智能微網

21世紀初期，在世界範圍內接連發生的幾次大而積停電事故使大規模電力系統集中式發電的運行難度大、難以滿足用户對電能質量的更高要求等弊端日益凸顯。同時，能源危機、環境污染也受到全球關注，僅僅依靠擴大電網規模顯然不能解決這些問題，於是分佈式發電作為集中式發電的有效補充應運而生，它具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安裝地點靈活等諸多優點，有效解決了大型集中電網的許多潛在問題。

但是，分佈式電源具有間歇性、隨機性、響應速度慢、慣性小等特點，不易控制，併網後容易引起電壓波動和電壓閃變，尤其是當大容量分佈式電源併入中低壓配電網時，要實現配電網的功率平衡，並保證供電可靠性和電能質量較為困難。

微網概念的提出旨在解決大規模、多類型分佈式電源併網帶來的技術、市場和政策上的問題，最大限度地發揮分佈式發電技術在經濟、能源和環境中的優勢。歐洲以及美國、日本等很多國家都結合本國實際提出微網的概念並積極開展相關研究，到目前為比，微網在理論與應用上都取得了豐碩的成果，並逐漸向智能化方向發展，成為智能配電網的重要有機組成部分，是智能電網建設的重要內容 ^{[1]  [2]}  。

2001年，美國電氣可靠性技術解決方案聯合會（CERTS）最早給出了微網的定義：微電網是一種由負荷和微型電源共同組成的系統，它可同時提供電能和熱量；微電網內部的電源主要由電力電子器件負責能量的轉換，並提供必需的控制；微電網相對於外部大電網表現為單一的受控單元，並可同時滿足用户對電能質量和供電安全等的要求。隨後，微網在許多國家得以大力發展，其定義也發生了演變。歐盟微電網項目給出的定義是：利用一次能源；使用微型電源，分為不可控、部分可控和全控三種，並可冷、熱、電三聯供；配有儲能裝置;使用電力電子裝置進行能量調節。美國威斯康辛麥迪遜分校的R.H.Lasseter給出的概念是：微電網是一個由負載和微型電源組成的獨立可控系統，對當地提供電能和熱能。2009年3月我國在國網電力科學研究院召開的“微網技術體系研究”工作會議將微網定義為：微網是指以分佈式發電技術為基礎，靠分散型資源或用户的小型電站為主，結合終端用户電能質量管理和能源梯級利用技術形成的小型模塊化、分散式供能網絡。

儘管國內外對微網的定義不盡相同，但共同的觀點是：微網是以分佈式發電技術為基礎，融合儲能裝置、控制裝置和保護裝置的一體化單元；靠近用户終端負荷；接入電壓等級是配電網；能夠工作在併網和自治兩種模式、提高供電可靠性、集約應用分佈式新能源、改善電能質量 ^[3]  。

微網作為智能配電網的重要有機組成部分，在技術和裝備上實現智能化是其基本要求。

關於智能微網的概念在國際上也尚未統一。認為智能微網是大型電力系統的現代化、小型化的形式，能夠提供更高的供電可靠性，更易滿足用户增長的需求，最大可能地利用清潔能源和促進技術的創新。Valence Energy ^[1]  認為智能微網是多種能源發電設備和終端用户設備的智能優化和管理，能夠在實現持續發展目標的同時最大化投資效益。我國學者認為：智能微網即微網的智能化，通過採用先進的電力技術、通信技術、計算機技術和控制技術在實現微網現有功能的基礎上，滿足微網對未來電力、能源、環境和經濟的更高發展需求。

通過智能微網的定義可以看出，智能微網具有以下特徵 ^[3-4]  ：

(1)併網和獨立兩種運行模式。這是智能微網與帶有負荷的分佈式發電系統的本質區別。智能微網在併網運行時，可以對大電網起到削峯填谷的作用，是大電網穩定運行的有力支撐。當電網發生故障時，智能微網可以迅速從大電網中解列，獨立運行，為政府、醫院、交通樞紐等重要負荷持續供電，提高了供電可靠性。

(2)穩定。微網獨立運行時，能夠在穩態和暫態過程中實現功率平衡和電壓/頻率穩定，有效解決電壓、諧波問題，避免間歇式電源對周圍用户電能質量的直接影響。

(3)兼容。微網是實現分佈式電源併網的最有效的方法，它將原來佈局分散的可再生能源進行整合，並通過儲能裝置和控制保護裝置實時平滑功率波動，維持供需平衡和系統穩定，能夠有效克服分佈式電源的隨機性和間歇性缺點，解決分佈式電源的接入問題。

