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微电网技术发展动态研究报告微电网发展动态研究报告 2010-1-7jite陈章玉目 录1微电网产生的背景41.1分布式发电41.2从分布式发电到微电网42微电网概念52.1微网的定义52.2典型微电网的结构72.3微电网的运行方式83国内研究进展103.1分布式发电供能系统相关基础研究-国家973计划项目103.1.1项目概述103.1.2项目目标103.1.3研究内容及课题组设置113.2光伏发电微网实证研究项目杭州电子科技大学113.2.1项目概述113.2.2系统组成123.2.3投资效益分析133.3南网863项目微网系统并网关键技术研究与工程示范133.4青海省玉树州水光互补微网发电示范项目143.5合肥工业大学分布式发电示范系统144国外研究进展164.1美国164.1.1主要研究机构及项目164.1.2美国示范工程164.2欧盟184.2.1主要研究项目184.2.2欧洲示范工程194.3日本205微电网关键技术及主要研究方向225.1关键技术225.1.1微电网的控制225.1.2微电网孤岛监测与保护235.1.3微电网电能质量235.1.4微电网的经济性235.1.1储能技术245.2主要研究方向255.2.1基础理论255.2.2设备研制285.2.3实践应用示范工程285.2.4市场化推动286适合发展微网的市场空间287JITE的切入点297.1期望可切入的课题297.2下一步工作298参考文献301 微电网产生的背景 1.1 分布式发电l 可再生能源的发展需求据预测，全世界石油储量只够开采3040年，天然气约60年，人类经济发展面临着能源危机；石油、煤炭资源的大量使用产生了日益严重的环境污染问题，使人类的生存受到威胁。能源问题和环境问题成为制约人类可持续发展的的重大问题， 开发利用清洁高效的可再生能源，优化能量结构、发展新型能源和扩大可再生能源利率，是解决未来世纪能源问题的主要出路。l 传统集中大规模电网存在忧患二十世纪初以来电力行业流行的观点是，发电机组容量越大，则效率越高，单位功率投资越低，发电成本也越低，因而集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式。但是，这种模式缺乏灵活性，一旦出现故障，对社会经济发展的影响将是巨大的（2003美国加州的停电事故、2008中国南方雪灾等，都发生大面积停电事故）。因此，灵活方便的分布式供电是目前集中供电模式不可缺少的重要补充。分布式发电(Distributed Generation，DG)是相对于传统的集中式供电方式而言，是指位于或接近负荷的发电功率为数千瓦至几十兆瓦，独立运行或者接在配电网上，经济、高效、可靠的发电。分布式发电由于采用丰富的可再生能源向用户提供电力，是“绿色电力，是解决能源危机、环境保护、经济可持续发展的必然选择。1.2 从分布式发电到微电网 分布式电源接在用户侧，靠近负荷中心，具有低污染、可靠性高、能源利用效率高等特点；同时分布式电源位置灵活、分散的特点极好地适应了分散电力需求和资源分布，延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资，它与大电网互为备用也使供电可靠性得以改善。尽管分布式电源优点突出，但本身存在诸多问题，如分布式电源单机接入成本高、控制困难等。另外，为减小分布式电源对大电网的冲击，大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，当电力系统发生故障时，分布式能源必须马上退出运行。这就大大限制了分布式能源的充分发挥，也间接限制了对新能源的利用。为了降低DG带来的不利影响，同时发挥DG积极的辅助作用，并尽量减少其对主网的冲击，美国CERTS首先提出了微电网的概念，将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能和热能。在微电网中的分布式电源(DistributedEnergy Source，DER)可以是以前的分布式发电(DG)，可以是分布式储能装置(Distributed Storage，DS)，还可以是由分布式发电和分布式储能组成的混合单元。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。因此，开展微网技术的研究不但有利于推动新能源和可再生能源的开发与利用，对电力工业本身的发展也具有重要的现实意义。2 微电网概念2.1 微网的定义 国际上对微型电网的定义各不完全相同：1) CERTS：美国电气可靠性技术解决方案联合会( CERTSConsortium for Electric ReliabilityTechnology Solutions)给出的定义为：微电网是一种由负荷和微型电源共同组成系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求（如增加本地可靠性、降低馈线损耗、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用的效率及提供不间断电源等）。