微电网规划研究综述

徐迅，高蓉，管必萍，周江昕，程浩忠，冯露，龚小雪

（1.电力传输与功率变换控制教育部重点实验室（上海交通大学），上海200240；2.上海市电力公司市区供电公司，上海200080；3.上海市电力公司松江供电公司，上海201600；4.国家电网西北规划评审中心，陕西 西安 710065）

随着经济发展，电力需求增长迅速，当前的电网已无法满足用户越来越高的安全性、可靠性和多样化的供电要求。此外，煤炭、石油等传统能源是不可再生的，储量有限，现在又遇到节能减排的需求，而分布式发电可靠性高、能源利用效率高、安装地点灵活，成为解决上述问题的有效途径。但分布式发电单机接入成本高，且对大电网来说是不可控的，直接接入电网还存在诸多问题。在这种背景下，提出了微电网的概念[1-9]。本文给出了美国电气可靠性技术协会关于微电网的定义，总结了微电网的典型结构，介绍了微电网规划的体系和算法，并重点探讨了微电网规划中待研究的问题。

1 微电网的概念

美国电气可靠性技术协会（CERTS，Consortium for Electric Reliability Technology Solutions）最早给出了微电网的定义[1]：微电网由负荷和分布式电源组成，为用户提供电能和热能；其内部采用先进的电力电子器件实现能量转换和系统控制；微电网对外是可控的，对内可以更好地满足用户的各种电力要求。

2 微电网的结构

文献[10-15]介绍了美国CERTS提出的微电网基本结构，其中展示了光伏发电、微型燃气轮机等多种分布式电源形式，并示范了对有不同供电要求用户的供电方案。文献[16]给出了考虑不同负荷类型的微电网结构，在该结构图中，商业用电采用光伏发电供电，居民公寓用电采用燃料电池、燃气轮机或风力机供电，个别居民用户还安装了蓄电池。文献[17]给出的微电网结构通过把分布式电源和负荷组合成微电网，来有效降低分布式发电直接接入电网带来的不良影响。文献[18]介绍了欧洲R&D微电网项目中采用的微电网结构，它包含一个低压网络、负荷、可控或不可控的微电源和储能设备，并通过一套分级管理控制方案来调控微电源和负荷。文献[19-22]给出了含热电联产系统的微电网结构，用于确定微电网中每种设备的数目和容量，进而对微电网进行经济性评估。文献[23-24]显示了含2种类型微电网的多微电网结构：公共微电网和工业/商业微电网，2种微电网在大小、供电范围等方面存在一定差异。文献[25]所示微电网结构采用光伏发电作为主要微电源，远景规划增加一台微型燃气轮机。文献[26]探讨了微电网与大电网的互连结构、多个微电网间的互连结构，并分别评估其供电稳定性。

目前，虽然国际上微电网种类、结构繁多，但其本质相似，均是包含有多个分布式电源和储能系统，联合向负荷供电，整个微电网对外是一个整体，通过一个PCC和上级电网变电站相联。从用户负荷侧来说，微电网可以看成一个自治的电力系统，它可以满足用户对电力质量和可靠性的要求；从大电网侧来看，微电网和电网中发电机或负荷一样，是一个模块化的整体。

3 微电网规划体系

3.1 微电网孤岛规划

Joydeep Mitra等人[27-30]研究了微电网中分布式电源的选址定容优化问题，在约束条件中加入可靠性指标约束，采用智能算法实现了分布式电源位置和容量的优化。文献[31]介绍了AHP方法在孤岛微电网规划中的应用，如确定微电网的结构、微电网中分布式电源的组合、切负荷位置等。文献[32]以加拿大Ontario地区的一个电网为案例，考虑该地区的风能和太阳能资源，从经济性、灵敏度和环保的角度规划微电网。Hiroshi Asano等人[19，21]探讨了确定微电网中各种设备数目和容量的方法，分析了基于CHP的微电网的能量优化，并探讨了微电网的经济可行性以及作为快速备用的可行性。文献[33]研究了含分布式电源的孤立系统的电网规划方法，建立了分布式电源的经济模型。

国外已经开展了大量微电网自身规划的研究工作，对分布式电源的选址定容、微电网容量的确定，以及考虑经济性、可靠性和环境效益的规划方法等都进行了深入的研究，并取得了一定的成果。而我国对微电网的研究还处于起步阶段，目前的研究主要体现在对孤立系统中分布式电源的规划上，还没有形成系统的研究体系。

3.2 微电网并网规划

文献[34]探讨了微电网接入配电网的不同网络结构，并对其进行可靠性和经济性分析，得出微电网的接入可以提高系统可靠性和简化配电网结构的结论。文献[35]分析了微电网接入对配电网可靠性、电能质量以及扩展规划等的影响，并提出了微电网的设计理念。国外目前对微电网接入配电网的研究主要关注微电网的运行与控制，对规划方面的研究还比较少，主要集中在经济性可靠性分析以及微电网对配电网的影响探讨方面。

