智能微电网发展态势及投资重点

■ 文 /平 帆

智能微电网技术是新型电力电子技术、分布式发电技术、热电冷联产技术以及储能技术的综合应用。其具有如下主要特点：（1）智能微电网中的电源大多是混合的，一般包括多个分布式发电（Distributed Generation，DG），如光伏电池（PV Panel）、燃料电池（Fuel cell）、风力发电（Wind Generator）、生物质能（Biomass Energy）、微型燃气轮机（Microturbine）等，可以减少环境污染，提高能源利用效率，符合电力可持续发展要求；（2）当主网发生故障或扰动后，智能微电网可以从并网运行模式转换为孤网运行模式，能实现即插即用和无缝切换，具有独立运行能力，充分利用DG发电能力继续向重要负荷供电，提高向用户供电的可靠性。智能微电网不仅解决了DG大规模并网的问题，还发挥了它的效能，是能源互联网的基础，将促进能源互联网在需求侧应用的落地。

智能微电网技术体系

智能微电网技术主要包括微电源、储能元件、能量管理和控制系统、负荷等几大部分。微电源包括传统电源（如汽油机发电、柴油机发电、蓄电池等）和可再生能源（微风力发电、太阳能电池、燃料电池、生物质发电等）。控制设备包括中央控制设备、本地控制设备（电存储设备、热存储设备、电力电子装置等）。负荷有普通负荷和特殊负荷，当有紧急事件发生时，智能微电网可以根据需要甩掉普通负荷，从而保证特殊负荷的用电供应。

当然，智能微电网并不一定由上述提到的全部部件组成，可能是其中的一部分。但是，智能微电网的结构决定了智能微电网的性能及其运行的好坏。一般来说，一个成功的智能微电网应该是本地化的、分布式的、高度自动化的及环境友好的小型电网体系。

国内外智能微电网发展态势

●国外

作为一个新的技术领域，智能微电网在各国的研究和发展呈现不同的特色。

智能微电网技术体系结构

美国最早提出了智能微电网的概念，并由国家电力集团、伯克利劳伦斯国家实验室等研究机构组成美国电力可靠性技术合作组织（Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS），在美国能源部和加利福尼亚州能源委员会等的资助下，对智能微电网技术开展了专门的研究。CERTS定义的智能微电网提出了一种与以前完全不同的分布式电源接入系统的新方法，当主电网发生故障时，微电网可与主电网无缝解列或成孤岛运行，一旦故障去除后又可与主电网重新连接。

欧洲提出要充分利用分布式能源、智能技术、先进电力电子技术等实现集中供电与分布式发电的高效紧密结合，并积极鼓励社会各界广泛参与电力市场，共同推进电网发展。目前，欧洲已初步形成了智能微电网的运行、控制、保护、安全及通信等理论，并在实验室微电网平台上对这些理论进行了验证。其后续任务将集中于研究更加先进的控制策略、制定相应的标准、建立示范工程等。

日本立足于国内能源日益紧缺、负荷日益增长的现实背景，开展了智能微电网研究，但其发展目标主要定位于能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力需求。值得关注的是，由日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）主持的智能微电网示范项目是由政府投资，日本电报电话公司（NTT）、东芝等企业参与。整个项目早在20世纪90年代末即开始启动，全套项目分多地点、多阶段，从不同角度全面验证各种智能微电网技术。例如，全面比较市面上不同厂家太阳能电池板的发电效果，及其倾斜角度等条件的影响；第一次进行大功率（400千瓦）储能变流器（PCS）的大电网并网冲击性测试；对风力发电、光伏发电、大电网以及储能设备的功率比例关系等进行比较。这一项目的建设模式对我国智能微电网发展具有重要的启发意义。

