智能微網(wǎng)在分布式能源接入中的作用與挑戰(zhàn)*

王成山　王守相天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　天津　300072

智能微網(wǎng)在分布式能源接入中的作用與挑戰(zhàn)*

王成山王守相
天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300072

分布式可再生能源發(fā)電由于靠近用戶側(cè)直接供能且便于實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)而受到越來(lái)越多的重視。而將分布式能源發(fā)電以智能微網(wǎng)形式接入到電網(wǎng)中并網(wǎng)運(yùn)行，與電網(wǎng)互為支撐，是發(fā)揮分布式能源效能的最有效方式。文章介紹了智能微網(wǎng)的概念，闡述了智能微網(wǎng)在分布式能源接入中的作用，分析了智能微網(wǎng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，提出了基于分布式能源接入的智能微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)，繪制了智能微網(wǎng)的技術(shù)成熟度蛛網(wǎng)圖和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展路線圖。

微網(wǎng)，智能配電網(wǎng)，分布式能源

1　智能微網(wǎng)的概念及其在分布式能源接入中的作用

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展對(duì)能源需求的不斷增長(zhǎng)，分布式可再生能源發(fā)電由于靠近用戶側(cè)直接供能且便于實(shí)現(xiàn)多種能源形式的互補(bǔ)而越來(lái)越受到重視。但一方面，分布式可再生能源大量接入產(chǎn)生的間歇性和波動(dòng)性會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行和電力交易造成直接的沖擊，影響電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性；另一方面大量不受控的分布式能源發(fā)電并網(wǎng)會(huì)造成電力系統(tǒng)不可控制和缺乏管理的局面。這些因素都限制了分布式可再生能源在電力系統(tǒng)的接入規(guī)模和運(yùn)行效率。

為整合分布式發(fā)電優(yōu)勢(shì)，降低分布式可再生能源對(duì)電網(wǎng)的沖擊和負(fù)面影響，美國(guó)電力可靠性技術(shù)協(xié)會(huì)（CERTS）提出了微網(wǎng)（M icroGrid）的概念。微網(wǎng)是指由分布式能源、能量變換裝置、負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置等匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制和管理的自治系統(tǒng)。微網(wǎng)的構(gòu)成如圖1所示。既有僅利用光伏、儲(chǔ)能和負(fù)荷一起構(gòu)成的簡(jiǎn)單微網(wǎng)；也有由風(fēng)力、光伏、儲(chǔ)能、冷/熱/電聯(lián)供系統(tǒng)等構(gòu)成的多種類設(shè)備微網(wǎng)；還有由滿足一定技術(shù)條件的分布式電源和微網(wǎng)廣泛接入構(gòu)成的公共微網(wǎng)。微網(wǎng)可以看作是小型的電力系統(tǒng)，它具備完整的發(fā)電和配電功能，可以有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)的能量?jī)?yōu)化。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，相應(yīng)提出了具備靈活性、高效性和智能化等特征的智能微網(wǎng)的概念。智能微網(wǎng)的提出旨在實(shí)現(xiàn)中低壓配電系統(tǒng)層面上分布式能源的靈活、高效應(yīng)用，解決數(shù)量龐大、形式多樣的分布式能源無(wú)縫接入和并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的主要問(wèn)題，同時(shí)具備一定的能量管理功能，有效降低系統(tǒng)運(yùn)行人員的調(diào)度難度，并提升可再生能源的接入能力。

圖1　微網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

按照是否與常規(guī)電網(wǎng)聯(lián)結(jié)，微網(wǎng)可分為聯(lián)網(wǎng)型微網(wǎng)和獨(dú)立型微網(wǎng)。

（1）聯(lián)網(wǎng)型微網(wǎng)具有并網(wǎng)和獨(dú)立兩種運(yùn)行模式。在并網(wǎng)工作模式下，一般與中、低壓配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，互為支撐，實(shí)現(xiàn)能量的雙向交換。通過(guò)網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制和分布式電源出力的協(xié)調(diào)控制，可以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；也可實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)和常規(guī)電網(wǎng)間交換功率的定值或定范圍控制，減少由于分布式可再生能源發(fā)電功率的波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響。在外部電網(wǎng)故障情況下，可轉(zhuǎn)為獨(dú)立運(yùn)行模式，繼續(xù)為微網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷供電，提高重要負(fù)荷的供電可靠性，并提供優(yōu)良的電能質(zhì)量和其他輔助性服務(wù)，如電壓支撐、向外饋送電能甚至提供黑啟動(dòng)能力。