(4)靈活。智能微網可以作為大電網的一個受控單元，實現分佈式電源的“即插即用”，而且可根據用户需求靈活提供定價不同、級別不同的電能質量，滿足用户多樣化的需求。

(5)經濟。微網作為可再生能源發電的有效載體能夠顯著提高可再生能源的利用效率，同時微網與中小型熱電聯產相結合，通過實現温度對口、梯級利用和能質匹配，減少不同能源形態的轉換，滿足用户供電、供熱、製冷、濕度控制和生活用水等多種需求，從而顯著提高能源利用效率，優化能源結構，減少污染排放，實現節能降耗的目標，而且微網實現了市場交易和資產配置的統一管理。

智能微網的結構因負荷需求不同而不同，但其基本單元包含分佈式電源（微能源）、儲能裝置、管理系統以及負荷，其中大多數微能源與電網的接口都要求是基於電力電子技術設計的，以保證微網以單個系統方式運行的柔性和可靠性 ^[5]  。其結構如圖1所示。

微網具有併網和獨立（孤島）兩種穩定運行狀態及相應的兩種過渡運行狀態——微網併網過渡狀態和微網解列過渡狀態。各種運行狀態及其之間的相互轉化如圖2所示。

智能微網可視為一個小型的電力系統，其供電安全性、保護與控制等問題同樣需要關注，但智能微網與傳統的電網在功能、結構上存在諸多不同，因此關注的重點與研究方法也截然不同。為了實現各種分佈式電源的無縫接入，智能微網需要解決一系列複雜的問題，主要包括：智能微網運行特性；智能微網自身的保護與控制；智能微網的併網標準；智能微網的運行控制與能量管理 ^[3]  。

由於智能微網具有併網和孤島兩種運行狀態，因此其運行特性也包括兩方面：一方面是智能微網孤島運行時，其自身的運行特性。微網中存在的多種能源輸入（光、風、氫、天然氣等）、多種能源輸出（電、熱、冷）、多種能量轉換單元（光/電、熱/電、風/電、交流/直流/交流）以及多種運行狀態（併網、獨立）使得微網的動態特性相對於單個的分佈式發電系統而言更加複雜，除了各分佈式發電單元的動態特性外，網絡結構與網絡類型（直流微網或交流微網）也將在一定程度上影響着微網的動態特性；另一方面是智能微網併網運行時，其與外部電網的相互作用。它涉及微網對大電網的電壓、功角和頻率穩定運行的作用機理和對應措施的研究、微網與大電網控制系統及故障過程相互作用機理的研究和微網所引起的大電網電能質量的研究等多個方面，是實現含智能微網的大電網系統安全穩定運行的理論基礎。

有文獻在理論層而建立了微網分析的理論體系，包括：微網與大電網相互作用機理、分佈式儲能在微網中的作用機理、微網全過程仿真理論、含微網新型配電系統的規劃理論、微網優化運行理論。也有研究從微網的多種運行狀態角度出發，將微網與大電網的相互作用機理分為兩類：一是探討微網在獨立或併網兩種穩態運行狀態下，微網與外網配電網及其公共連接點處以波形畸變和隨機波動為特徵的穩態電能質量擾動產生機理和分佈規律；二是探討在微網併網與解網、微電源投退與切換、負荷衝擊、故障等暫態過程中，電壓或電流短時嚴重偏離其額定值或理想波形的暫態電能質量擾動產生機理和傳播特性。有文獻為了能夠對微網的運行特性進行深入的理論和實驗研究，建立了一個小型實驗室微網系統。該系統中的分佈式電源採用光伏模擬單元和風機模擬單元，通過電力電子變換裝置併入微網。系統以蓄電池為儲能裝置，並通過雙向逆變器併入微網，用以維持微網的暫態功率平衡。當微網聯網運行時，以外電網電壓和頻率為參考，蓄電池雙向逆變器、光伏併網逆變器和風機併網逆變器採用恆功率控制；孤島運行時，雙向逆變器的控制策略切換為恆電壓、恆頻率控制，用以提供微網電壓和頻率參考。實驗結果表明，該系統可以穩定地工作在聯網模式和孤島模式，並可實現二者之間的平滑切換，提高了能量供給的可靠性 ^[6-7]  。

控制和保護裝置是智能微網的基本組成部分。智能微網是一個遍佈中小型電源和負荷的有源網絡，其內部潮流是雙向流動，而且併網和孤島運行狀態下的短路電流大小差異很大，因此其保護定值和機理髮生了根本性變化，保護控制還要能夠基於本地信息對電網中的事件做出自主反應，例如：對於電壓跌落、故障、停電等，發電機應當利用本地信息自動轉到獨立運行方式，而不是像傳統方式中由電網調度統一協調。研究智能微網自身的保護控制問題是實現實時平滑功率波動、維持供需平衡和系統穩定的基礎。