●国内

我国在可再生能源综合利用方面，微电网变流器、控制器等设备技术水平和世界同步，多能互补独立微电网系统示范规模世界领先。我国在可再生能源和电力行业的很多公司进行了研究部署，建立了多个示范系统。在国家863计划、科技支撑计划支持下，我国重点在边远地区、沿海岛屿建立了一批示范系统：建成世界第一个且海拔最高的青海玉树10兆瓦级水、光、柴、储互补微电网示范工程；建立了浙江东福山岛、鹿西岛、南麂岛等3座兆瓦级风、光、柴、储互补微电网，浙江摘箬山岛风、光、海流能、储互补微电网，广东珠海2座兆瓦级风、光、波浪能、柴、储互补微电网，山东即墨大管岛波浪能、风、光互补发电系统等示范工程；正在建设的青海兔尔干兆瓦级可再生能源冷热电联供新型农村社区微电网；在南极地区，我国中山站正在开展风、光互补供电的探索和尝试。

综合起来看，中国的智能微电网按照其运行特点主要分为3种典型类型（参见表“中国智能微电网的建设特点”）。

然而，我国的智能微电网在实际应用上还存在诸多挑战。

首先，目前国内尚无统一、规范的智能微电网体系技术标准和规范，很大程度上影响了智能微电网技术的研究和示范工程的建设。智能微电网建设、运营模式与目前电力法规还存在一定的冲突，国家相关政策尚不明晰，已成为智能微电网未来发展的主要障碍。

其次，智能微电网中关键设备如储能变流器、并网接口、协调控制器、继电保护及自动化设备还不够完善，在国家层面还缺乏统一的技术标准，特别是智能微电网中多种接口形式电源协调稳定运行技术还有待进一步的研究和深入的实验验证。

第三，智能微电网技术的发展与先进的电力电子技术、计算机控制技术、通信技术紧密相关。但是，国内电力电子技术在智能微电网中的应用水平不高。智能微电网中使用大量的电力电子装置作为接口。一方面，电力电子装置的可控性有潜力为用户提供更高的电能质量；另一方面，电力电子装置使智能微电网内的分布式电源相对于传统大发电机惯性很小或无惯性，在能量需求变化的瞬间分布式电源无法满足其需求，所以智能微电网通常需要依赖储能装置来达到能量平衡。另外，基于电力电子器件的本身电气特性和控制特点，通过逆变器接口的电源过载能力低，故障特性与旋转发电设备具有明显不同，从而使智能微电网运行及故障特性与传统电网有明显区别，增加了继电保护及自动化控制等方面的配置难度。

中国智能微电网的建设特点

此外，智能微电网的保护控制技术尚不成熟。

智能微电网的研究热点

●智能微电网运行控制技术

智能微电网的运行控制技术是智能微电网研究领域中最为关键的技术之一。智能微电网控制的基本要求是：任一微电源的接入，不对既有的智能微电网系统造成明显影响；能够协调智能微电网的发电出力与负荷，自主选择运行点；能够稳定地在并网和孤网两种模式下运行，并在两种模式之间平滑切换；可以对有功、无功进行独立控制；具有自主校正电压跌落和系统不平衡的能力。目前，智能微电网已经形成三类经典的控制方法：基于电力电子技术“即插即用”和“对等”概念的控制方法，基于能量管理系统的控制，以及基于多代理技术的微电网控制。欧洲在2005年提出了智能微电网逆变电源的控制策略：PQ（定功率）控制策略和VSI（电压源型逆变器）控制策略。经过近几年的发展，VSI控制策略逐步由单台VSI发展为多台VSI，即提供参考电压和频率的逆变电源由一台变为多台，从而进一步提高了智能微电网接入大电网的安全性和可靠性。

学术界已提出的智能微电网控制架构主要有两类：一类是以欧盟ICROGRIDS项目提出的微电网中央控制器（MGCC）为代表的主从控制，可以是单主或多主模式；另一类是以美国CERTS微电网为代表的对等控制，各微源处的控制器都能响应系统负荷需求并自动分摊且无须借助和其他微源间的通信。当前，主从控制的研究主要围绕MGCC为核心的控制体系展开，如将模糊理论用于微源本地控制器的设计、将最小化势函数法用于MGCC的设计等。对等控制的研究重点是对传统下垂控制器进行改进，如针对低压线路呈阻性的特点，有学者提出了基于虚拟同步旋转轴的解耦控制策略。