（2）獨(dú)立型微網(wǎng)不與常規(guī)電網(wǎng)相連接，利用自身的分布式電源滿足微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的需求。當(dāng)網(wǎng)內(nèi)存在可再生能源分布式電源時(shí)，常常需要配置儲(chǔ)能系統(tǒng)以抑制這類電源的功率波動(dòng)，同時(shí)在充分利用可再生能源的基礎(chǔ)上，滿足不同時(shí)段負(fù)荷的需求。這類微網(wǎng)更加適合在海島、邊遠(yuǎn)地區(qū)等地為用戶供電。

總體來(lái)看，微網(wǎng)的出現(xiàn)將完全改變配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性，在微觀上，微網(wǎng)可以看做是小型的電力系統(tǒng)，具備完整的發(fā)、輸、配電功能，可以實(shí)現(xiàn)局部的功率平衡與能量?jī)?yōu)化；在宏觀上，微網(wǎng)又可以認(rèn)為是配電系統(tǒng)中的一個(gè)“虛擬”的電源或負(fù)荷。這使得現(xiàn)在的電力系統(tǒng)有了更大的柔性和可控性，同時(shí)也具有了更多的商業(yè)模式。現(xiàn)有研究和實(shí)踐表明，將分布式電源以微網(wǎng)形式接入到電網(wǎng)中并網(wǎng)運(yùn)行，與電網(wǎng)互為支撐，是發(fā)揮分布式能源效能的最有效方式，具有巨大的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)意義。

2　智能微網(wǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)外針對(duì)微網(wǎng)技術(shù)已開展了較為廣泛深入的研究，在取得理論和技術(shù)研究成果的同時(shí)，建設(shè)了一批微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和試點(diǎn)工程，對(duì)微網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵裝備進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1北美地區(qū)微網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)是最早提出并建設(shè)微網(wǎng)的國(guó)家，擁有全球最多的微電網(wǎng)示范工程，數(shù)量超過(guò) 200 個(gè)，約占全球微電網(wǎng)數(shù)量的 50%。1999 年，美國(guó)電力可靠性技術(shù)協(xié)會(huì)（CERTS）最早對(duì)微網(wǎng)的思想進(jìn)行了描述和總結(jié)，并于2002 年系統(tǒng)地提出了微網(wǎng)的定義。美國(guó)能源部將微網(wǎng)視為未來(lái)電力系統(tǒng)的三大基石技術(shù)之一，將其列入了美國(guó)“Grid 2030”計(jì)劃。美國(guó)微網(wǎng)示范工程地域分布廣泛、投資主體多元、結(jié)構(gòu)組成多樣、應(yīng)用場(chǎng)景豐富，主要用于集成可再生分布式能源、提高供電可靠性及作為一個(gè)可控單元為電網(wǎng)提供支持服務(wù)。

美國(guó)對(duì)微網(wǎng)的研究主要著重于利用微網(wǎng)提高重要負(fù)荷的供電可靠性，同時(shí)滿足用戶定制的多種電能質(zhì)量需求、降低成本、實(shí)現(xiàn)智能化等。

加拿大政府針對(duì)微網(wǎng)研究啟動(dòng)了綜合社區(qū)能源管理（ICES）研究計(jì)劃。重點(diǎn)關(guān)注微網(wǎng)技術(shù)在各類社區(qū)供能環(huán)節(jié)的應(yīng)用，特別強(qiáng)調(diào)各類分布式能源的集成利用和與社區(qū)公共設(shè)施（交通、醫(yī)療、通訊等）的相互支撐。在ICES 項(xiàng)目資助下，加拿大先后建立了一系列微電網(wǎng)示范工程，并計(jì)劃在 2020 年前，在全國(guó)構(gòu)建 2 000 余個(gè) ICES 系統(tǒng)。

2.2歐洲的微網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

歐洲重視可再生清潔能源的發(fā)展，是開展微網(wǎng)研究和示范工程較早的地區(qū)，1998 年就開始了有關(guān)微網(wǎng)的研究工作。2005 年，歐洲提出“Smart Power Networks”概念，并在 2006 年出臺(tái)該計(jì)劃的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方略。

歐盟在第五、第六和第七框架下支持了一系列關(guān)于發(fā)展分布式發(fā)電和微網(wǎng)技術(shù)的研究項(xiàng)目，組織眾多高校和企業(yè)，針對(duì)分布式能源集成、微網(wǎng)接入配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略、經(jīng)濟(jì)調(diào)度措施、能量管理方案、繼電保護(hù)技術(shù)，以及微網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響等內(nèi)容開展重點(diǎn)研究，目前已形成包含分布式發(fā)電和微網(wǎng)控制、運(yùn)行、保護(hù)、安全及通信等基本理論體系。同時(shí)，歐洲相繼建設(shè)了一批微網(wǎng)示范工程，例如希臘基斯諾斯島微網(wǎng)示范工程、德國(guó)曼海姆微網(wǎng)示范工程、丹麥法羅群島微網(wǎng)示范工程、英國(guó)埃格島微網(wǎng)示范工程等。