有文獻從宏觀角度分析了微網保護的策略：對交流微網的保護，從是否依賴於通信的角度進行分析，提出構造微網開關站的思路；闡述了網絡化數字微網保護是以通信為基礎，構建微網級的通信網絡，利用微網多處的電流電壓信息進行綜合分析判斷，從而實現對微網的保護；提出微網獨立與併網運行時的兩種保護策略，一是設計一個統一的保護策略，使得獨立與併網運行時保護都有效;二是設置限制條件，使得獨立或併網運行時只有一種保護有效 ^[8]  。

目前，國際上與微網相關的標準主要有各國關於分佈式電源併網的技術規定、電能質量標準等，尚無專門的智能微網併網運行標準正式頒佈，只有一些關於建立微網標準體系的參考建議。

由於智能微網中含有風能、太陽能等分佈式電源，隨機性較大，承受擾動的能力相對較弱，尤其是在孤島運行狀態下，運行的安全性可能面臨更高的風險，因此有效的運行控制與能量優化管理是智能微網研究的核心內容。

微網能量管理系統（EMS）與傳統能量管理系統的關鍵區別在於：由於微網內集成熱負荷和電負荷，微網EMS需要熱電匹配；能夠自由與電網進行能量交換；微網EMS能夠提供分級服務，特殊情況下可犧牲非關鍵負荷或延遲對其需求響應，為關鍵負荷提供優質電力保障。

有研究指出目前應用較為成熟的智能微網控制方法有三類：基於電力電子技術的“即插即用”與“對等”的控制思想；基於功率管理系統的控制；基於多代理技術的微網控制方法。有文獻將微網控制分為單元級與系統級兩個層次，指出微網控制的研究需要分別對單元級和系統級控制器及管理系統進行建模，從而建立系統整體運行控制和能量優化管理模型。目前，已開發的微網EMS可以具備熱能利用；對採暖通風和空調系統的管理；控制系統；與配電網進行能量交互，提供無功支持和熱備用；分級服務，保障重要負荷用電等功能。但在高級能量管理方面仍需改善：發展高級控制策略，協調用户控制系統；基於實時電價的快速需求側響應；完善監測系統，包括智能預警和市場信息；完善數據採集和處理技術；快速故障定位、隔離和服務恢復技術；網絡重構和保護技術；綜合考慮環境效益、經濟效益的調度決策技術；決策可視化技術 ^[9]  。

實現智能微網涉及眾多技術領域，主要從通信、傳感與計量、分析、設備等幾個方面總結智能微網的關鍵技術 ^[3]  。

提供兩大基本功能，使微網自身、多個微網以及微網與配電網之間的信息交換變得實時互動：統一開放的通信標準，使交互雙方能夠對信息進行識別和重組；逗兼容的物理媒介，使開放的通信設施連接各種智能電子設備（IED）、智能電錶、控制中心、電力電子裝置、保護系統以及終端客户，創建“即插即用”的環境。

高級的通信技術將在智能微網中得到廣泛使用：帶電力線（BPL）接入技術，是一種連接到家庭的寬帶接入技術，利用現有交流配電網的中、低壓電力線路，傳輸和接入Internet的寬帶數據業務，能夠實現如遠程抄表、負荷控制、數據分析、電能質量監測、設備監視、分佈式發電監控等電力服務，還能實現Internet寬帶接入、視頻傳輸、病毒防禦、故障診斷等用户網絡服務，可以説，BPL技術發展迅速，是未來智能微網通信技術的主導力量；無線通信技術，包括目前發展迅速的WiFi技術、新興的3G和WiMax技術以及正在開發的無線網格網絡（WMN）技術都可以引入微網，實現各設備間及其與能量管理的無線通信。

基於數字通信技術的高級傳感和計量技術能夠迅速在網絡各節點進行數據採集和數據融合，診斷智能微網的健康度和完整度，同時具備自動抄表、消費計額、竊電檢測等功能，並能緩解電力阻塞，提供需求側響應和新的控制策略。

高級傳感技術是微網智能化技術的重要組成部分，具有很好的應用前景。例如，無線傳感網絡是由密集型、低成本、隨機分佈的節點組成，具有很強的自組織性和容錯能力，不會因為某些節點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統的崩潰。將無線傳感技術引入微網，可有效提高微網的安全防禦能力，併為微網實現自治提供有效基礎。

