微电网的研究现状及在我国的应用前景

第 32 卷 第 16 期 电 网 技 术 Vol. 32 No. 16 2008 年 8 月 Power System Technology Aug. 2008 文章编号：1000-3673（2008）16-0027-05 中图分类号：TM727 文献标识码：A 学科代码：4704099 微电网的研究现状及在我国的应用前景 郑漳华，艾 芊 （上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海市 闵行区 200240） Present Situation of Research on Microgrid and Its Application Prospects in China ZHENG Zhang-hua，AI Qian （School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University， Minhang District，Shanghai 200240，China） ABSTRACT: In this paper, at first the appearance background of microgrid and its meaning as well as the concept and structure of microgrid are presented, and a classical diagram of microgrid is given. Then, the present development of microgrids in United States, Europe and Japan and demonstration projects are described in detail, the development ideas and the future development direction of microgrids in these places are compared and summarized. At last, the significance of microgrids in future development of power grids in China is prospected and some problems to be especially considered in the domestic research on microgrid are put forward. KEY WORDS: microgrid； distributed generation (DG)； power quality and reliability (PQR) 摘要： 首先介绍了微电网概念的产生背景和意义以及微电网 的概念和结构， 并给出了微电网的经典示意图； 然后详细介 绍了美国、 欧洲和日本微电网的发展现状及其示范工程， 对 比了 3 者不同的微电网发展理念， 概述了其微电网的未来发 展方向； 最后， 展望了微电网对于中国未来电网发展的重要 意义，提出了国内微电网研究应重点考虑的一些问题。 关键词：微电网；分布式发电；电能质量与供电可靠性 0 引言 进入 21 世纪以来，随着石油价格的日益上涨， 世界范围内的能源供应持续紧张， 合理开发利用绿色 能源已经成为一个重要课题。 开发利用清洁高效的可 再生能源是解决未来世纪能源问题的主要出路。 目前 常见的几种新能源包括太阳能、风能、生物质能等， 均为分布式电源(distributed energy resources， DERs)。 相应的一些发电技术称为分布式发电技术(distributed generation，DG)，又称分散式发电(dispersed generation)，也称嵌入式发电(embedded generation)。 DG 指的是通过在配电网建立单独的发电单元来对 重要负荷进行供电，并通过 PCC (point of common coupling)和外界电网进行能量交换。分布式发电一 般靠近负荷用户，通过将电能和热能的利用相结合 来提高能量的利用率。同时，又由于发电的位置离 负荷距离较近，故还可以提高电能质量和供电的可 靠性。大电网与分布式发电相结合，被国内外许多 专家学者认为是降低能耗、提高电力系统可靠性和 灵活性的主要方式1。综上所述，分布式发电主要 有以下几个特点： （1）提高能量利用率。 （2）减少各种碳化物的排放，比较环保。 （3）提高电能质量和供电的可靠性。 （4）减少了由电能远距离传输所带来的线损 和各种稳定方面的问题。 （5）延缓了由于负荷不断增长所造成的电网 的不断膨胀。 尽管 DERs 有投资低、环保好、灵活性高等优 点，但是它对大电网的影响确是不得不考虑的一个 重要问题。 IEEE P1547 对分布式能源的单独并网标 准做了规定：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2。为了 能尽可能地利用分布式发电所带来的经济效益和 对可靠性的改善，并尽量减少其对主网的冲击，微 电网(microgrids)的概念3-8被提了出来。 本文主要关注目前微电网在世界上的发展现 基金项目：国家 863 高技术基金项目(2007AA05Z458)。 