歐洲對(duì)微網(wǎng)的發(fā)展和研究主要圍繞著可靠性、可接入性、靈活性 3 個(gè)方面展開，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化、能量利用的多元化，滿足能源用戶對(duì)電能質(zhì)量的多種要求、滿足電力市場(chǎng)的需求以及歐洲電網(wǎng)的穩(wěn)定和環(huán)保要求等。

2.3日本的微網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

日本是亞洲研究和建設(shè)微網(wǎng)較早的國(guó)家，由于日本本土資源匱乏，能源緊缺，其對(duì)可再生能源的重視程度高于其他國(guó)家。自 2003 年開始，日本新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織（NEDO）就協(xié)調(diào)高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)先后在八戶市、愛知縣、京都市和仙臺(tái)市等地區(qū)建設(shè)了微網(wǎng)示范工程，研究、驗(yàn)證了一批微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)微網(wǎng)發(fā)展和建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

日本擁有全球最多的海島獨(dú)立電網(wǎng)，因此發(fā)展集成可再生能源的海島微網(wǎng)，替代成本高昂、污染嚴(yán)重的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電是日本微網(wǎng)發(fā)展的重要方向和特點(diǎn)。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省資源能源廳于 2009 年啟動(dòng)了島嶼新能源獨(dú)立電網(wǎng)實(shí)證項(xiàng)目，通過(guò)提供政府財(cái)政補(bǔ)貼，委托九州電力公司和沖繩電力公司在鹿兒島縣和沖繩縣地區(qū)的 10 個(gè)海島上完成了海島獨(dú)立電網(wǎng)示范工程的建設(shè)，包括由東芝集團(tuán)負(fù)責(zé)建設(shè)的宮古島大型海島電網(wǎng)和由富士電機(jī)株式會(huì)社負(fù)責(zé)建設(shè)的 9 個(gè)中小型海島微網(wǎng)。

日本在微網(wǎng)方面的研究更注重可再生能源的控制與電儲(chǔ)能，主要著眼于能源供給多樣化、滿足用戶的個(gè)性化電力需求和減少對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)注重微網(wǎng)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)的融合，為微網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)展提供了廣闊的空間。

2.4我國(guó)微網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

結(jié)合目前我國(guó)正處在工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的進(jìn)程中，能源需求持續(xù)增長(zhǎng)，能源對(duì)外依存度高，環(huán)境治理壓力大的國(guó)情，大力發(fā)展可再生能源和微網(wǎng)有利于解決資源和環(huán)境的雙重壓力。在《中華人民共和國(guó)可再生能源法》等一系列國(guó)家政策法規(guī)的鼓勵(lì)引導(dǎo)下，在國(guó)家科技部“973”項(xiàng)目、“863”項(xiàng)目及國(guó)家自然科學(xué)基金等資金支持下，國(guó)內(nèi)眾多高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)投入到可再生能源和微電網(wǎng)的研究開發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐中，在理論研究、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和示范工程建設(shè)方面取得了一系列的成果，建成了一批微網(wǎng)示范工程。我國(guó)的微網(wǎng)研究以提高分布式能源利用效率和電網(wǎng)接納能力為目標(biāo)，充分利用分散型能源，結(jié)合終端用戶電能質(zhì)量管理和能源梯級(jí)利用技術(shù)形成的小型模塊化、分散式的供能系統(tǒng)。我國(guó)微網(wǎng)示范工程大致可分為三類：邊遠(yuǎn)地區(qū)微網(wǎng)、海島微網(wǎng)和城市微網(wǎng)。

（1）邊遠(yuǎn)地區(qū)微網(wǎng)。我國(guó)邊遠(yuǎn)地區(qū)人口密度低、生態(tài)環(huán)境脆弱，擴(kuò)展傳統(tǒng)電網(wǎng)成本高，采用化石燃料發(fā)電對(duì)環(huán)境的損害大。但邊遠(yuǎn)地區(qū)風(fēng)、光等可再生能源豐富，因此利用本地可再生分布式能源的獨(dú)立微網(wǎng)是解決我國(guó)邊遠(yuǎn)地區(qū)供電問(wèn)題的合適方案。目前我國(guó)已在西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古等省的邊遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)了一批微網(wǎng)工程，解決當(dāng)?shù)氐墓╇娎щy。

