微电网的基本组成及核心技术

今天的电网架构和它一百多年前诞生之初并没有什么本质的不同。它的设计基于集中式结构，几个大型的发电厂生产电力，再通过电网输送到几百数千公里外的用户侧。

尽管有成熟的电力技术、复杂的网状拓扑结构和备用设备作为保障，这种集中式的电网结构在系统的灵活性和可靠性方面还是有所不足。在集中式的电网结构中，监测和控制调节系统在配电网层面相对较为薄弱，更何况在单个用户的层面，所以这种中心网络模型从根本上来说缺少必要的对于用户侧的智能控制和管理能力。

其次，发电侧和用电侧的变化也给电网带来了巨大的挑战，例如新能源的大规模并网，电动汽车，直流电源或负载等，这些因素在当初电网设计的时候没有得到充分的考虑，其引发的不良后果已经显现。以美国电力市场为例，如果仅仅在现有电网的基础上大规模并入绿电，网络拥塞是一个大问题，会导致某些区域市场的边际价格骤然增高，从而阻碍了风电、家用光伏等新能源的进一步并网。

再者，对于如此复杂庞大的电网，需要承担高额的运行和维护费用，尤其是在电网基础设施老化的情况下。电网老化主要体现在四个方面：电器设备老化（例如美国有超过50%的变电所变压器运行时间超过35年），系统布局老旧，施工管理过时，陈旧的问题解决方案。

对于以上问题，小型分布式发电并入电网是一个解决方案。事实上，这并不是它第一次出现在公众的视野。19世纪末期电气化的初始阶段，爱迪生提出了建设小型直流电网的概念，但是由于当时的技术难以实现，特斯拉的交流电网最终胜出，广为流传。现在微电网的回归，相较于当年爱迪生的版本，运行灵活性、效率和可靠性都有显著的提升，同时初投资和运行费用也降低了不少。此外，还增加了之前设计所不具有的技术，例如：电力电子接口，储能设备，需求侧管理以及智能控制。其中，电力电子技术可以说是现代微网的关键实现技术。

2 微电网的基本组成

微电网是指由分布式电源、用电负荷、配电设施、监控和保护装置等组成的小型发配用电系统（必要时含储能装置）。分为并网型微电网和独立型微电网，可实现自我控制和自治管理。并网型微电网既可以与外部电网并网运行，也可以离网独立运行；独立型微电网不与外部电网连接，电力电量自我平衡。根据建设目的和经济环境的不同，微网的形状结构可能各不相同，但是它们的技术架构大体类似。下面简要探讨下微网的基本组成。

电源：在所有微电网系统中，最基本的组成部分是电源。电源要满足微网内负荷的需求，例如容量，以及其他技术层面、经济层面的种种考虑。其中，分布式光伏受到广泛关注。尤其是近年来光伏电池模块价格的下降，让基于分布式光伏的微网的经济可行性上升。

对于位于偏远地区的基于光伏的微网来说，挑战主要来自系统的维护和储能系统的要求。一方面，当暴露在高温高湿的环境中时，光伏电池的性能会下降。另一方面，由于能量来源（太阳光）具有间断性，储能设备便必不可少，而它的投资占系统支出的很大一部分，对系统经济性影响较大，并且光伏电池装机容量越大，储能系统容量也要相应增大。

除了分布式光伏，常见的能量来源还包括：分布式风能，燃料电池，微型涡轮机，往复式内燃机，以及其他分布式发电技术（小型水电，小型潮汐发电，小型波浪发电，地热发电，分布式核能发电等）。

电力管理系统：电力管理系统主要负责电力从电源输送到用电设备。具体功能包括：一是，将电源处各形式的电能转换成符合出所需要的形式，例如使用逆变器将光伏产生的直流电转换成通常负荷所需要的50Hz交流电。二是，作为储能设备的界面，来使微网内的电力供需达到平衡。现代微网通常融入了软件和控制系统，例如智能电表，从而实现微网的高效和稳定运行。