The National High Technology Research and Development of China 863 Program ( 2007AA05Z458) DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2008.16.020 28 郑漳华等：微电网的研究现状及在我国的应用前景 Vol. 32 No. 16 状，着重介绍世界上主要微电网的研究和示范工 程，通过对比各国微电网研究所存在的差异，提出 中国微电网研究所需要重点解决的问题，为中国微 电网的发展提供参考。 1 微电网的概念 微电网9-11是规模较小的分散的独立系统，它 采用了大量的现代电力技术，将燃气轮机、风电、 光伏发电，燃料电池，储能设备等并在一起，直接 接在用户侧。对于大电网来说，微电网可被视为电 网中的一个可控单元，它可以在数秒钟内动作以满 足外部输配电网络的需求12；对用户来说，微电网 可以满足他们特定的需求，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。微电网和 大电网通过 PCC 进行能量交换， 双方互为备用， 从 而提高了供电的可靠性。图 1 展示了光伏发电、风 能、燃料电池、微型燃气轮机等微电源形式，其中 一些接在热力负荷附近，可以为当地用户提供热 源，从而提高了能量的利用率13。 负荷负荷 光伏 风能 生物能 储能 燃料 电池 微型 燃气轮机 热力负荷 热力负荷 大电网 从主网 传入的功率 微电网 图 1 微电网示意图 Fig. 1 The sketch map of microgrid 微电网解决了 DERs 并网的问题，并且由于所 采用的先进的电力电子技术是灵活可控的，因此微 电网可以利用 DERs 对微电网的潮流流动进行有效 调节。微电网作为对单一大电网的有益补充，其广 泛应用的潜力巨大。目前，世界上一些主要发达国 家和地区，如美国、欧盟、日本和加拿大等，都开 展了对微电网的研究。 2 美国微电网的研究现状 2.1 概述 美国最早提出了微电网概念，近年来，其微电 网研究一直在有条不紊地进行着。美国的微电网研 究项目主要受到了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，其研究的重 点主要集中在满足多种电能质量的要求、提高供电 的可靠性、降低成本和实现智能化等方面14-15。 2.2 可靠性技术解决方案协会微电网 1999 年 ， 可 靠性 技术 解决 方案 协会 (the Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS)首次对微电网在可靠性、经济性 及其对环境的影响等方面进行了研究。到 2002 年， 较为完整的微电网概念被提出来， CERTS 给出的微 电网定义是：微电网是一种由负荷和微型电源共同 组成的系统，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 提供必要的控制；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 供电安全等方面的要求。后来，美国北部电力系统 承建了第一个微电网示范工程。和世界上其他微电 网项目一样， CERTS 的微电网考虑的也是当微电网 和主网因为故障突然解列时，微电网还能够维持对 自身内部的负荷的电能供应，直到故障排除。 CETRS 微电网所接入的 DERs 都是峰值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。 图 2 所示的 CERTS 微电网有 3 条馈线及负载， 网络呈辐射状结构6。该微电网内的微电源可以为 光伏发电、微型燃气轮机和燃料电池等微电源形 式，靠近热力用户的微电源还可以为本地用户提供 热源， 从而保证了能量的充分利用。 当负荷变化时， 该微电网的本地微电源自行调节功率输出。微电网 中还配备了能量管理器和潮流控制器，能实现对整 个微电网的综合控制和优化。该微电网与大电网只 有一个公共连接点，并且它是不向大电网输出能量 的。所以，从系统的角度来看，该微电网也可以看 成是一个单一的可控负荷。 能量管理器 潮流 控制器 静态 开关 线路 C：可中断负荷 线路 B：可调节负荷 线路 A：敏感负荷 图 2 CERTS 提出的微电网结构 Fig. 2 The structure of microgrid put forward by CERTS 第 32 卷 第 16 期 电 网 技 术 29 从图 2 可以看出，该微电网有 3 类对供电质量 有不同要求的负荷，即敏感负荷、可调节负荷、可 中断负荷。馈线 C 和主网有直接联系，当主网的供 电质量出现诸如电压跌落等问题时，静态开关将跳 开， 线路 A 和线路 B 形成独立运行的系统， 直到主 网恢复到正常状态。 CERTS 微电网是一个分散的即 插即用系统(plug-and-play system)， 整个系统的灵活 性很好，发电机组可以安置在能够使能量得到充分 利用的地方，进而提高了能量的利用率。 CERTS 微电网的可行性研究已经在威斯康星 大学麦迪逊分校的实验室得到了初步检验。威斯康 星大学麦迪逊分校微电网于 2001 年建立，目前的 系统容量为 200 kW，电压等级为 280 V/480 V。 CERTS 计划对微电网进行全面检验， 近期， 美国俄 亥俄州哥伦布杜兰技术中心已经开始了对微电网 的全面测试。 CERTS 的微电网设计理念是不采用快 速电气控制、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 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。 2.3 其他微电网研究 美国能源部还与通用电气共同资助了第二个 “通 用电气(General Electric Company，GE)全球研究 (Global Research)”计划，投资约 400 万 USD。