●智能微电网的稳定性

当前，对智能微电网稳定性的研究多集中于小扰动稳定性分析，研究手段大多为用状态空间法对智能微电网系统建模，在平衡点处线性化后求出状态矩阵的特征根来进行稳定性判定，并由此衍生出基于概率理论的稳定分析算法，如点估计法。此外，现有研究大多针对智能微电网自身稳定性而未涉及智能微电网与配网稳定性的相互影响。

●智能微电网的建模仿真

智能微电网的建模仿真主要集中于微源本体建模和逆变器等电力电子接口建模。从工具上来看，以MATLAB/Simulink和PSCAD/EMTDC为主。也有学者从较新的视角针对智能微电网某一专题采用多学科手段建模，如将风电、光伏出力用概率分布进行表征，并采用蒙特卡罗法对智能微电网供电可靠性进行分析。借助负荷建模理论，利用元件的相似性对智能微电网整体建模，也是一种新颖的研究思路。

●智能微电网的继电保护

智能微电网保护的研究源自对DG保护的研究。由于仅为少数DG保护进行分散投资，无论是从成本还是保护配置维护上而言并不经济。因此，更好的解决方案是将众DG构成微电网，并视作整体来进行保护设计。智能微电网保护的研究趋势包括：在传统方法上融入人工智能技术和新型暂态保护原理，以提高保护对方向信息的敏感性；基于分层分区或多代理思想的多级保护体系设计；直流智能微电网保护设计。

智能微电网的投资热点

●新能源/可再生能源发电

目前，智能微电网主要以多种可再生能源为主，电源输入主要为光伏、风力、氢、天然气、沼气等多种成熟发电技术。基于新能源的智能微电网技术成为投资的关注热点，一是因为国家和地方推进新能源领域的优惠政策；二是新能源的成本近年来持续走低，产业化前景看好。

●储能

储能是智能微电网中不可缺少的一部分，它能够起到削峰填谷的作用，极大地提高间歇式能源的利用效率。现在的储能主要有蓄电池储能、飞轮储能、超导磁储能、超级电容器储能。目前，较为成熟的储能技术是铅酸蓄电池，但有寿命短和铅污染的问题。未来，高储能、低成本、优质性能的石墨烯电池市场化将给储能行业带来春天。储能技术目前发展成本高，世界各国都在攻关这项技术，但都有一个共同目的，那就是实现“低成本+高储能”。

●智能微电网能量优化调度

与传统电网调度系统不同，智能微电网调度系统属于横向的多种能源互补的优化调度技术，可充分挖掘和利用不同能源直接的互补替代性，不仅可以实现热、电、冷的输出，也可以实现光/电、热/冷、风/电、直流/交流的能源交换。各类能源在源—储—荷各环节的分层有序梯级优化调度，达到能源利用效率最优。

●智能微电网保护控制

智能微电网中有多个电源和多处负荷，负载的变化、电源的波动都需要通过储能系统或外部电网进行调节控制。这些电源的调节、切换和控制就是由智能微电网控制中心来完成的。智能微电网控制中心除了监控每个新能源发电系统、储能系统和负载的电力参数、开关状态和电力质量与能量参数外，还要进行节能和电力质量的提高。

智能微电网是目前发展较快的新型网络结构，智能微电网和大电网进行能量交换，双方互为备用，是实现主动式配电网的一种有效方式，从而提高了供电的可靠性。智能微电网的悄然兴起将从根本上改变传统电网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方面具有巨大潜力。目前，微电网技术已经成为电力系统改革的新方向，市场化的进程中必然会加快关键设备的性能。