（2）海島微網(wǎng)?？紤]到向海島運(yùn)輸柴油的高成本和困難性以及海島所具有的豐富可再生能源，利用海島可再生分布式能源、建設(shè)海島微網(wǎng)是解決我國(guó)海島供電問(wèn)題的優(yōu)選方案。從更大的視角看，建設(shè)海島微網(wǎng)符合我國(guó)的海洋大國(guó)戰(zhàn)略，是我國(guó)研究海洋、開發(fā)海洋、走向海洋的重要一步。

（3）城市微網(wǎng)。我國(guó)還有許多城市微網(wǎng)示范工程，重點(diǎn)示范目標(biāo)包括集成可再生分布式能源、提供高質(zhì)量及多樣性的供電可靠性服務(wù)、冷熱電綜合利用等。另外還有一些發(fā)揮特殊作用的微網(wǎng)示范工程，例如江蘇大豐的海水淡化微網(wǎng)項(xiàng)目。

值得指出的是，我國(guó)目前的微網(wǎng)發(fā)展重點(diǎn)關(guān)注新技術(shù)的探索和應(yīng)用，對(duì)于微網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)模式、市場(chǎng)推廣機(jī)制、引導(dǎo)推動(dòng)政策等方面的研究還比較少，而這些正在成為微網(wǎng)技術(shù)獲得廣泛推廣應(yīng)用的瓶頸。

3　基于分布式可再生能源接入的智能微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)

微網(wǎng)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)各種分布式能源的無(wú)縫接入并發(fā)揮其最大潛力。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要很好地解決與微網(wǎng)相關(guān)的一系列關(guān)鍵技術(shù)，包括：規(guī)劃設(shè)計(jì)、控制與保護(hù)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理、能量?jī)?yōu)化管理、能源系統(tǒng)信息-物理融合、智能化接入與需求互動(dòng)響應(yīng)、直流微網(wǎng)及多微網(wǎng)間直流互聯(lián)等各個(gè)方面。

3.1微網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

微網(wǎng)規(guī)劃的目標(biāo)是在滿足用戶對(duì)電、熱、冷用能需求的前提下，合理地利用能源，特別是盡可能利用風(fēng)、光等可再生能源，獲得最佳的投資效益，保證微網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等。要實(shí)現(xiàn)含分布式可再生能源的微網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)，需要綜合考慮多方面因素，尤其是：

（1）需要考慮微網(wǎng)中能源結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，包括分布式可再生能源的電、熱、冷生產(chǎn)靈活匹配與協(xié)調(diào)運(yùn)行。

（2）需要考慮可再生能源波動(dòng)性和間歇性，合理預(yù)測(cè)可再生能源生產(chǎn)，并規(guī)劃能源互補(bǔ)能力及微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行能力的保障等問(wèn)題。

3.2微網(wǎng)運(yùn)行控制與保護(hù)

實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)與大電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行控制以及對(duì)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定的支撐，是微網(wǎng)區(qū)別于一般分布式可再生能源并網(wǎng)的重要技術(shù)特征。相對(duì)于常規(guī)電力系統(tǒng)而言，一方面，分布式可再生能源容量一般不大，采用電力電子裝置的逆變方式并網(wǎng)，自身運(yùn)行亦不穩(wěn)定；另一方面，微網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備種類繁多，各類可再生能源運(yùn)行特性不一、控制方式不同，導(dǎo)致微網(wǎng)的運(yùn)行控制與保護(hù)問(wèn)題比較復(fù)雜。

（1）電壓和頻率的穩(wěn)定控制?？稍偕茉吹牟?離網(wǎng)、波動(dòng)等都會(huì)造成微網(wǎng)電壓波動(dòng)，同時(shí)可再生能源大多為電力電子裝置并網(wǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)慣性小，離網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行模式下頻率變化迅速，因此如何保證系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式下電壓和頻率的穩(wěn)定控制是微網(wǎng)內(nèi)分布式電源協(xié)調(diào)運(yùn)行控制的首要關(guān)鍵技術(shù)。

（2）故障下的運(yùn)行模式無(wú)縫切換。部分微網(wǎng)具有聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行兩種模式，需要重點(diǎn)解決在多類型分布式可再生能源接入下微網(wǎng)的故障快速檢測(cè)、基于內(nèi)外部故障信息的微網(wǎng)自動(dòng)解列和無(wú)縫切換、微網(wǎng)再并網(wǎng)自同期技術(shù)。

