智能微网在分布式能源接入中的作用与挑战

2.3日本的微网发展现状

日本是亚洲研究和建设微网较早的国家，由于日本本土资源匮乏，能源紧缺，其对可再生能源的重视程度高于其他国家。自2003年开始，日本新能源与工业技术发展组织（NEDO）就协调高校、科研机构和企业先后在八户市、爱知县、京都市和仙台市等地区建设了微网示范工程，研究、验证了一批微网关键技术，为后续微网发展和建设奠定了良好的基础。

日本拥有全球最多的海岛独立电网，因此发展集成可再生能源的海岛微网，替代成本高昂、污染严重的内燃机发电是日本微网发展的重要方向和特点。日本经济产业省资源能源厅于2009年启动了岛屿新能源独立电网实证项目，通过提供政府财政补贴，委托九州电力公司和冲绳电力公司在鹿儿岛县和冲绳县地区的10个海岛上完成了海岛独立电网示范工程的建设，包括由东芝集团负责建设的宫古岛大型海岛电网和由富士电机株式会社负责建设的9个中小型海岛微网。

日本在微网方面的研究更注重可再生能源的控制与电储能，主要着眼于能源供给多样化、满足用户的个性化电力需求和减少对环境的污染，同时注重微网与传统配电网的融合，为微网的大规模发展提供了广阔的空间。

2.4我国微网的发展现状

结合目前我国正处在工业化和城镇化的进程中，能源需求持续增长，能源对外依存度高，环境治理压力大的国情，大力发展可再生能源和微网有利于解决资源和环境的双重压力。在《中华人民共和国可再生能源法》等一系列国家政策法规的鼓励引导下，在国家科技部“973”项目、“863”项目及国家自然科学基金等资金支持下，国内众多高校、科研机构和企业投入到可再生能源和微电网的研究开发和应用实践中，在理论研究、实验室建设和示范工程建设方面取得了一系列的成果，建成了一批微网示范工程。我国的微网研究以提高分布式能源利用效率和电网接纳能力为目标，充分利用分散型能源，结合终端用户电能质量管理和能源梯级利用技术形成的小型模块化、分散式的供能系统。我国微网示范工程大致可分为三类：边远地区微网、海岛微网和城市微网。

（1）边远地区微网。我国边远地区人口密度低、生态环境脆弱，扩展传统电网成本高，采用化石燃料发电对环境的损害大。但边远地区风、光等可再生能源丰富，因此利用本地可再生分布式能源的独立微网是解决我国边远地区供电问题的合适方案。目前我国已在西藏、青海、新疆、内蒙古等省的边远地区建设了一批微网工程，解决当地的供电困难。

（2）海岛微网。考虑到向海岛运输柴油的高成本和困难性以及海岛所具有的丰富可再生能源，利用海岛可再生分布式能源、建设海岛微网是解决我国海岛供电问题的优选方案。从更大的视角看，建设海岛微网符合我国的海洋大国战略，是我国研究海洋、开发海洋、走向海洋的重要一步。

（3）城市微网。我国还有许多城市微网示范工程，重点示范目标包括集成可再生分布式能源、提供高质量及多样性的供电可靠性服务、冷热电综合利用等。另外还有一些发挥特殊作用的微网示范工程，例如江苏大丰的海水淡化微网项目。

值得指出的是，我国目前的微网发展重点关注新技术的探索和应用，对于微网的运营模式、市场推广机制、引导推动政策等方面的研究还比较少，而这些正在成为微网技术获得广泛推广应用的瓶颈。

3基于分布式可再生能源接入的智能微网关键技术及挑战

微网的最终目标是实现各种分布式能源的无缝接入并发挥其最大潜力。要实现这一目标需要很好地解决与微网相关的一系列关键技术，包括：规划设计、控制与保护、电能质量监测与治理、能量优化管理、能源系统信息-物理融合、智能化接入与需求互动响应、直流微网及多微网间直流互联等各个方面。

3.1微网规划设计

微网规划的目标是在满足用户对电、热、冷用能需求的前提下，合理地利用能源，特别是尽可能利用风、光等可再生能源，获得最佳的投资效益，保证微网安全、可靠、经济运行等。要实现含分布式可再生能源的微网优化规划设计，需要综合考虑多方面因素，尤其是：

（1）需要考虑微网中能源结构和运行方式，包括分布式可再生能源的电、热、冷生产灵活匹配与协调运行。

（2）需要考虑可再生能源波动性和间歇性，合理预测可再生能源生产，并规划能源互补能力及微网独立运行能力的保障等问题。

3.2微网运行控制与保护

实现微网与大电网的协调运行控制以及对大电网安全稳定的支撑，是微网区别于一般分布式可再生能源并网的重要技术特征。相对于常规电力系统而言，一方面，分布式可再生能源容量一般不大，采用电力电子装置的逆变方式并网，自身运行亦不稳定；另一方面，微网内的设备种类繁多，各类可再生能源运行特性不一、控制方式不同，导致微网的运行控制与保护问题比较复杂。

（1）电压和频率的稳定控制。可再生能源的并/离网、波动等都会造成微网电压波动，同时可再生能源大多为电力电子装置并网，导致系统惯性小，离网独立运行模式下频率变化迅速，因此如何保证系统在不同运行模式下电压和频率的稳定控制是微网内分布式电源协调运行控制的首要关键技术。