我国对微电网接入配电网的规划研究也还处于起步阶段，主要体现在对分布式发电和储能设备的规划研究上。文献[36]研究了分布式电源加入辐射型配电网后负荷电压的变化，并对分布式电源的可选接入点及容量进行了探讨。文献[37]以网损最小化为目标对分布式电源的位置和容量进行优化。文献[38]介绍了2种分布式发电技术，并从保证重要负荷供电的角度，研究分布式电源的规划问题。文献[39]考虑分布式电源的经济性和环保效益，衡量分布式电源的并网运行价值并以此指导规划。文献[40]考虑了分布式电源对配电网潮流和线路负载能力的影响，对分布式电源的位置和容量进行优化，并规划扩展网络。文献[41]以网损最小、分布式电源运行成本最小、分布式电源安装容量最大为目标函数建立了计及分布式发电的配电网规划多目标优化模型。

4 微电网规划算法

4.1 传统算法

传统算法主要有传统启发式算法如逐步加线法、传统数学优化算法如分支定界法和动态规划法[27]等。传统启发式算法是早期求解网络规划问题时的常用方法，其原理简单、求解速度快，但精度较差，并且很难考虑分布式电源的随机性等不确定因素，在微电网规划中应用较少；传统数学优化算法具有严格的理论基础，能够求得规划模型的全局最优解，但随着网络规划的增大，其计算速度也呈级数降低，因此该方法主要适用于中小规模的微电网规划。

4.2 智能算法

智能算法主要包括遗传算法[40]、模拟退火算法[30，40]、粒子群算法[37，41]等。智能算法的思想源于生物学、物理学和人工智能领域的新发现，其优点是对不同规划模型的适应性好且实现过程简单，特别适用于求解非线性组合优化问题。随着智能算法的发展，大部分智能算法都得到了改进，或多种智能算法混合使用，以弥补各个算法的缺陷，并充分发挥其优势。

微电网规划需要充分考虑分布式电源的不确定性，规划模型约束条件较多，传统算法实现起来可能比较困难，因此目前微电网的规划研究主要采用智能算法求解。

5 微电网规划研究展望

目前国际上对微电网规划的研究均不完善，还有很多待研究的问题没有涉及到或研究较少。本文认为，在微电网规划研究中，以下几个方面应得到足够的重视。

1）适合多微电网接入的配电网结构研究。配电网有多种结构，而不同的配电网结构对微电网的接纳能力是不同的。微电网在不同配电网结构中的渗透率水平研究极具有理论价值和工程意义。同时，微电网接入不同的配电网结构对配电网经济性、可靠性、电能质量等的影响也不同。如何确定哪种结构适合微电网的接入是微电网规划中很值得探讨的课题。合理规划、设计的含微电网的配电网结构能够提高分布式电源的利用效率，提高网络运行的经济性、安全性和对重要负荷供电的可靠性。当前，上海交通大学、天津大学等高校正在进行相关的研究，研究表明，微电网接入相对简单的配电网结构，例如辐射型结构，对可靠性等的提高更加显著，并且在考虑可靠性效益、环保效益后，经济性也有所改善。

2）微电网的等效研究。微电网通过一个公共连接点与配电网连接，在规划过程中，微电网将作为一个整体进行规划。微电网中同时含有负荷和分布式电源，以及一些控制设备，如何将规划中需要的微电网特性描述出来，对其进行合理等效，是微电网并网规划的关键。

3）微电网与配电网的协调规划。在特定的配电网结构下，研究微电网最佳的接入点、容量以及加入微电网后网络的最优布线方式。微电网接入点、容量不同，对配电网的可靠性等影响也不同；对配电网布线进行优化，可以最大限度地优化整个网络的经济性和可靠性，充分发挥微电网接入配电网的效能。作为微电网规划的核心问题之一，该问题的解决是实现微电网概念在配电网中应用的最有效途径。

4）微电网的结构研究。目前很多国家或研究机构都提出了自己认可的微电网结构，但正如微电网的定义尚未统一一样，这些结构也存在差别。目前还没有相关的研究使之形成系统的结构体系，这一工作的开展无疑能帮助更好地理解微电网的概念，并对后续的规划研究，尤其是微电网的等效不无裨益。

5）微电网中DG选址定容研究。微电网中既可能包含冷/热/电联供微型燃气轮机等易于控制的电源，也可能包含如风力发电、光伏发电等具有间歇性和不易控制的电源。不同DG对位置和容量的选择有不同的要求，在进行选址定容时，需要充分考虑这些约束条件。同时，由于微电网本身具有的特点，如保证重要负荷的可持续供电、可孤岛运行等，在进行DG的选址定容时，同样需要考虑在内，根据微电网的特性确定最优的DG选址定容方案。

6）微电网规划相关课题的研究。除了上述几点外，对微电网评价体系的研究也是未来研究的重要方向，包括经济性、可靠性和电能质量评价等。微电网尚未在实际中广泛采用和验证，其对配电网的影响还无法估计。为了保证电网的安全稳定，需要评估微电网接入配电网后的各项评价指标，并据此设立专门的微电网标准。

6 结语

微电网能够实现分布式电源在中低压配电网络中的大规模接入，提供了一种充分利用分布式发电单元的理念和方法，是发挥分布式发电供能系统效能的最有效方式。目前微电网规划在我国的研究还处于起步阶段，还存在很多待研究和解决的问题，如微电网负荷预测、适合微电网接入的配电网结构等。本文介绍了微电网的概念和结构，概述了微电网规划的体系和算法，并重点分析了微电网规划中待研究的问题，为未来相关课题的研究奠定了基础。

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