约束条件选择方面，主要包括功率平衡约束、设备运行约束(出力上下限限制、爬坡率限制、运行时间限制等)、储能存储容量约束和可靠性约束等。考虑到储能系统的特殊性，微电网中储能系统容量配置问题可单独采取更加有针对性的优化规划设计方法［7］。

3.3 算法优化

求解微电网规划设计问题既可采用混合整数规划［11］等数学规划方法，也可采用粒子群算法［13］、进化算法［14］等智能算法。数学规划方法在面对目标函数和约束条件的苛刻要求和微电网规划设计问题的复杂性时常常受到限制。智能算法建模方式相对宽松，通常不依赖于具体的应用问题，能够方便处理信息的不确定性，应用更为广泛。

4 微电网能量管理与运行优化

4.1 预测方法

微电网预测数据的准确性将直接影响调度方案的效果，相关研究工作包括发电预测、负荷预测、市场信息、设备故障等不确定性因素，要评估不确定性对微电网优化运行结果的影响，并采取相应措施提高系统优化运行的预期效果。发电预测主要是针对间歇式可再生能源的短、中期输出能量预测，如风速、光照强度和环境温度等，常用的预测方法包括基于数值天气预报模型的预测方法［15］和基于历史数据的预测方法［16］。负荷预测包含对微电网内冷、热、电等多类型负荷的短期预测。市场信息主要指在电力市场环境下，对电价机制进行研究，把握电价变化规律，有效预测电价信息。

4.2 优化调度方法

微电网的调度策略可划分为优化策略和启发式策略。前者根据优化目标自行决定系统运行方案，一般能获得比启发式策略更理想的优化效果，但在实际工程实施时，可能因各种不确定性因素导致优化效果弱化。后者一般针对有限的系统运行模式按照给定的调度逻辑确定调度方案。在微电网运行优化过程中，最常用的目标为经济目标和环境目标。经济目标主要实现微电网的运行成本和设备折旧成本最低;环境目标主要是实现微电网环境效益最大化。当进行多目标优化时，由于不同目标之间可能存在冲突，需要充分根据系统实际情况，因地制宜地对系统优化运行的目标进行协调，实现微电网综合价值的最大化。

微电网的能量管理系统可以看作是智能配电系统能量管理系统的重要组成部分，随着配电网中分布式电源与微电网接入数量的增加，为支持分布式电源、微电网、配电系统的协调优化运行，需要综合性更优的能量管理系统，这也是未来能量管理系统的重要发展方向。

5 微电网保护与控制

5.1 微电网保护

微电网保护涉及的故障情况可分为外部故障和内部故障。其中，内部故障在微电网并网运行和孤立运行两种模式下所呈现的故障特性及所采取的保护方法有所不同，且与微电网内分布式电源的控制方式紧密相关。当微电网并网运行时，如果是外部故障应判断是否为永久性故障，永久性外部故障时微电网必须与外部电网解列。如果是内部故障应判断是否导致微电网运行状态不符合IEEE1547等标准的要求［17］，无需解列时，应快速切除故障部分，减小对微电网内其他部分以及外部电网的影响。

在微电网孤立运行模式下，当发生内部故障时，基于电力电子变换器的分布式电源所提供的短路电流常常被限制在两倍额定电流以内，需要根据微电网运行模式的不同改变保护的整定值，但要求保护系统具有更高的适应性［18］。

5.2 微电网控制

微电网中的分布式电源和储能设备按照并网方式主要分为逆变型电源、同步机型电源和异步机型电源，其中逆变型电源所占比重较大。当微电网中有多个逆变型电源时，需要协调控制，以满足微电网在并网运行、孤立运行及两种运行模式间切换时的不同需求［19］。微电网一般采用如图1所示的三层控制结构。

5.2.1 第一层控制

依据分布式电源或储能设备在微电网中所起作用不同，需要采取不同的控制策略，主要包括:PQ控制(恒功率控制)、V/f控制(恒压/恒频控制)和Droop控制(下垂控制)。Droop控制又具有两种基本形式:f－P和V－Q下垂控制法［20］和P－f和Q－V下垂控制法［21］。前者根据功率的变化决定频率和电压值，后者根据频率和电压的变化决定功率值。