储能系统：储能系统对微网的重要性不言而喻。它可以让微网实现内部的电力供需平衡，从而维持电压和频率的稳定。也可保证用户的用电需求随时能得到满足。微网系统中常见的储能设备为：电池，燃料电池+电解池，超级电容以及飞轮等。

用电设备：微网中用电设备的电力来源是系统中全部的发电和储能设备。综合考量用电设备是很有必要的，因为它们决定了用电负荷在微网中的位置，相应地也会影响发电装机容量以及对储能系统的要求。例如，对一个基于分布式光伏发电的微网来说，为手机充电的负荷对系统影响微乎其微，而开启电冰箱这样的有长期稳定的用电设备则对系统管理用电负荷带来了一定的困难。

对外连接：微网通常与大电网相连，从而实现之间的电力交换。这种类型的微电网在校园和医院中十分常见。此外，电网的发展趋势之一是使用先进的监测和控制系统，将很多个微电网连接起来。

3 微电网的作用

（1）就近消纳，提高能源效率。微电网内部的电来自于天然气、光伏及风电等分布式能源。在西北之类风光资源充足的地方，修建大型风电场、光伏电站，用户(工业园区、商业区、学校、医院甚至大型的地产项目)在接入小型的风机、光伏、储能、燃气轮机等电源设备时，就能使电能就近消纳，省去了在电网中传输的损耗，提高了能源的使用效率。

（2）单点连接，减少对大电网冲击。微电网与电网系统之间电能交流，是通过微电网与电网系统的公共连接点连接，避免了多个分布式电源与电网系统直接连接。微电网主要用于区域内部的供电，不向外输送或输送很小的功率，对电网系统的影响可以忽略不计。

（3）提高供电可靠性，解决电能需求。微电网采用先进的控制方式以及大量电力电子装置，将分布式电源、储能装置、可控负荷连接在一起，使得它对于电网系统成为一个可控负荷，并且可以施行并网和独立两种运行方式，充分维护了微电网和大电网的安全稳定运行。

4 微电网如何运行？

微电网存在两种典型的运行模式：正常情况下微电网与常规配电网并网运行，称为联网模式;当检测到电网故障或电能质量不满足要求时，微电网将及时与电网断开而独立运行，称为孤岛模式。两者之间的切换必须平滑而快速。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。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。

（1）并网运行

并网运行就是微电网与公用大电网相连，微网断路器闭合，与主网配电系统进行电能交换。光伏系统并网发电。储能系统可进行并网模式下的充电与放电操作。并网运行时可通过控制装置转换到离网运行模式。

（2）离网运行

离网运行也称孤岛运行，是指在电网故障或计划需要时，与主网配电系统断开，由DG、储能装置和负荷构成的运行方式。储能变流器PCS工作于离网运行模式为微网负荷继续供电，光伏系统因母线恢复供电而继续发电，储能系统通常只向负载供电。

5 微电网核心技术

目前，有三种比较常见的微电网控制方式：

（1）基于电力电子技术等概念的控制方法。该方法根据微电网的控制要求与发电机的下垂特性将不平衡功率动态分配给各机组承担，具有简单、可靠、易于实现的优点。

（2）基于能量管理系统的控制。该方法采用不同的控制模块分别对有功和无功进行控制，很好地满足了微电网的多种控制要求，此外该方法针对微电网中对无功的不同需求，功率管理系统采用了不同的控制方法从而提高了控制性能。

（3）基于多代理技术的微电网控制。该方法将计算机领域的多代理技术应用到微电网，代理的自治性、自发性等特点能够很好地适应和满足微电网分散控制的要求。

微电网的保护方法与传统配电网的保护方法不同，主要是微电网的多电源特性，使得两者区别很大。主要难点在潮流的双向流动、并网和孤立运行时短路容量的变化方面。因此，传统配电网在低压侧集中无功补偿的方法已经不适合微电网。

大部分的新能源发电技术所发出的电能在频率和电压水平上不能满足现有互联电网的要求，因此无法直接接入电网，需通过电力电子设备才能接入。为此要大力加强对电力电子技术的研究，研制一些新型的电力电子设备作为配套设施，如并网逆变器、静态开关和电能控制装置。