2) 欧盟：微电网项目(European Commission Project Microgrids)给出的定义：利用一次能源；使用微型电源，分为不可控、部分可控和全控三种，并可冷、热、电三联供；配有储能装置；使用电力电子装置进行能量调节。3) 美国威斯康辛麦迪逊分校(University ofWisconsinMadison)的RHLasseter给出的概念是：微电网是一个由负载和微型电源组成的独立可控系统，对当地提供电能和热能，可提供较高质量的电能，能够脱离配电网独立运行。这种概念提供了一个新的模型来描述微电网的操作；微电网可被看作在电网中一个可控的单元，它可以在数秒钟内反应来满足外部输配电网络的需求；对用户来说，微电网可以满足他们特定的需求：增加本地可靠性，降低馈线损耗，保持本地电压，通过利用余热提供更高的效率，保证电压降的修正或者提供不问断电源。4) 中国科学院电工研究所：能量来源主要为可再生能源；发电系统类型可为微型燃气轮机(MicroTurbine)、内燃机(Gas Engine)、燃料电池(Fuel Cel1)、太阳能电池(PV Pane1)、风力发电机(Wind Generator)、生物质能(Biomass Energy)等；系统容量为20kw10MW；网内的用户配电电压等级为380V，或者包括105 kV；如与外部电网进行能量交换，电压等级由微电网的具体应用等情况而定。不同的实验室和机构提出的微型电网的概念不完全相同，归纳起来有如下特点：l 所有的方案一致认为微型电网应该具有独立运行能力，并且应能实现即插即用和无缝切换；l 大多数方案把联网运行列为必要条件，而其它方案也推荐能够联网运行；l 多数方案认为微型电网应该具有中央管理单元，能够实现本地管理自治运行，应该备有储能设备，具有可实现热电联供的能力；l 除上述概念比较相同外，所提出的十一个方案在微型电网是否与公共电网单点连接、潮流是否双向流动等方面看法不尽相同。简单概括：微网是一个小型电力系统，由一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成，形成一个可独立控制的单元（实现自我控制、保护和管理的子系统），可与大电网联网运行，也可独立运行。l 结构：微网由微型电源、储能装置、负荷和电力电子功率变换系统组成。l 电源：微网的电源属于微型分布式电源，容量较小，单电源容量约为l100 kW。微网主供电电源以可再生能源发电为主(光伏发电、风力发电等)，承担微网基荷：部分电源也消耗常规能源(微型燃气轮机、内燃机等)，通常作为参与调峰的备用电源。l 负荷：负荷类型较多且功率较小，通常需要实现冷、热、电三联供。l 电力电子器件：为微电源与交流微网提供接口，实现能量的转换及控制。l 电能质量：能够依靠自身调节能力保证较高的电能质量，满足微网负荷需求并维持与配电网功率连接点的电压与频率稳定。l 运行方式：能与配电网并联运行，也可独立运行，其运行方式的切换属于微网正常调度范畴。微网与配电网功率连接点的功率是双向流动的，但在某一运行时段微网总体呈现出一个电源或负荷特性，且在该时段内连接点的功率是恒定的。2.2 典型微电网的结构1) CERTS微电网结构上图，是美国CERTS给出的微电网结构。图中，微电网整体呈辐射状结构，在公共耦合点(PCC点)通过一个静态开关(Static Switch)与主电网相连，实现由孤岛运行模式向并网运行模式的无缝切换。微电网中的发电装置一般都是混和的，可能包含微型燃气轮机(MicroTurbine)、内燃机(Gas Engine)、燃料电池(Fuel Cell)、太阳能电池(PV Panel)、风力发电机(Wind Generator)、生物质能,(Biomass Energy)等多种发电装置。此结构中包含了光伏电池、燃料电池、微型燃气轮机三种微电源，靠近热力用户的微电源还可以为本地用户提供热源(热电联供，提高利用率)，从而保证了能量的充分利用。负荷有敏感负荷、可调节负荷、可中断负荷三种；针对负荷对供电质量要求的不同，CERTS微电网有不同的供电方案，如上图对于敏感负荷：采用光伏电池(PVCell)、微型燃气轮机(Micmturbine)和燃料电池(Fuel cell)的混和供电，实现可靠性供电以及热电联供；可调节负荷：采用微型燃气轮机(Micro turbine)供电；而对于可中断负荷则没有专门的微电源，而是由配电网直接供电。整个微网配置了能量管理器(Energy Manager)，每个微源配置了潮流控制器(Power Flow Controller)能量管理器用于实现整个微电网的综合分析控制，潮流控制器用于对微电源的就地控制。当负荷变化时，潮流控制嚣可根据本地频率及电压信息进行潮流调节，调节DG的功章输出以保持功率平衡。能量管理器则综合解决电压控制、潮流控制和解列时的负荷分配、稳定及所有运行问题。