GE 的 目标是开发出一套微电网能量管理系统(microgrid energy management， MEM)， 使它能向微电网中的器 件提供统一的控制、保护和能量管理平台。MEM 的设计旨在通过优化对微电网中互联元件的协调 控制来满足用户的各种需求，如运行效率最高、运 行成本最小等等。这项微电网计划分两个阶段施 行，第一个阶段已经完成，该阶段主要对一些基础 的控制技术和能量管理技术方面进行研究，并探索 该计划的市场前景。第二阶段计划在 2008 年中完 成，主要是将第一阶段的技术在具体的模型下进行 仿真，并建造示范工程进行具体的实现。这项微电 网计划对于目前该领域的其他微电网研究是一个 很好的补充。CERTS 微电网研究主要集中在对 DERs 的设计和鲁棒控制， GE 微电网则更多地关注 在外部监控回路的研发上，以及对能量利用和运行 成本的优化上。 除了上述微电网研究之外，在美国还开展了许 多在这方面的研究，它们促进了微电网的发展，如 加州能源委员会资助的分布式效能集成测试平台、 美国国家可再生能源实验室所完成的对佛蒙特州 微电网的安装和运行的检验。 3 欧洲微电网的研究现状 3.1 概述 欧洲 DERs 的研究和发展主要考虑的是有利于 满足能源用户对电能质量的多种要求以及欧洲电 网的稳定和环保要求等。微电网被认为是未来电网 的有效支撑，它能很好地协调电网和 DERs 之间的 矛盾，充分发挥 DERs 的优势。欧洲各国对微电网 的研究越来越重视，近几年来各国之间开展了许多 合作和研讨。2005 年，欧洲提出 “Smart Power Networks”概念 16，欧盟微电网项目(European Commission Project Microgrids)给出的定义是利用一 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16-17。 3.2 欧盟第五框架计划 欧洲的微电网研究引起了欧洲各国的广泛关 注，主要分为两个阶段，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， 还有 很多高校的参与， 如 the University of Manchester(英 国)、INESC Porto(葡萄牙)、Ecole de Mines(法国) 等。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。 3.3 欧盟第六框架计划 欧洲微电网研究的第二个阶段名为“Advanced architectures and control concepts for more microgrid” ，欧盟第六框架计划(6th Framework Programme，FP6)资助 850 万欧元。目前，这项计 划正在进行中。该计划仍然是由 NTUA 组织，参与 的厂商有 Siemens、ABB、SMA、ZIV、I-Power、 Anco、Germanos 等，还有来自英国、法国、德国、 西班牙等国的许多专家学者。这项新计划的研究目 标包括： （1）研发新型的分布式能源控制器，以保证 微电网的高效运行。 30 郑漳华等：微电网的研究现状及在我国的应用前景 Vol. 32 No. 16 （2）寻找基于下一代通信技术的控制策略。 （3）创造新的网络设计理念，包括新型保护 方案的应用和考虑工作在可变的频率下等。 （4）各种微电网在技术和商业方面的整合。 （5）微电网在技术和商业方面的协议标准。 （6）研发合适的硬件设备，使微电网具有即 插即用的能力。 （7）研究微电网对大电网运行的影响，包括地 区性的和大范围的影响。 （8）研究微电网能给欧洲电网在供电可靠性、 网络损耗和环境等方面带来的改善。 （9） 探索微电网的发展对基础电网发展的影响， 包括其增强和替代老化的欧洲电网的可行性分析。 目前，欧洲的微电网示范工程主要有希腊基斯 诺斯岛微电网、 德国曼海姆 Wallstadt 居民区示范工 程、西班牙 LABEIN 项目、葡萄牙 EDP 项目、葡 萄牙 Continuon 项目、意大利 CESI 项目、丹麦 ELTRA 项目等。 欧洲所有的微电网研究计划都围绕着可靠性、 可 接入性、灵活性 3 个方面来考虑。电网的智能化、能 量利用的多元化等将是欧洲未来电网的重要特点。 4 日本微电网研究 4.1 概述 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。有日本学者提出了 灵活可靠性和智能能量供给系统(flexible reliability and intelligent electrical energy delivery system， FRIENDS)18， 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18-19。 4.2 新能源与工业技术发展组织微电网 新能源与工业技术发展组织(new energy and industrial 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 Energy Resources Project”项目中，开始了 3 个微电网的试 点项目18。 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。 中部机场的爱知微电网是 NEDO 建立的第 一个微电网示范工程， 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。