图1 微电网分层控制结构

微电网并网运行时，由电网提供电压和频率参考，各分布式电源一般采用恒功率控制。部分可控型分布式电源也可采用f－P和V－Q下垂控制方法，在电网电压幅值和频率降低时，能够支撑电网电压和频率。若主网发生非永久性故障导致微电网并网点三相电压跌落或不对称时，通过相应控制方法可提高各分布式电源的故障穿越能力［22］，从而增大并网点处正序电压分量和减小负序电压分量，降低电网电压的不对称度。

微电网孤立运行时，控制可分为主从控制模式和对等控制模式。在主从控制模式中，微电网内的一个分布式电源(或储能设备)采取V/f控制，为微电网提供电压和频率参考，而其他分布式电源则采用PQ控制［23］。在对等控制模式中，微电网中参与电压、频率调节和控制的多个可控型分布式电源(或储能设备)在控制上都具有同等的地位［24］，通常选择P－f和QV下垂控制方法，根据分布式电源接入点就地信息进行控制，易于实现分布式电源的即插即用。

5.2.2 第二层控制

微电网并网运行时，第二层控制的主要目标是降低微电网内可再生能源与负荷波动对主网的影响。通过微电网中心控制器(MGCC)对各分布式电源下发合理的功率指令，利用功率型和能量型储能组成的混合储能系统，分别抑制可再生能源输出功率的高频和低频波动分量，但应注意维持各储能设备运行在合理的荷电状态范围［25］。通过需求侧响应对可控负荷进行控制，也可实现微电网联络线功率的控制［26］。

微电网孤立运行时，第二层控制的主要目标是恢复微电网电压和频率，以保证电压和频率满足负荷可靠运行的要求［27］。采用主从控制模式能维持微电网电压和频率恒定，负荷的变化主要由主电源跟随，需要通过MGCC实现各分布式电源间的功率合理分配［28］。采用对等控制模式时，能同时解决电压频率稳定控制和输出功率合理分配，但负载变化前后系统的稳态电压和频率会有所变化。

第二层控制还需实现微电网运行的无缝切换控制。当采用主从控制模式时，一种典型的控制时序如图2所示，包含微电网运行状态切换和主电源控制模式切换。若主电源在微电网并网和孤立运行模式下均采用P－f和Q－V下垂控制方法，则在微电网运行模式切换时，无需切换控制模式［29］。否则，为保证微电网主电源控制模式平滑切换，主电源控制系统在PQ控制和V/f控制模式之间切换时应尽可能减少切换功率变化量［30］。如采用图3所示控制结构，在切换前后，两种控制模式中使用相同的电流内环，模式切换时仅对外环控制器进行切换。在模式切换中，采用合理的补偿控制算法和切换控制逻辑，可有效降低模式切换过程中的暂态冲击［23］。

图2 微电网无缝切换运行模式基本控制时序

图3 主电源控制结构示意图

5.2.3 第三层控制

该层主要为微电网能量管理系统层［19］。微电网并网运行时，通过相应能量优化算法确定与大电网之间联络线输出功率参考值(作为微电网第二层控制目标参考值)。微电网孤立运行时，调整各分布式电源输出功率参考值或下垂曲线稳态参考点和分配比例系数设定等信息，实现微电网经济运行等功能。

6 结论

作为智能配电网的重要组成部分，微电网从局部解决了分布式电源大规模并网时的运行问题。对用户层面，微电网除了提供电能以外，还具备供冷、供热、供气的能力，将进一步提高终端能源的利用效率;对电网层面，随着电力市场的不断完善、需求侧响应技术的发展，微电网将更多的参与配电网的调度，提供多种辅助服务。总之，微电网技术将在未来电网发展过程中发挥重要的作用。

［1］Lasseter R H.Microgrids［C］//Proc.of 2002 IEEE Power Engineering Society Winter Meeting.New York:IEEE，2002:305－308.

［2］Morozumi S.Microgrid demonstration projects in Japan［C］//IEEE Power Conversion Conference，2007:635－642.

［3］Piagi P，Lasseter R H.Autonomous control of microgrids［C］//Proc.IEEE PES Meeting.Montreal:IEEE，2006:1－8.

［4］徐青山.分布式发电与微电网技术［M］.北京:人民邮电出版社，2011:1－10.