CERTS的微电网设计理念是不采用快速电气控制（ETRS微电网所接入的DERs都是峰值小于 2 MW 的小机组，这就避免了采用快速却昂贵的控制，并且使得系统具有很好的鲁棒性）、单点并网不上网、提供多样化的电能质量与供电可靠性、随时可接入的DERs（即插即用）等。这些突出的特点使它成为世界上所提出的微电网中最权威、认可度最高的一个。CERTS只是微电网结构的一种形式，具体的结构随负荷等方面的需求而不同，如敏感负荷对电能质量和可靠性要求更高等。但是基本单元应包含微能源、蓄能装置、管理系统以及负荷。其中大多数微能源与电网的接口都要求是基于电力电子的，以保证微电网以单个系统方式运行的柔性和可靠性。2.3 微电网的运行方式微电网系统有与外部电网并网和独立运行两种模式。当电网并网时，微电网内的负荷根据用户的情况从电网内部以及外部吸收能量。由于电压降落、故障、停电检修等原因造成外部电网连接中断，微电网需要从并网平滑过渡到独立运行状态。与外部电网隔离后，微电网进入独立运行模式。通过德国 微网实验系统运行证明：微网系统在合理的控制下可以实现并网运行和孤立运行，并可实现两种运行模式的平滑过渡并网运行：对微电网自身来说，并网运行方式是其正常工作方式之一。由于下列问题：在电网内部，由于某个发电单元故障、检修等原因退出运行或者负荷急剧增加，致使供电功率不足需要与外电网并联引进功率；或者由于在某种极限情况，在满足负荷和储能需求后，仍有功率富余，可与外电网并联向外送出能量。并网运行时，微网和传统配电网类似，服从系统调度，可同时利用微网内DG发电和从大电网吸取电能，并能在自身电力充足时向大电网输送多余电能。孤岛运行：孤立运行的能力是微网最重要的特点。在由于母线电压降落、外部电网发生故障或并网联络线突然跳闸等造成外部电网连接中断，微电网需要平滑地从并网运行模式到独立运行模式。孤岛运行模式下，即与配电网断开后，微电网继续向网内负荷供电，需要运行在稳定的电压和频率下，此时要求微电网的各电源之间相互配合，采用不同的控制方法，来保持微电网运行于额定的电压和频率下，并保证微电网内部的功率平衡和电能质量。而孤岛运行时，微电网的控制策略直接影响供电的可靠性。现今微电网常用的控制策略主要有两种：对等型和主从型。对等型，微电网中的各个微电源之间都是平等的，不存在从属关系。此方法主要基于外特性下降法(Pf，Qv曲线)，实现电压、频率的自动调节而无须借助于通信。主从型，即一个(或几个)微电源为主，检测电网中的各种电气量，根据电网的运行情况采取相应的调节手段，而其他电源为辅，根据需要控制输出的功率和电压来维持微电网内部的功率平衡，需要借助通信实现。两种方法各有优缺点，可根据不同的需要选择。3 国内研究进展 我国对微电网的研究尚处于起步阶段。当前主要一些高校及研究及机构，围绕国家科技支撑计划、973、863计划、国家自然科学基金等自主地项目开展，资助31项有关微电的研究项目。主要包括：天津大学、合肥工业大、华中科技大学、清华大学、中国科学院电工研究所、上海交大等。整体表现为：关键技术自给率低，缺少原创性技术成果；论文多，关键装备研发少；研究项目多，示范工程少。3.1 分布式发电供能系统相关基础研究-国家973计划项目3.1.1 项目概述“分布式发电供能系统相关基础研究” 是国家973计划在能源领域支持的一个项目。项目主要承担单位包括：天津大学、华中科技大学、合肥工业大学、西安交通大学、上海交通大学、湖南大学、华北电力大学、南方电网公司技术中心。天津大学的王成山教授担任项目首席科学家，该项目于2009年2月28日，在天津大学正式召开启动会。分布式发电供能系统，是指利用各种可用的分散存在的能源，包括可再生能源（太阳能、生物质能、小型风能、小型水能、波浪能等）和本地可方便获取的化石类燃料（主要指天然气）进行发电供能的系统。将分布式发电供能系统以“微网”的形式接入到大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电供能系统效能的最有效方式。本项目即以分布式发电供能系统组成的“微网”及其所接入的“大电网”为研究对象，以保证微网与大电网的安全稳定和经济高效运行为目标，针对“高渗透率微网的复杂动态行为及安全高效运行理论” 这一科学问题开展研究工作。分布式发电供能系统相关基础研究项目工作组网站：/index.php3.1.2 项目目标 通过对分布式发电供能系统基础理论和关键技术的研究，建立分布式发电供能系统相关的理论体系和分析方法，在一些关键科学技术问题上取得突破。创立微网分析的理论体系，包括：微网与大电网相互作用机理，分布式储能在微网中的作用机理，微网全过程仿真理论，含微网新型配电系统的规划理论，微网优化运行理论。解决保证微网安全可靠运行的关键技术问题，包括：微网和含微网配电系统的保护技术，微网中分布式电源协调控制技术，电能质量综合监控技术，分布式储能系统控制技术，含微网配电系统的数字仿真系统，含微网配电系统的规划辅助决策系统，微网物理与数字综合仿真实验平台。3.1.3 研究内容及课题组设置1) 高渗透率下微网与大电网相互作用机理研究：由华中科技大学和天津大学共同承担，华中科技大学的段献忠教授任课题负责人；2) 分布式储能对微网安全稳定运行的作用机理研究：由华中科技大学和合肥工业大学共同承担，华中科技大学的毛承雄教授任课题负责人；3) 含微网新型配电系统的优化规划：由上海交通大学和天津大学共同承担，上海交通大学的程浩忠教授任课题负责人；4) 微网及含微网配电系统的保护原理与技术：由天津大学和西安交通大学共同承担，天津大学的李永丽教授任课题负责人。