目前國內主要採用機電式電錶進行電能計量，對用户側計量數據採集精細度不夠，數據沒有被充分利用。高級量測體系（AMI）已經在國外得到了廣泛應用，許多國家已經安裝了智能電錶。AMI能夠實現電能計量、記錄“三表”（電錶、氣表和水錶）消費信息，並且能夠雙向通信進行遠程閲讀。

微網融合了電能生產者和消費者，需要向運行機構提供實時電力信息以平衡電能供需。作為電網尤其是配電網智能化的實現環節，AMI在微網智能化中不可或缺。此外，微網包含商業用户、社區用户以及部分中小型工業用户，用户端口技術作為通向用户室內的網關，也在微網中起着積極作用。

高級分析技術是高級能量管理的功能化，是實現智能微網自治運行的工具，包括系統性能監測與模擬、測量分析系統、綜合預測系統、實時潮流分析和市場模擬系統。

1）系統性能監測與模擬：泣埃時監測微網內各節點電氣參數；褂民據實時數據驗證完善離線系統模型；硬基於在線或模擬故障的微網穩定/恢復最優策略。

2）測量分析系統：檢測電壓或電流的瞬時值；分析微網暫態過程；監測微網緊急事件；支持實時狀態估計；改進微網動態模型；提供更好的數據可視化平台。

3）綜合預測系統

4）實時潮流分析：可視化展示安全運行限制區域；給出最優協調方案，擴大安全運行區域，減少輸電阻塞，最優化損耗管理，改進系統規劃分析。

5）市場模擬系統：為微網經濟性分析與控制模擬各種市場因素（如市場成員的不同特點、動態學習能力和自我判斷決策能力以及成員間的相互作用），並提供開放的程序開發環境實現軟件升級與信息共享。

1）高級電力電子技術。目前電力電子技術在微網中的應用體現在：將分佈式電源和儲能的併網接口；提供本地電源控制和保護；孤島/反孤島檢測。

高級電力電子技術能夠極大地提高微網性能。例如：統一潮流控制器能夠全面改善微網的無功補償和潮流控制；配電網靜止無功補償器或動態無功補償器能夠有效提供電壓支撐，抑制電壓閃變，緩解分佈式發電併網的影響；快速轉換開關能夠提供穩定的功率，實現微網在併網/離網2種模式下的無縫轉換。

材料技術的快速發展加速推動電力電子技術向高頻化和智能化發展。併網接口研發和應用的加強有助於降低分佈式發電成本，接口控制的完善以及諧波治理有助於改善電能質量，輔助提高微網的經濟、穩定運行水平。

2）超導電力技術。作為21世紀關鍵的前瞻技術，超導電力技術已在電纜、變壓器、限流器和儲能等方面進入試運行階段，尤其是超導電纜已於2008年4月在美國投入商業運行，通過3根138kV電纜可同時滿足30萬户家庭用電需求。超導電力技術是解決電力安全、高品質供電、高密度供電和高效率輸電等難題的新技術途徑，將其引入微網能有效保障優質電力服務，降低輸電損耗，減少佔地，降低電磁污染，從而為微網的高效運行提供保障。

3）新型儲能技術。儲能技術是微網實現自治的重要部分，按照能量轉化形態可分為物理、電磁、電化學和相變儲能4種類型。微網內集成了大量高滲透率的可再生能源發電單元，由於其固有的隨機性和間歇性，將會帶來電壓和頻率的穩定性、低電壓穿越、電能質量和經濟性等問題。由於各種儲能技術在功率範圍、響應時間、轉化效率以及技術成熟度等方面的差異，因此發展不同儲能單元之間的聯合控制技術是解決上述問題、實現微網智能化轉變的重要環節。

智能微網是集分佈式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、相關負荷和監控、保護裝置於一體的小型電力系統，具有併網和獨立兩種運行能力，穩定、兼容、靈活、經濟。目前，關於智能微網的研究主要集中在其運行特性、保護與控制、併網標準、運行控制與能量管理等方面。在我國，智能微網將作為實現充分利用可再生能源、節能降耗、改善偏遠農村生活用電水平、提高電網防災抗災能力的有效措施得以廣泛應用。

智能電網和微網作為新生事物其內涵也在不斷豐富和深化中。以“堅強”為物質基礎、以“互動”為核心特徵、以“智能”為技術支撐的智能電網將在中國的經濟建設、能源利用和環境保護等方面發揮越來越重要的作用。微網作為智能電網的重要組成部分，扮演着實現電網支撐、防震減災、提高能效、節能降耗、農村電氣化等角色，實現智能是微網發展的客觀要求。智能微網通過將先進的信息技術、控制技術與電力技術相融合，不僅能夠提供更高的電力可靠性、滿足用户多種需求，還能實現能源效益、經濟效益和環境效益的最大化，是未來智能配電網新的組織形式。