［5］王成山，肖朝霞，王守相.微电网综合控制与分析［J］.电力系统自动化，2008，32(7):98－103.

［6］鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述［J］.电力系统自动化，2007，31(19):101－102.

［7］王成山，武震，李鹏.微电网关键技术研究［J］.电工技术学报，2014，2(29):1－9.

［8］Lambert T，Gilman P，Lilienthal P.Micropower System Modeling with HOMER［R/OL］.

［9］Arun P，Banerjee R，Bandyopadhyay S.Optimum sizing of photovoltaic battery systems incorporating uncertainty through design space approach［J］.Solar Energy，2009，83(7):1013－1025.

［10］Yingyi Hong，Ruochen Lian.Optimal sizing of hybrid wind/PV/diesel generation in a stand-alone power system using markov－based genetic algorithm［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2012，27(2):640－647.

［11］Michael Stadler，Chris Marnay，Afzal Siddiqui，et al.Effect of heat and electricity storage and reliability on microgrid viability:a study of commercial buildings in California and New York states［R/OL］.

［12］Guo Li，Liu Wenjian，CaiJiejin，et al.A two－ stage optimal planning and design method for combined cooling，heat and power microgridsystem［J］.Energy Conversion and Management，2013，74:433－ 445.

［13］Paliwal P，Patidar N P，Nema R K.Determination of reliability constrained optimal resource mix for an autonomous hybrid power system using particle swarm optimization［J］.Renewable Energy，2014，63:194－ 204.

［14］Rodolfo Dufo－ López，José L.Bernal－ Agustín，Multiobjective design of PV-Wind-diesel-hydrogen-battery systems［J］.Renew Energy，2008，33(12):2559－2572.

［15］陈妮亚，钱政，孟晓风，等.基于空间相关法的风电场风速多步预测模型［J］.电工技术学报，2013，28(5):15－21.

［16］周双喜，鲁宗相.风力发电与电力系统［M］.北京:中国电力出版社，2011.

［17］IEEE Standards Association.IEEE std 1547.4－2011，IEEE guide for design，operation，and integration of distributed resource island systems with electric power systems［S］.New York:IEEE，2011.

［18］Lasseter R H.Microgrids and distributed generation［J］.Journal of Energy Engineering，2007，133(3):144－149.

［19］Ali B，Ali D.Hierarchical Structure of microgrids control system［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(4):1963－1974.

［20］Chung I Y，Liu W X，Cartes D A，et al.Control methods of inverter－interfaced distributed generators in a microgrid system［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2010，46(3):1078－1088.

［21］王成山，肖朝霞，王守相.微网中分布式电源逆变器的多环反馈控制策略［J］.电工技术学报，2009，24(2):100－106.

［22］Wang F，Duarte J L，Hendrix M A M.Pliant Active and reactive power control forgrid-interactive converters under unbalanced voltage dips［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(5):1511－1520.

［23］Wang C S，Li X L，Guo L，et al.A seamless operation mode transition control strategy for a microgrid based on master-slave control［J］.Science China(Techno.Sciences)，2012，55(6):1644－1654.

［24］Li Y，Vilathgamuwa D M，Loh P C.Design，analysis and real-time testing of a controller for multibus microgrid system［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(5):1195－1200.

［25］Sortomme E，Venkata S S，Mitra J.Microgrid protection using communication-assisted digital relays［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2010，25(4):2789－2796.

［26］王成山，刘梦璇，陆宁.采用居民温控负荷控制的微网联络线功率波动平滑方法［J］.中国电机工程学报，2012，32(25):109－117.

［27］Guerrero J，Juan C V，Matas J，et al.Hierarchical control of droopcontrolled AC and DC microgrids-ageneral approach toward standardization［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(1):158－ 171.

［28］Pec’as Lopes J A，C L Moreira.Defining controlstrategies for Micro-Grids islanded operation［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2006，21(2):916－924.

［29］王成山，高菲，李鹏，等.低压微网控制策略研究［J］.中国电机工程学报，2012，32(25):2－8.

［30］Yasser A R I M，Amr A R.Hierarchical control system for robust microgrid operation and seamless mode transfer in active distribution systems［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2011，2(2):352－362.