5) 微网并网控制及微网中多分布式电源协调控制：由西安交通大学和合肥工业大学共同承担，西安交通大学的刘进军教授任课题负责人。6) 微网及含微网配电系统的电能质量分析与控制：由湖南大学和华北电力大学共同承担，湖南大学的罗安教授任课题负责人。7) 分布式发电供能微网系统综合仿真：由天津大学和南方电网技术研究中心共同承担，天津大学的王成山教授任课题负责人。8) 微网经济运行理论与能量优化管理方法：由合肥工业大学和天津大学共同承担，合肥工业大学的茆美琴教授任课题负责人。3.2 光伏发电微网实证研究项目杭州电子科技大学3.2.1 项目概述并网光伏发电微网系统实证研究项目是中日两国政府可再生能源科技合作项目之一，2007年9月，国家发改委、浙江省发改委和日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）签订项目基本协议，日本NEDO提供项目建设和实证研究资金，中方提供场地和配套设施，并确定由杭州电子科技大学和日本清水建设（株）公司共同实施，中日双方就并网光伏发电微网系统的关键技术开展合作研究。总投资5亿日元（约3700万）。本项目是国内第一个光伏发电微型电网实验研究系统，也是目前国际上唯一的太阳能光电比例达50、电源容量240KW的实验微型电网，具有国际先进水平，填补了我国在光伏发电微型电网实验研究系统的空白，同时具有工程示范性。 杭州电子科技大学光伏发电微网系统课题组，自2006年6月与日本清水建设研究所合作，共同完成了项目可行性论证、负荷调研、微网系统设计、微网并网和独立运行的控制和保护、微网系统与配电网连接等系统建设等。课题组成员先后两次赴日本就大型光伏发电并网系统、微网系统交流学习。通过中日合作项目的研究，课题组将消化吸收日本在光伏发电微网系统的先进技术，结合国内、浙江的实际，开发具有自主知识产权的光伏发电微网系统的关键技术。本项目2007年12月1日正式开工建设， 2008年9月完成系统建设工程，现已经开始并网发电行，并成功供应两幢教学楼的用电。3.2.2 系统组成光伏发电微网实验室是由120千瓦太阳能光伏发电、120千瓦柴油机发电、蓄电池储能系统、超级电容（EDLC）补偿系统、电能质量调节器（PQC）、瞬间电压跌落补偿器（DVC）、干扰发生装置和电能供需控制系统（Power Demand & Supply Control System）组成的并网光伏发电微网系统。在杭州电子科技大学的6号与8号教学楼顶安装728块光伏板，总面积946平方米。3.2.3 投资效益分析该系统的太阳光年发电量预期在12万度(kwh)/年，基本满足两幢教学楼的用电需求。按每生产1度电，按0.4kg标准煤。这表明120kWp太阳光发电系统，每年可节约48吨标准煤（折合原煤77吨），减少碳粉尘排放32.6吨、二氧化碳CO2120吨、二氧化硫SO23.6吨、氮氧化物NOx1.8吨，具有明显的经济社会效益。目前，因为光伏板成本高，所以整个太阳能发电的成本也很高，每千瓦电的成本在三万到五万元左右，还不适合普通家庭使用。3.3 南网863项目微网系统并网关键技术研究与工程示范2007年：南方电网公司联合有关单位（天大）向国家科技部申报了国家科技部863计划，科研课题（MW级燃气轮机分布式冷电联供技术集成与示范研究”课题与“兆瓦级冷热电联供分布式能源微网系统并网关键技术研究与工程示范），并获得批准。这是我国首次由电网公司承担的分布式发电与微网技术类国家级科研任务，同时也是国内首次由电网公司出资承建的分布式能源利用与微网系统示范工程项目；2008年11月，课题示范工程技术方案通过专家评审。“MW级燃气轮机分布式冷电联供系统”示范工程主设备开始招标，将在广东佛山建设示范工程；微网系统完成相关重要软件的设计、测试工作。2009年6月，签合同， 广东电网公司佛山供电局与广东省电力设计院正式签订了“国家863计划分布式供能课题示范工程”EPC总承包合同。佛山供电局为示范点建设和运行的实施单位，广东电网公司为示范点建设的管理单位，南方电网公司为本示范工程的项目负责单位，计划在2010年1月投入运行。 2009年8月日，示范工程方案评审会：南方电网公司在广东省电力设计研究院组织召开了国家计划分布式供能课题示范工程主设备集成与控制策略研究报告方案评审会，以佛山市供电局建筑楼群为依托，建成一个具有典型代表性的基于兆瓦级燃气轮机的高效天然气电冷联供示范系统。3.4 青海省玉树州水光互补微网发电示范项目青海省将建首个国家级太阳能综合研究与示范基地。国家级太阳能综合研究与示范基地的建设将分为三大部分，其测试研究中心将建在西宁，在格尔木市、青南地区等适合发展太阳能的地区建设太阳能示范工程。2009年12月，按照金太阳示范工程财政补助资金管理暂行办法的支持范围，青海省制定了青海省金太阳示范工程实施方案（2009年2011年），积极组织项目申报。