该微电网的最大 特点是它的电源大都为燃料电池：2 个高温熔化碳 酸盐燃料电池(270 kW 和 300 kW)，4 个磷酸盐型燃 料电池(各 200 kW)，一个固体氧化物燃料电池 (50 kW)。系统中总的光伏发电容量为 330 kW，此外 还有一个 500 kW 的钠硫磺电池组用于功率的平衡。 青森县的微电网于 2005 年 10 月投入运行，计 划作为示范工程一直运行到 2008 年 3 月，这期间进 行电能质量和供电可靠性、运行成本等方面的评估。 该微电网组的最大特点是只使用可再生的能源 (100 kW)进行供电。 可控的 DERs 包括 3 个以沼气为 燃料的发电机组(共 510 kW)、 1 个 100 kW 的铅酸电 池组和 1 个 1.0 t/h 的锅炉。该微电网能够节省约 57.3%的能耗，同时减少约 47.8%的碳化物排放量。 京都微电网 2005 年 12 月投入运行，它主要由 以下几方面构成：50 kW 光伏发电系统、50 kW 风 力发电系统、580 kW 沼气电池组、250 kW 高温熔 化碳酸盐燃料电池及 100 kW 电池组。该系统的控 制中心能够在 5 min 之内实现系统能量的平衡，也 可以根据需要设置更短的时限。 5 各国微电网研究的对比及微电网在中国 的应用前景 美国近年来发生了几次较大的停电事故，使美 国电力工业十分关注电能质量和供电可靠性，因此 美国对微电网的研究着重于利用微电网提高电能 质量和供电可靠性。 日本本土资源匮乏，其对可再生能源的重视程 度高于其他国家，但很多新能源具有随机性，穿透 功率极限限制了新能源的应用，所以日本在微电网 方面的研究更强调控制与电储能。 欧洲希望通过优化从电源到用户的价值链来 推动和发展 DERs，以使用户、电力系统及环境受 第 32 卷 第 16 期 电 网 技 术 31 益。欧洲互联电网中的电源大体上靠近负荷，比较 容易形成多个微电网，所以欧洲微电网的研究更多 关注于多个微电网的互联问题。 2008 年初的冰雪天气导致我国发生大面积停 电， 暴露了我国现有的网架结构在保障用户供电方面 所存在的薄弱环节。 微电网既可以联网运行， 又可以 孤岛运行， 能保证在恶劣天气下对用户供电。 微电网 在满足多种电能质量要求和提高供电可靠性等方面 有诸多优点， 使它完全可以作为现有骨干电网的一个 有益而又必要的补偿。另一方面，我国“十一五”规 划纲要提出了建成 5 GW 风电的发展目标， 在不久的 将来将有风电和光伏等 DERs 不断接入电网。 微电网 在协调大电网与 DERs 间的矛盾， 充分挖掘分布式能 源为电网和用户所带来的价值和效益等方面具有优 势， 使其能够在中国未来电网的发展中发挥很重要的 作用。但是，中国微电网的发展尚处在起步阶段，在 今后微电网的研究和发展中， 以下几个方面的问题需 要给予更多的关注： （1）微电网中含有多个微电源，各微电源之 间的协调控制是一个需要重点考虑的问题。微电网 中含有传统的电源方式(燃气轮机等)、新型的 DERs(风电和光伏等)和各种储能元件。这些元件的 时间常数各不相同，而电力系统中的能量都是瞬时 平衡的，如何协调这些元件的控制策略，保持微电 网运行的稳定性，尽最大可能利用微电网中的分布 式发电所带来的经济效益和对可靠性的改善，尽量 减少这些不可控源对主网的冲击等，都需要做进一 步的探讨和研究。 （2）微电网中引入了很多先进的电力电子设 备，它们大都是灵活可控的，如何实现对这些设备 的智能控制和最优控制也是一个很重要的问题。微 电网中的最优控制问题为一个多目标非线性的控 制问题，国内外的许多学者提出了很多智能方法， 如遗传算法和粒子群法等，这些方法多为离线计 算，很难实现在线监测和实时控制。需要寻找新的 满足微电网要求的优化算法和控制策略。 （3）微电网和上级电网是互为备用、相互支 持的一个有机整体。加强微电网和主网之间的协调 控制，以提高微电网对上级电网的支撑能力对于电 网的稳定具有重要意义。 （4）微电网在并网和孤岛运行下的稳定性分 析。在保持本地电压稳定的同时，降低馈线损耗， 提高微电网的能量利用率。 （5）微电网中的微电源，如风电、光伏发电 等，大都采用全控型换流器，这些电力电子设备的 引入很可能会带来一些谐波方面的问题。因此，对 于微电网谐波问题需要做进一步的探讨和研究。 （6） 现有的小发电机组并入微电网的可行性分 析。中国目前有许多老的发电机组因为煤耗率过高 已经停运或面临着拆除。这些机组容量较小，却又 大都靠近负荷区。微电网是冷、热、电三联供系统， 所采用的传统的发电机组是小型的发电机组。基于 此，可以考虑对现有小型发电机组进行技术改造， 将其并入微电网，组成区域性的小型微网，从而实 现对现有资源的合理再利用，减少新的投资费用。 6 结论 微电网的出现将从根本上改变传统的应对负 荷增长的方式，其在降低能耗、提高电力系统可靠 性和灵活性等具有巨大潜力。世界上很多国家都参 与到微电网的研究和开发中，建立了很多微电网示 范工程和测试平台，关于微电网的理论和实验研究 已经取得了一定成果，国际间的研讨和交流也极大 地推动了微电网的发展。但是在如何实现微电网的 最优控制、微电网的监控和微电网对上级电网的支 撑等方面仍存在诸多问题，有待于进一步研究。微 电网的发展在我国尚处在起始阶段， 文献1中不间 断电力变电站的概念体现了微电网的思想，但是我 国微电网的概念还没有形成，微电网在中国的发展 方向和特点有待于专家学者们的进一步研究。 参考文献 1 李峰，李兴源，郝巍不间断电力变电站中分布式电源接入系统 研究J继电器，2007，35(10)：13-19 Li Feng，Li Xingyuan，Hao Wei. 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