（2）故障下的运行模式无缝切换。部分微网具有联网运行和独立运行两种模式，需要重点解决在多类型分布式可再生能源接入下微网的故障快速检测、基于内外部故障信息的微网自动解列和无缝切换、微网再并网自同期技术。

（3）控制保护架构。目前国内外针对微网的控制保护架构提出了三种模式：对等控制模式、主从控制模式和基于多Agent代理的分层控制模式。现有的分布式可再生能源如光伏、风电等并网逆变器产品及相关技术尚不足以满足微网可靠灵活运行的要求，还需要更加具有针对性的研究和开发工作。

3.3微网的电能质量监测与治理

在微网中，间歇式电源的频繁启停和功率输出的变化，会给用户带来电压波动、闪变等电能质量问题；微网内的电源往往采用电力电子技术，会产生谐波污染；单相分布式电源和单相负荷的存在，增加了系统的三相不平衡水平。

目前用于治理微网电能质量的技术包括无源滤波器、静止无功补偿装置（SVC）等，随着高性能电力电子元件的出现以及微处理技术、信息技术、控制技术的发展，满足用户定制电力需求的电能质量治理技术还需要进一步发展。

3.4微网能量优化管理

微网集成了多种能源输入（太阳能、风能、生物质能等）、多种产品输出（冷、热、电等）、多种能源转换单元（燃料电池、微型燃气轮机、储能系统等），微网内能量的不确定性和时变性更强，需要全面利用各种控制和调节手段，实现对微网内能量管理与经济调度，提高微网整体运行效率。

微网能量管理系统主要有集中调度和分散控制两种模式。集中调度模式由上层中央能量管理系统和底层分布式电源、负荷等就地设备控制器组成，两层之间要求双向通讯。分散控制模式中，微网内能量优化的任务主要由分散的设备层控制器完成，每个设备层控制器的主要功能并不是最大化该设备的使用效率，而是与微网内其他设备协同工作，以提高整个微网的效能。集中调度模式技术上相对成熟，目前应用得也较为广泛，但距离真正实现微网运行的优化还有很大的挖掘潜力。

3.5微网能源系统的信息-物理融合

目前的分布式能源系统只是一个单一的能源生产系统，远远不能满足当下对物理设备可控制、可交互、可通信、可扩展等众多应用需求。尤其是微网中包含大量的太阳能发电、风力发电等可再生能源，使得其在电源侧和负荷侧的随机性、间歇性、波动性都远远大于传统配电网，传统的监测系统缺乏系统的感知能力且信息共享能力差，运行控制实时性也很难满足需要。因此，在环境感知基础上，将信息与计算嵌入微网能源，实现人、机、物互联互通与深度融合是微网能源系统的发展方向，而信息-物理融合系统（Cyber-PhysicalSystem,CPS）是其中最为关键的技术体系。信息-物理融合系统是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，核心概念是“3C”（Computation、Communication、Control），即将计算进程与物理进程良好地结合到一起，通过人机交互接口来实现与物理进程的交互，使用传感器网络以实时、可靠、远程、安全的方式监控一个物理实体的具体动作行为。

在信息物理融合系统的带动下，未来的微网将是一个综合计算、网络、能源和物理环境的多维复杂系统，通过计算、通信、控制技术的有机融合与深度协作，实现用户侧分布式能源系统及微网的实时感知、动态控制和信息服务。

3.6微网智能化接入电网及需求互动响应

开放互动是智能电网的重要特征之一，通过构建开放统一、竞争有序的电力市场体系，实现信息和电能双向互动，可以为用户提供参与多种类型互动的供用电新模式。智能电网与用户之间的互动主要方式之一是通过部署各类需求响应（DemandResponse,DR）项目来实现。需求侧响应作为用电环节与其他各环节实现协调发展、友好交互的关键支撑手段和重要方式，一方面能够使用户参与电网优化运行和优化能源配置，另一方面可以满足用户多样化的电力需求，提高用户体验。微网具有单独的能量管理系统，可以作为一个整体组织内部电力生产、传输、交易，因此微网的能力并不仅仅限于集成分布式能源和并网等功能，其一方面能够更好地自动化和智能化组织分布式能源以微网形式参与需求互动，另一方面能够为用户提供更加智能化的能源-用户服务。

3.7直流微网及多微网间直流互联

为与目前交流电网相适应，目前微网主要是交流供电方式，但是光伏等分布式能源大部分为直流形式，需要通过DC/AC变换环节接入交流微网，同时配电网中的电动汽车、LED照明、大量各类电子设备等直流负荷也逐渐占越来越大的比重。当采用直流微网集成可再生能源能源等分布式发电系统时，能够通过AC/DC或者DC/DC接入直流母线，与交流微网相比使得分布式发电单元更易于接入系统，不仅能够减小能量转换次数，而且降低了成本、提高效率。

除此之外，采用直流微网集成可再生能源分布式发电单元具有无需考虑频率、相位、集肤效应以及无功补偿设备等优势，而且控制结构更加简单。因此直流微网集成可再生能源的新型解决方案具有着重要的现实意义和广泛应用前景。

其关键技术主要包括：（1）可再生能源及储能系统直流并网变换器技术；（2）直流微网的运行控制和能量管理技术；（3）直流微网的故障保护技术；（4）微网多端直流互联技术。