最终，财政部会同科技部、国家能源局审核确定了8个项目纳入金太阳示范工程，总装机容量达到26.19MWp：l 用户侧并网2个青海华硅能源有限公司300KWp光伏并网发电示范项目青藏高原农副产品集散中心430KWp光伏并网发电示范项目l 偏远无电地区光伏、风光互补、水光互补发电示范项目3个青海玉树州2MWp水光互补微网发电示范项目（解决冬天冰冻发电不足的问题）青海玉树州无电地区3.46MWp独立光伏发电示范项目青海省无电地区5MWp户用光伏发电示范项目；l 大型并网光伏发电示范项目3个海西州都兰县5MWp光伏并网发电项目格尔木市南出口5MWp光伏并网发电示范项目海南州共和县5MWp光伏并网发电示范项目2009年12月31，对该项目系统集成与主要设备总承包进行国内公开招标，招标范围为青海省玉树州水光互补微网发电示范项目系统集成与关键设备，主要包括光伏组件、逆变器、充电控制器、蓄电池、升压并网监测监控系统、装置性材料及设计、建筑施工、安装调试和售后服务等。3.5 合肥工业大学分布式发电示范系统合肥工业大学设立了一个教育部光伏系统工程研究中心，在光伏技术产业化上积累了一定的经验。合肥工业大学分布式发电实验室建立了一个基于互补能源的分布式微网系统，包含光伏发电系统、风力发电系统、火力机组模拟系统、水力机组模拟系统、燃料电池、超级电容和蓄电池储能系统等。目前正开展一些微网方面的项目，比如863计划的“多功能互补微型电网的并网、控制和能量管理技术”2008-2010，100万。下图是该试验系统的相关示意图：4 国外研究进展 4.1 美国4.1.1 主要研究机构及项目序号机构主要内容资助参考资料1CERTS1、 最先提出微电网概念和定义2、 重点主要集中在满足多种电能质量的要求（敏感、可调节、可中断）、提高供电的可靠性、降低成本和实现智能化（结构设计）3、 在威斯康星大学麦迪逊分校建立了微电网实验室，目前系统容量为200 kW，电压等级为280 V/480 V4、 微电网的全面测试1、美国能源部2、加州能源委员会/官方网站上有完整的研究资料，包括基于试验床的CERTS微电网实验全过程资料、20002009年各类发表刊物及成果2GE目标：是开发出一套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。内容：1、包括基础的控制技术和能量管理技术方面进行研究；2、具体的模型下进行仿真，并建造示范工程进行具体的实现；美国能源部与GE合资，投资400万美元3橡树岭国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室开展微网能量管理系统（EMS）的研究，研究内容集中在MGEMS的需求、微网与公共电网能量交换、内部分布式电源效率最优化、最小化环境污染等方面能源部和国家可再生能源实验室（NREL）4.1.2 美国示范工程序号微型电网资助运行机构时间地理位置说明1Mad River Park NPS (20%)；NREL (80%) 2003.112005.09 Vermont, US 6个商业和工业厂区，12个居民区，280kW、 100kW发电机，30kW MT，PV。接入7.2KV配网。即可孤岛运行，也可联网运行。 2Sandia National Laboratories Sandia National Laboratories 2005.102007.03 a military base 以某个军事基地作为示范，然后推广到全美军事和民用场合。 此外,美国还有美国新泽西州韦恩市(Wayne)微型电网，美国夏威夷卡哈拉岛(Kohala)微型电网，佛蒙特州微电网等。4.2 欧盟基于能源、环境与可持续发展的主题，欧盟支持了一系列与可再生能源和分布式发电接入技术有关的研究项，仅在2002-2006这四年中就有超过一百家机构(包括电力公司，设备制造商，高校和研究机构等)参与了这些项目，其间总预算达3400万欧元。这鞋研究项目之间既各有侧重又相互联系，内容涵盖了从理论研究，技术应用，到市场开发的各个层面，构成了一个相对完整的体系结构。4.2.1 主要研究项目欧盟第五框架计划（19982002）投资进行微网开拓性研究，形成了一个以雅典国立科技大学为首，由7个欧盟成员国的14个组织合作开展了微网研究计划。第一个是欧盟第五框架计划(5th Framework Program，FP5)中，专门拨款450万欧元的微电网研究资助计划。该计划由雅典国家技术大学(National Technical University of Athens，NTUA)组织，14 个成员来自欧盟的7 个国家，于2003-2005年之间完成的一个项目。项目基于“微网”的概念，认为将分布式电源以微网的形式接入到大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式电源效能的最有效方式。MICROGRIDS项目的具体研究目标包括：解决微网与主网并联运行和独立运行条件下系统发生故障时面临的主要问题；开发并验证确保微网有效、可靠和经济运行的控制策略；确定适当的保护和接地策略以保证微网的安全运行；确定通信系统的需求并开发相应的通讯设备和通信协议；确定微网运行时的经济收益，并提出系统化方法和工具加以量化，提出适宜的调节措施。