（3）控制保護(hù)架構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)微網(wǎng)的控制保護(hù)架構(gòu)提出了三種模式：對(duì)等控制模式、主從控制模式和基于多 Agent 代理的分層控制模式。現(xiàn)有的分布式可再生能源如光伏、風(fēng)電等并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)尚不足以滿足微網(wǎng)可靠靈活運(yùn)行的要求，還需要更加具有針對(duì)性的研究和開發(fā)工作。

3.3微網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理

在微網(wǎng)中，間歇式電源的頻繁啟停和功率輸出的變化，會(huì)給用戶帶來(lái)電壓波動(dòng)、閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題；微網(wǎng)內(nèi)的電源往往采用電力電子技術(shù)，會(huì)產(chǎn)生諧波污染；單相分布式電源和單相負(fù)荷的存在，增加了系統(tǒng)的三相不平衡水平。

目前用于治理微網(wǎng)電能質(zhì)量的技術(shù)包括無(wú)源濾波器、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）等，隨著高性能電力電子元件的出現(xiàn)以及微處理技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，滿足用戶定制電力需求的電能質(zhì)量治理技術(shù)還需要進(jìn)一步發(fā)展。

3.4微網(wǎng)能量?jī)?yōu)化管理

微網(wǎng)集成了多種能源輸入（太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等）、多種產(chǎn)品輸出（冷、熱、電等）、多種能源轉(zhuǎn)換單元（燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等），微網(wǎng)內(nèi)能量的不確定性和時(shí)變性更強(qiáng)，需要全面利用各種控制和調(diào)節(jié)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)微網(wǎng)內(nèi)能量管理與經(jīng)濟(jì)調(diào)度，提高微網(wǎng)整體運(yùn)行效率。

微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)主要有集中調(diào)度和分散控制兩種模式。集中調(diào)度模式由上層中央能量管理系統(tǒng)和底層分布式電源、負(fù)荷等就地設(shè)備控制器組成，兩層之間要求雙向通訊。分散控制模式中，微網(wǎng)內(nèi)能量?jī)?yōu)化的任務(wù)主要由分散的設(shè)備層控制器完成，每個(gè)設(shè)備層控制器的主要功能并不是最大化該設(shè)備的使用效率，而是與微網(wǎng)內(nèi)其他設(shè)備協(xié)同工作，以提高整個(gè)微網(wǎng)的效能。集中調(diào)度模式技術(shù)上相對(duì)成熟，目前應(yīng)用得也較為廣泛，但距離真正實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)化還有很大的挖掘潛力。

3.5微網(wǎng)能源系統(tǒng)的信息-物理融合

目前的分布式能源系統(tǒng)只是一個(gè)單一的能源生產(chǎn)系統(tǒng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)下對(duì)物理設(shè)備可控制、可交互、可通信、可擴(kuò)展等眾多應(yīng)用需求。尤其是微網(wǎng)中包含大量的太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源，使得其在電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)的感知能力且信息共享能力差，運(yùn)行控制實(shí)時(shí)性也很難滿足需要。因此，在環(huán)境感知基礎(chǔ)上，將信息與計(jì)算嵌入微網(wǎng)能源，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物互聯(lián)互通與深度融合是微網(wǎng)能源系統(tǒng)的發(fā)展方向，而信息-物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）是其中最為關(guān)鍵的技術(shù)體系。信息-物理融合系統(tǒng)是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，核心概念是“3C”（Com putation、Comm unication、Con trol），即將計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程良好地結(jié)合到一起，通過(guò)人機(jī)交互接口來(lái)實(shí)現(xiàn)與物理進(jìn)程的交互，使用傳感器網(wǎng)絡(luò)以實(shí)時(shí)、可靠、遠(yuǎn)程、安全的方式監(jiān)控一個(gè)物理實(shí)體的具體動(dòng)作行為。

在信息物理融合系統(tǒng)的帶動(dòng)下，未來(lái)的微網(wǎng)將是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、能源和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算、通信、控制技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)分布式能源系統(tǒng)及微網(wǎng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。

3.6微網(wǎng)智能化接入電網(wǎng)及需求互動(dòng)響應(yīng)