其具体研究内容涉及9个方面：稳态与动态仿真工具；区域微源控制器的开发；微网中心控制器的开发；紧急功能模块的开发；安全性与保护需求；通讯设施与通信协议；微网管制、商业化运行与环境影响；微网实验室建设；示范工程的系统性能评估。 该项目已完成并且取得了一些很具启发意义的研究成果，如DERs的模型、可用于对逆变器控制的的低压非对称微电网的静态和动态仿真工具、孤岛和互联的运行理念、基于代理的控制策略、本地黑启动策略、接地和保护的方案、可靠性的定量分析、实验室微电网平台的理论验证等。随后欧盟第六框架计划（20022006）资助对多个微网研究计划，资助850 万欧元，以期实现微网在电力市场环境下的技术和商业接入。该计划仍然是由NTUA组织，包括西门子、ABB在内的制造商以及部分欧盟成员国的电力企业和研究机构也参与了微网研究计划。 MORE MICROGRIDS项目计划通过微源和负荷控制器设计、各种控制策略的开发、各种微网结构的设计、多微网接入技术研究、商业化问题的解决、技术和商业协议以及硬件设备的标准化、对实际微网的现场测试和系统性能的评估、对电网设施发展影响的预测等8个领域的研究，力求深入和扩展对微网概念的理解，寻求新的微网控制策略和结构设计方法，开发适合微网管理运行的工具，以达到增加电网中分布式电源应用比例这一最终目标。除上述针对微电网的项目外，在第五第六框架计划里，还有很多关于分布式发电的项目，多数与微网也有关系。上述的这些项目分别从不同角度和不同层面对可再生能源利用和分布式发电技术进行了研究。从技术上讲，这些项目主要涉及以下方面的工作，l 即分布式发电系统本身的各种技术问题；l 分布式电源并网的相关技术，包括接入标准和规范的制定，分布式发电系统对大电网的相互影响；l 分布式电源及其所属网络的控制与保护策略；l 分布式发电系统的能量管理与优化运行等等。4.2.2 欧洲示范工程序号微型电网资助运行机构时间地理位置说明1希腊基斯诺斯（Kythnos）岛微电网ISET；Municipality of Kythnos；CRES 20022004 Kythnos，Greece 提供12户岛上居民用电，400V配网，包含6台光伏发电单元，共11kW，1座5KW柴油机， 1台3.3KW/50KWh 蓄电池/逆变器系统。目前只能可孤岛运行。 2荷兰Continuons MV/LV facility GermanosEMforce 20032005 Continuon, Netherlands 用于度假村，共四条380V馈线，每条长约400m。以光伏发电为主，共装335kW光伏发电单元。即可孤岛运行，也可联网运行。 3德国曼海姆Wallstadt居民区示范工程MVV Energie 2006.8- Manheim,German 位于居民区，包含六台光伏发电单元，共40kW；计划继续安装数台微型燃气轮机。 此外,欧洲的微电网示范工程还包括西班牙LABEIN项目、葡萄牙EDP项目、葡萄牙Continuon项目、意大利OCESI项目、丹麦ELTRA项目等。4.3 日本 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。日本政府十分希望可再生能源(如风能和光伏发电)能够在本国的能源结构中发挥越来越大的作用，但是这些可再生能源的功率波动性降低了电能质量和供电的可靠性。微电网能够通过控制原动机平衡负载的波动和可再生能源的输出来达到电网的能量平衡，例如配备有储能设备的微电网能够补偿可再生能源断续的能量供应。因此从大电网的角度看，该微电网相当于一个恒定的负荷。这些理念促进了微电网在日本的发展，使日本的微电网对于储能和控制十分重视。新能源与工业技术发展组织(new energy andindustrial technology development organization，NEDO)是日本为了较好地利用新能源而专门成立的，它负责统一协调国内高校、企业与国家重点实验室对新能源及其应用的研究。NEDO 在2003 年的“Regional Power Grid with Renewable EnergyResources Project”项目中，开始了3 个微电网的试点项目。这3个测试平台的研究都着重于可再生能源和本地配电网之间的互联，分别在青森县、爱知和京都，可再生能源在3 个地区微电网中都占有相当大的比重。序号微网组成时间1中部机场的爱知微电电源大都为燃料电池：2个高温熔化碳酸盐燃料电池(270kW和300kW)， 4个磷酸盐型燃料电池(各200 kW)，1个固体氧化物燃料电池(50kW)系统中总的光伏发电容量为330kW，还有一个500kW的钠硫磺电池组用于功率的平衡2005年日本爱知世博会时投入使用2006年，该系统迁到名古屋市附近的中部机场，并于2007年初开始运行2青森县的微电网特点是只使用可再生的能源(100kW)进行供电，微源主要包括：3个以沼气为燃料的发电机组(共510kW)1个100 kW的铅酸电池组1个10 th的锅炉该微电网能够节省约573的能耗，同时减少约478的碳化物排放量2005年10月投入运行，运行到2008年3月，期间进行电能质量和供电可靠性、运行成本等方面的评估3京都微电网50kW光伏发系统50kW风力发电系统5x80kW沼气电池组250kW高温熔化碳酸盐燃料电池100 kW电池组2005年12月投入运行5 微电网关键技术及主要研究方向目前微网技术的研究刚刚起步。而微网作为一个新型电力系统，无论是其运行与设计中的安全性、经济性和可靠性问题，还是对传统电力系统的影响，都存在着非常多的待研究课题。5.1 关键技术 5.1.1 微电网的控制微网中的分布式电源供电与大电网集中供电相互补充，是综合利用现有资源和设备，为用户提供可靠和优质电能的理想方式。但由于微网中分布式电源的多样性及其组合的灵活性，使得整个系统的运行和控制变得复杂。其主要控制方式有以下几种：(1)恒功率注入/输出控制模式：这是从大电网的角度来说的，即将微网与大电网连接处的馈线功率流量调整为常量。当把馈线功率调整为一个恒定值后，微网内部负荷改变时大电网的功率注入微出将保持不变。这种控制方案的优点是从大电网的角度来看微网完全是一个可调度的负荷。例如整个微网可以在一天的一段指定时间内作为恒定负荷，微网内部的负荷变化完全由分布式电源和储能装置协调分担，确保大电网向微网注入恒定功率也能使微网内部满足功率平衡。当大电网内出现扰动或者其电能质量不能满足微网内敏感负荷的要求时，通过断开公共连接点处的静态开关过渡到独立运行状态。这时根据各储能装置和分布式电源的特性及其动态响应指标来调节功率输出以满足新水平下的负荷功率需求。(2)变功率注入/输出控制模式：与恒功率注入/输出控制模式相对应，这种控制模式是使微网与大电网连接处的馈线功率流量为一变量。各分布式电源作为独立单元按自身功率输出特性以及性价比等因素决定各自的输出量，以取得综合最大经济技术效益。例如光伏发电需满足最大功率跟踪要求，燃料电池相对更加昂贵，考虑其成本因素，按满足负荷功率需求的最低功率输出等。任何负荷改变相对应的功率需求变化均由大电网来调节。在这种控制模式下，不能提前计划从大电网吸取的功率。当转变为独立运行时，微网工作的频率允许稍微降低，满足电源有功频率下降特性。此功频特性使各分布式电源可以立即提高有功功率输出，同时各储能装置也根据负荷需求相应提高功率输出。(3)联合最优功率控制模式：吸取前两种控制模式的优点，一些分布式电源根据自身特性调节功率输出，使其发挥最高工作效率。另一些分布式电源与储能装置一起跟踪负荷变化，确保微网内负荷变化时大电网与微网之间的传输功率依然为恒定值。这对微网中分布式电源种类及分布式电源容量有较高要求。5.1.2 微电网孤岛监测与保护微电网能够孤岛运行的前提是，故障发生时，能够有效检测出孤岛，并进行合理的孤岛划分，使微电网能够实现由并网模式到孤岛模式的无缝转换。微电网的保护问题与传统保护有着极大不同，典型表现有：1)潮流的双向流通；2)微电网在并网运行与独立运行种工况下，短路电流大小不同且差异很大。因此，如何在独立和并网两种运行状态下均能对微电网内部故障做出响应以及在并网情况下快速感知大电网故障，同时保证保护的选择性、快速性、灵敏性与可靠性，是微电网保护的关键，也是微电网保护的难点。传统的电流保护显然无法满足微电网保护的特殊要求。目前，针对单相接地故障与线路故障，有学者提出了基于对称电流分量检测的保护策略。该方法以超过一定阈值的零序电流分量和负序电流分量作为主保护的启动值，将传统的过电流保护与之结合可取得良好的效果。虽然国际上已有学者研制出微电网保护的硬件装置，但人们仍在对更加完善的保护策略进行积极探索。发电机和负荷容量对保护的影响、不同类型发电机如基于变流器和不基于变流器对保护的影响及微电网不同运行方式和不同设计结构对保护的影响等问题都是微电网保护策略研究中所关注的重点。5.1.3 微电网电能质量微网电能质量问题由两个方面引起：（1）主电网对微网的影响：主网对微网的主要不利影响是不平衡电压和电压骤降这两个电压质量问题。当主网电压失衡严重时，连接微网和主网的隔离设备会断开，使微网孤立运行，避免受到影响。当主网电压失衡不严重时，隔离设备不会动作，微网在公共耦合点(point of common coupling，PCC)维持不平衡的电压，如果没有补偿措施，失衡电压可能导致失去电机负荷和敏感装置的不正常运行，微网会产生电能质量问题。针对这种现象，有学者提出了用于微网中每个DG的三相四线制和三相三线制电能质量补偿器，可以改善微网内部电能质量，改善微网和主电网间交换潮流的电能质量，也有提出一个电流限制算法，整合逆变器的控制策略使微网在主电网电压骤降时避免受到大型故障电流冲击。（2）微网本身影响：微网内存在许多电力电子设备和非线性负荷，另外，DG机组频繁起停，都会产生谐波失真电流，影响电能质量。5.1.4 微电网的经济性微电网的经济效益是多方面的，其效益主要集中于能源的高效利用和环保以及个性化电能供给的安全、可靠、优质等方面。