開放互動(dòng)是智能電網(wǎng)的重要特征之一，通過(guò)構(gòu)建開放統(tǒng)一、競(jìng)爭(zhēng)有序的電力市場(chǎng)體系，實(shí)現(xiàn)信息和電能雙向互動(dòng)，可以為用戶提供參與多種類型互動(dòng)的供用電新模式。智能電網(wǎng)與用戶之間的互動(dòng)主要方式之一是通過(guò)部署各類需求響應(yīng)（Demand Response， DR）項(xiàng)目來(lái)實(shí)現(xiàn)。需求側(cè)響應(yīng)作為用電環(huán)節(jié)與其他各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展、友好交互的關(guān)鍵支撐手段和重要方式，一方面能夠使用戶參與電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行和優(yōu)化能源配置，另一方面可以滿足用戶多樣化的電力需求，提高用戶體驗(yàn)。微網(wǎng)具有單獨(dú)的能量管理系統(tǒng)，可以作為一個(gè)整體組織內(nèi)部電力生產(chǎn)、傳輸、交易，因此微網(wǎng)的能力并不僅僅限于集成分布式能源和并網(wǎng)等功能，其一方面能夠更好地自動(dòng)化和智能化組織分布式能源以微網(wǎng)形式參與需求互動(dòng)，另一方面能夠?yàn)橛脩籼峁└又悄芑哪茉?用戶服務(wù)。

3.7直流微網(wǎng)及多微網(wǎng)間直流互聯(lián)

為與目前交流電網(wǎng)相適應(yīng)，目前微網(wǎng)主要是交流供電方式，但是光伏等分布式能源大部分為直流形式，需要通過(guò) DC/AC 變換環(huán)節(jié)接入交流微網(wǎng)，同時(shí)配電網(wǎng)中的電動(dòng)汽車、LED 照明、大量各類電子設(shè)備等直流負(fù)荷也逐漸占越來(lái)越大的比重。當(dāng)采用直流微網(wǎng)集成可再生能源能源等分布式發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，能夠通過(guò) AC/DC 或者 DC/ DC 接入直流母線，與交流微網(wǎng)相比使得分布式發(fā)電單元更易于接入系統(tǒng)，不僅能夠減小能量轉(zhuǎn)換次數(shù)，而且降低了成本、提高效率。

除此之外，采用直流微網(wǎng)集成可再生能源分布式發(fā)電單元具有無(wú)需考慮頻率、相位、集膚效應(yīng)以及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備等優(yōu)勢(shì)，而且控制結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。因此直流微網(wǎng)集成可再生能源的新型解決方案具有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛應(yīng)用前景。

其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：（1）可再生能源及儲(chǔ)能系統(tǒng)直流并網(wǎng)變換器技術(shù)；（2）直流微網(wǎng)的運(yùn)行控制和能量管理技術(shù)；（3）直流微網(wǎng)的故障保護(hù)技術(shù)；（4）微網(wǎng)多端直流互聯(lián)技術(shù)。

4　智能微網(wǎng)的技術(shù)成熟度和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展路線圖

微網(wǎng)是分布式可再生能源接入設(shè)計(jì)、運(yùn)行、控制、保護(hù)的整體集成技術(shù)，為可再生能源接入提供服務(wù)。微網(wǎng)技術(shù)的成熟將直接影響分布式可再生能源接入能力及其與電網(wǎng)間互利能力，由此帶動(dòng)分布式可再生能源產(chǎn)業(yè)擴(kuò)大發(fā)展，而在此過(guò)程中微網(wǎng)產(chǎn)業(yè)也將逐步成型和規(guī)?；l(fā)展。

從技術(shù)上看，至 2020 年微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)能夠基本支撐分布式可再生能源大規(guī)模推廣，至 2030 年微網(wǎng)技術(shù)能夠基本成熟，走向商業(yè)化，具體各技術(shù)方面發(fā)展預(yù)測(cè)如圖 2 所示。

我國(guó)已逐漸開始推廣微網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)及系統(tǒng)集成，在“太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用一體化示范”和“金太陽(yáng)示范”中，都提出應(yīng)優(yōu)先考慮利用智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)技術(shù)建設(shè)的用戶側(cè)光伏發(fā)電項(xiàng)目，并在具備條件地區(qū)應(yīng)加快推廣微電網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)示范，完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理制度，提高光伏發(fā)電對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)條件的適應(yīng)能力。但總體上，截至目前為止，微電網(wǎng)相關(guān)政策仍屬于缺失階段，微電網(wǎng)技術(shù)主要被部分核心研究所或者企業(yè)掌握。

同時(shí)由于分布式可再生能源成本變化較大，政府一方面要根據(jù)分布式可再生能源成本變化及時(shí)調(diào)整微網(wǎng)相關(guān)政策，另一方面也需要進(jìn)一步引導(dǎo)放開電網(wǎng)管制，為更加合理的分布式可再生能源和微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式創(chuàng)造寬松的政策環(huán)境，以使通過(guò)微網(wǎng)能夠更好地服務(wù)于用戶、運(yùn)營(yíng)商、電網(wǎng)等多方參與者，讓投資者決定投資收益問(wèn)題，鼓勵(lì)可再生能源在電力交易市場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)自身價(jià)值，才能夠激發(fā)投資者和用戶對(duì)分布式可再生能源和微網(wǎng)的接受度和熱情，讓微網(wǎng)產(chǎn)業(yè)走向良性循環(huán)和發(fā)展。

圖2　　2015—2030年我國(guó)微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及成熟度預(yù)測(cè)

從樂(lè)觀角度看，未來(lái) 20 年將是微網(wǎng)產(chǎn)業(yè)政策完善階段，也是市場(chǎng)化蓬勃發(fā)展的階段。微網(wǎng)發(fā)展大幅向企業(yè)及獨(dú)立經(jīng)營(yíng)型轉(zhuǎn)變的階段，且不需要政府補(bǔ)貼，市場(chǎng)相對(duì)開放，競(jìng)價(jià)策略將會(huì)大幅推廣。對(duì)微網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展路線詳細(xì)預(yù)測(cè)如圖 3 和圖 4 所示。

目前來(lái)看，微網(wǎng)示范工程大部分由科技項(xiàng)目和示范工程推動(dòng)，另外也有相當(dāng)數(shù)量的企業(yè)也開始自行投資建設(shè)微網(wǎng)。隨著政策引導(dǎo)和相關(guān)示范項(xiàng)目的帶動(dòng)，預(yù)期將會(huì)產(chǎn)生大量從事微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、集成和運(yùn)營(yíng)管理的相關(guān)企業(yè)，并帶動(dòng)一系列相關(guān)產(chǎn)業(yè)共同快速發(fā)展，包括：

（1）分布式可再生能源關(guān)鍵設(shè)備產(chǎn)業(yè)。微網(wǎng)是一個(gè)綜合的網(wǎng)絡(luò)，帶來(lái)的也將是一個(gè)綜合的設(shè)備市場(chǎng)，首先微網(wǎng)將能夠大力推動(dòng)達(dá)到用戶和投資者投資期望回報(bào)的分布式可再生能源系統(tǒng)，包括各類型光伏電池、風(fēng)機(jī)及其發(fā)電系統(tǒng)等。

圖3　我國(guó)微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展路線圖

圖4　2015—2050年我國(guó)微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)成熟程度預(yù)測(cè)

（2）微網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備產(chǎn)業(yè)。為達(dá)到微網(wǎng)運(yùn)行控制的高級(jí)應(yīng)用需求，需要增加具備如無(wú)縫切換、即插即用、電壓頻率調(diào)節(jié)等新功能的一系列新型智能控制設(shè)備；總體來(lái)看，作為投資中占比最大的關(guān)鍵設(shè)備制造，尤其是新型智能設(shè)備，是未來(lái)微網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的重要增長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)方向。

（3）微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)服務(wù)產(chǎn)業(yè)。在未來(lái)電力管制放松的預(yù)期下，微網(wǎng)系統(tǒng)能夠以一個(gè)整體組織內(nèi)部電力生產(chǎn)、傳輸、交易及使用來(lái)深度參與需求側(cè)響應(yīng)等市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)，既可以向電網(wǎng)購(gòu)電，也可以向電網(wǎng)售電，在配電和用戶側(cè)將能夠形成新的運(yùn)營(yíng)模式。

（4）變配電自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)。未來(lái)配電網(wǎng)將融合先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、高級(jí)分析技術(shù)以及通信技術(shù)等，從而能夠與用戶側(cè)微網(wǎng)智能化相適應(yīng)，進(jìn)而帶來(lái)巨大的設(shè)備（產(chǎn)品）技術(shù)革新與市場(chǎng)需求，智能用電管理終端、配電自動(dòng)化裝置、遙控遙測(cè)裝置、故障診斷裝置、一體化測(cè)控保護(hù)終端等配電自動(dòng)化設(shè)備的市場(chǎng)前景廣闊。

（5）節(jié)能產(chǎn)業(yè)。微網(wǎng)不僅涉及分布式可再生能源，也涉及用戶側(cè)提高能效、節(jié)能等重要的環(huán)節(jié)，微網(wǎng)的發(fā)展同樣會(huì)在一定程度上帶動(dòng)節(jié)能領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

5　結(jié)語(yǔ)

（1）大量分布式能源并網(wǎng)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊和影響，從而限制了其接入規(guī)模和運(yùn)行效率。

（2）智能微網(wǎng)是分布式能源發(fā)電并網(wǎng)的有效方式，可實(shí)現(xiàn)分布式能源的靈活、高效應(yīng)用，解決數(shù)量龐大、形式多樣的分布式能源并網(wǎng)運(yùn)行問(wèn)題，可有效降低系統(tǒng)運(yùn)行人員的調(diào)度難度，并提升分布式能源的接入能力。微網(wǎng)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)各種分布式能源的無(wú)縫接入并發(fā)揮其最大潛力。