l 经济性设计美国CERTS提出的分布式电源用户侧模型(DERCAM-distributed energy resource customer adoption mode1)是对微电网资源结构进行经济设计的重要工具。该模型将分布式发电的安装和运行成本等与电力部门的供电费用结构进行比较，可以为用户提供供电效果佳且成本低的分布式发电技术组合以及热电联产的技术配置决策。l 微网运行方式的优化微网的经济最优化问题和大型电力系统有着很大不同，DG可以以CHP形式同时供给电能和热能。另外，微网的独特设计可以提供比一般配电网更高的可靠性，满足对可靠性有特殊要求的用户需求，提高电力附加价值。有很多相关文献对微网的经济性和运行的最优化进行了相关的探讨，但随着微网的发展与成熟，如何将微电网对用户、电力部门及社会的效益全面量化，仍将需更深人的分析研究。5.1.1 储能技术l 超级电容器储能超级电容器是通过使用一种多孔电解质(其介电常数和电压承受能力仍然比较低)加大两极板的面积，从而使储能能力得到提高。根据电极材料的不同，可以分为碳类和金属氧化物超级电容器。超级电容器兼有常规电容器功率密度大、充电能量密度高的优点，可快速充放电，且使用寿命长，不易老化。超级电容器还具有一些自身的优势，它没有可动部分，既不需要冷却装置也不需要加热装置，在正常工作时，内部没有发生任何化学变化。超级电容器能够安全放电，安装简易，结构紧凑，可适应各种不同的环境。l 蓄电池储能蓄电池储能目前在市场上占有主要份额，是电力系统中广泛应用的储能技术之一。根据所使用的不同化学物质，蓄电池可以分为许多不同类型，例如铅酸电池、MHNi(Metal HydrideNickel)电池等。它可与超级电容器联合使用，发挥超级电容器功率密度大，蓄电池能量密度大的优势。l 超导储能超导储能装置将能量存储在由电流超导线圈的直流电流产生的磁场中，其中的超导线线圈浸泡在温度极低的液体(液态氢等)中，然后封闭在容器中。所以说，一个超导储能装置包括冷却装置、密封容器以及作为控制用的电子装置。超导储能装置的超导线圈放置在温度极低的环境中，这是目前利用超导储能的瓶颈。一旦超导材料研制成功，超导储能的前景不可估量。l 飞轮储能飞轮储能是一种新型的机械储能方式，它将能量以动能的形式存储在高速旋转的飞轮质量中。飞轮储能系统由飞轮转子、轴承、电动发电机、电力转换器、真空室等5个部分组成。目前使用的飞轮技术主要有高速飞轮系统(飞轮较小，转速极快)、低速飞轮系统(飞轮较大，转速相对较慢)。飞轮储能系统的能量密度较大，占据空间相对较小，但是其功率密度相当低，不能像超级电容器那样快速地释放其储存的能量。尽管如此，只要设计合理，加上飞轮储能具有效率高、建设周期短、寿命长等优点，将飞轮储能系统应用于分布式发电系统中还是很有竞争力的。各种储能系统的性能比较5.2 主要研究方向5.2.1 基础理论以天大973项目（分布式发电供能系统相关基础研究），确定的8个课题方向，基本覆盖了微网主要的理论及关键技术研究领域。l 与大电网的相互应用机理微网既可以从配电网吸收能量，也可以将能量向配电网渗透，从而改变了传统能量流向的单一性，当微网从配电网吸收能量时，微网对电网来说相当于是一个正常的集中负荷，可以用常规的方法进行控制和运行；而当大量微网通过配电网向电网渗透时，接入点及整个配电网的潮流分布将发生重大改变，将会对大电网的电压和暂态稳定性产生不同程度的影响；而对于这些影响的分析则需要以全新方法为基础。以稳定性分析为例，传统的电力系统稳定性分析问题一般仅涉及高压电力系统，而微网一般接人中压或低压配电系统，配电系统的安全稳定问题完全是由于微网的存在而提出的。由于高压电力系统与含微网的中压或低压配电系统在结构和运行参数等方面存在很大差异，其稳定性分析方法可能截然不同。因此，对高渗透率下微网与大电网相互作用机理研究，是含微网配电系统的稳定性分析与控制必须的基础。l 微电网结构设计与微网新型配电系统规划微网的结构设计：优化微网运行性能的关键在于微网的设计，即根据负荷结构和需求量，合理地确定电源的类型及容量，使能源的购买、应用、转换达到最优的利用。因此对各类电源的投资及运行成本进行准确评估、建立负荷冷、热、电数学模型、开发适用于多类型电源及负荷的微网结构设计模型及算法都是亟待解决的问题。基于微网的新型配电系统的规划：配电系统将由原来单一电能分配的角色转变为集电能收集、电能传输、电能存储和电能分配于一体的新型电力交换系统。合理规划、设计的分布式供能系统能有效提高分布式能源利用的效率，提高电力系统运行的安全性、经济性和对重要负荷供电的可靠性。但如果分布式电源的类型、安装地点、容量等不合适，不仅不能充分发挥分布式供能系统的正面作用，还可能会对配电系统的运行产生负面影响，如增加电能损耗、导致电压越限、大幅度增加短路容量，等等。为了建设可持续发展的配电系统，必须对微网接入系统后的影响进行科学评估，进而在系统规划与建设中加以科学引导。含微网的配电系统规划工作十分复杂，投资主体的不同直接导致微网设备类型、容量、安装地点，以及投入时间的。不确定，而且由于一些可再生能源发电呈现间歇式的特点，使不确定性问题更加突出。总之，原有的配电系统规划方法完全不能适应新环境下的系统规划要求，必须在规划的思路与方法上有所创新，为含微网的新型配