（3）未來(lái)的微網(wǎng)及能源和信息技術(shù)的融合包含三個(gè)方面：信息與計(jì)算嵌入微網(wǎng)能源、微網(wǎng)能源融入廣域信息網(wǎng)絡(luò)、基于信息的微網(wǎng)智能化。通過(guò)借助物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等新興技術(shù)，為靈活地整合、管理、調(diào)度分布式資源奠定了基礎(chǔ)，可以推動(dòng)電網(wǎng)與用戶的互動(dòng)，將能大大提高系統(tǒng)運(yùn)行能力和接納可再生能源能力，進(jìn)一步解決大規(guī)模分布式可再生能源的接入和消納問(wèn)題。

（4）隨著電力電子技術(shù)和半導(dǎo)體器件成本的下降，基于直流的新型供電方式也逐漸成為可能，相對(duì)目前交流微網(wǎng)供電模式，其具有靈活、高效、可靠等優(yōu)點(diǎn)，多端直流系統(tǒng)、交-直流混合系統(tǒng)等也將是未來(lái)微網(wǎng)重要的創(chuàng)新模式。

（5）未來(lái)微網(wǎng)將從信息和電氣兩個(gè)方面向前發(fā)展，逐步形成一個(gè)微網(wǎng)為核心的開放對(duì)等的信息-能源互聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種能源安全最優(yōu)傳輸和配送、相互轉(zhuǎn)換（效率）、高效利用和動(dòng)態(tài)靈活供需平衡，并提供雙向互動(dòng)能源服務(wù)，將一個(gè)集中、單向、生產(chǎn)者控制的電網(wǎng)，轉(zhuǎn)變成更加分布、更多消費(fèi)者互動(dòng)的電網(wǎng)。

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王成山 天津大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（“973”計(jì)劃項(xiàng)目）首席科學(xué)家；教育部長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授；國(guó)家杰出青年基金獲得者。中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事、學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，天津市電力學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，教育部電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員，《電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)》編輯委員會(huì)主任委員，“十一五”國(guó)家“863”計(jì)劃“MW級(jí)并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)”重點(diǎn)項(xiàng)目總體專家組成員，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)第十、十一、十三屆工程與材料科學(xué)部專家評(píng)審組成員、副組長(zhǎng)，國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）和國(guó)際供電會(huì)議（CIRED）中國(guó)國(guó)家委員會(huì)委員。E-mail： csw ang@tju.edu.cn

Wang ChengshanProfessor of Tianjin University， Ph.D. supervisor， national key basic research project （973 project） chief scientist， the M inistry o f Education Changjiang Scholars Program Professor， a w inner of National Outstanding Youth Fund. Executive director of the China Institute of Electrical Engineering and academ ic comm ittee member， vice chairman of Tianjin Electric Power Association， member of the Teaching Steering Comm ittee of Electrical Engineering and Automation of the Ministry of Education， chairman of the editorial board of Proceeding of the Chinese Society of Universities， member of expert comm ission of key project of national “863” plan “MW-level grid integration photovoltaic stations” during the Eleventh Five-Year Plan， vice chairman or member of 10th， 11th and 13th expert review team at department of engineering and M aterials Science of National Natural Science Foundation of China， member of china National Comm ission of CIGRE and CIRED. E-mail： cswang@tju.edu.cn.

The Role and Challenge of Smart M ircogrid in the Integration of Distributed Energy Resources

Wang ChengshanWang Shouxiang
（Key Laboratory of Smart Grid of M inistry of Education， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Due to the energy supply near user side and reliable to multi-energy utilization， distributed energy is paid more and more attention. It is one of the most efficient methods to integrate distributed energy resources into power grid in the form of smart m icrogrid since they can support w ith each other. First， the concept of smart m icrogrid is introduced and the role of smart microgrid on distributed energy integration is presented. Then， the research status and the tendency of smart m icrogrid are described. Next， the key technology and the challenge of smart m icrogrid are proposed. Finally， the spider net model of technology mature status and the road map of in-dustrial development of smart m icrogrid are drawn.

smart m icrogrid， smart distribution system， distributed energy

10.16418/j.issn.1000-3045.2016.02.010

*資助項(xiàng)目：中科院學(xué)部咨詢項(xiàng)目“大力發(fā)展分布式可再生能源應(yīng)用和智能微網(wǎng)”修改稿收到日期：2016年1月13日