微电网运行与发展研究
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[18]
。新
提出的微电网结构采用分层框架。其中大量 DER 单 元通过先进电力电子装置和控制设备被整合进三级 分层体系，见图 1。这种方式使微电源的整合和控制 更加灵活可靠， 能实现即插即用且不需信息交流。 先 进的电力电子接口和控制机构使每个等级相对于它 的上一等级都是一个独立的自控实体
[11]
。对于下降控制特性在传输线变为阻性时难以保
。仿真实验
证明这是一种有效整合不同种类微电源的方式[4]。
图 1 带有混合交直流连接的微电网
Fig.1 A Hierarchical Microgrid with both DC and AC Links
些理论还需要反复地探讨论证，并且需要精细的电 力电子器件支持。 1.3 微电网的能量管理 微电网能量管理系统（EMS）需要对发电机进
；基于功率管理系统的控制
[14]
[13]
；基于多代理
技术的微电网控制方法
。
分布式电源有 6 个控制参数，采用粒子群算法 可以通过自动迭代法找到最佳的控制参数[15]。微电 网是对分布式电源的系统操作，不仅满足了系统对 PQR 的需求，且由于并网逆变器的使用，微电网能 快速管理电力生产和生产负荷附近的无功功率并减 少损耗
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50677046)。 Foundation Item: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (50677046).
[1]
1 微电网基本概念
1.1 微电网的结构 美 国 电 力 可 靠 性 技 术 方 案 解 决 协 会 （ the
44
南方电网技术
第4卷
际构建适应本地条件的微电网，以解决复杂控制机 构和信息交流机制带来的不便，更好地发挥微电网 在电能质量和稳定性等方面的优势。 绝大多数运行中的微电网都是在一个等级上整 合不同的微电源 ，交流和控制装置很复杂
[4] [510]
性。孤岛模式下并联逆变器可以采用有功功率-频率 和无功功率-电压下降特性控制来适应微电网逆变 器需要的分散式运行，避免逆变器间相互交流[17]。 传统的频率电压下降控制易导致有功功率和无 功功率的联结，采用虚拟的频率电压控制结构可以 准确地分离有功和无功功率控制，提高系统稳定性
。文献[30]结合传统过电流保护，以零序、
负序电流分量作为主保护的动作值，取得了良好的 效果。文献[31]研制出微电网保护的硬件装置。文 献[32]提出了低压直流微电网的保护装置。 1.5 微电网经济性 微电网经济性包括用电经济性和发电经济性。
持有效性以及它在电压不平衡补偿方面的欠缺，使 用负序无功功率-负序电导下降控制方式， 可以有效 地减少负序线电压，使负序无功按比例分配，且将 分配误差控制在可接受的范围[19]。 目前发展最迅速的分布式电源是风能，如果控 制策略合适，双馈电感风机可以在不对电力电子硬 件大量花费的同时，提供所需的容量。双馈风机电 子逆变器提供的控制灵活性可以用来确定参与主频 控制和电压调整支持的不同控制策略，提高微电网 孤岛和自治模式的动态性能[20]。 关于微电网控制方面的研究很多，大量文献对 多种结构带有不同电源在不同电压等级下运行的微 电网提出了相应的控制方案，提出的大部分控制方 式都是实验室规模的，基于仿真平台的，还处于理 论研究的阶段。要在实际生产运行中开展应用，这
以及环境等多方面受益，希望配电网能够在有效的 调节和操作环境下，充分利用 DERs。微电网是欧 盟未来电网战略研究议程的重要组成部分[2]。 2.2 美国微电网研究现状 美国电力可靠性技术解决方案协会 CERTS 定
பைடு நூலகம்
该侧系统历来只有负荷。这个变化导致了明显的区 别： （1）电流可以从两个方向流过保护系统的灵敏 电流装置，而在大电网中，放射状的系统是没有双 向潮流的； （2）当微电网从联网转为孤岛时，短路 电流的大小产生了大的变化，而短路电流的大小也 因此， 保护必 是过电流保护装置重要的判断依据 。 须作为微电源的一部分，确保微电网在联网和孤岛 两种模式下任何故障发生时都能及时得到保护[27]。 保护需要快速故障检测，通过模拟分析微电网 逆变器故障行为能协助故障检测[28]。用中央能量存 储系统（调速轮）作为孤岛模式下主要故障电流源 能提供足够的故障电流，使系统保护装置有效清除 故障
[16]
。对分布式电源密集地采用电压和电流控
制结合的方式， 能适应微电网性能改变， 有利于能量 管理， 且不会在无功补偿和负载平衡方面产生不稳定
第5期
刘畅，等：微电网运行与发展研究
45
还能提高系统整体运行性能，延长电池寿命[26]。 1.4 微电网的保护 与电网不同， 微电网在用户侧增加了很多电源，
consortium for electric reliability technology solutions, CERTS）提出的微电网结构是目前世界最权威的微 电网结构，见文献[2]。它可作为独立可控负荷，有 独立的公共连接点 PCC，可以提供不同等级的电能 质量和可靠性（power quality and reliability，PQR） 。 线路 A 为敏感负荷，线路 B 为可调节负荷，关键负 荷支路装有静态开关，一旦电能质量或电压下降， 开关打开，电路运行在孤岛状态直至电能恢复。线 路 C 带可中断负荷，需要面对故障[3]。 现在多数示范点都是以该结构为基础，结合实
2010 年 第 4 卷 第 5 期 2010，Vol. 4，No. 5
南方电网技术 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY
分布式电源与微电网 Distributed Generation & Microgrid 文献标志码：A
文章编号：1674-0629(2010)05-0043-05
Research on Microgrid Operation and Development
LIU Chang1, YUAN Rongxiang1, LIU Bin1, 2, ZHAO Shuhua3, CHEN Jianfeng3, PENG Zhigang3, FANG Yongkang3
(1. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100085, China; 3. Jiangmen Bureau, Guangdong Power Grid Company, Jiangmen, Guangdong 529030, China) Abstract: Microgrid can reduce the need for traditional system expansion, control the daunting new challenge for operating created by a potentially huge number of DERs, and meet the high-level demand of power quality and reliability. This article illustrate the concept and architecture of microgrid, and then introduces the ongoing research, development, and demonstration efforts currently in progress in the world. On base of these, compared with China's actual conditions, the article analyze the development of Microgrid in China, and provide several advices. Key words: microgrid; distributed generation; development
[29] [4]
义微电网是由负荷和微型电源共同组成，可同时提 供电热；由电力电子器件负责其内部电源的能量转 换，并提供必要控制；微电网相对于外部大电网表 现为单一的受控单元，可同时满足用户对电能质量 和供电安全等方面要求[4]。 CERTS Microgrid 项目的重要产物，一是在佐治 二是在 亚理工学院发展的微电网分析工具 μGrid [39]； 伯克利实验室和全球范围内的其他 RD&D 设备中使 用的 DER-CAM ，即 Distributed Energy Resources Customer Adoption Model。 该模型是对微电网进行经 济设计的重要工具[40-41]。文献[41]将地理信息系统与 DER-CAM 模型结合起来， 采用就近组合原则形成用 户群，为实现良好的经济效益提供了现实基础。 2.3 日本微电网研究的现状 日本在当今世界微电网示范项目中占领先地
[12]
行实时的最优化调度使全局的能量消耗最小。EMS 的关键功能[2122]有：为每个微电源控制器提供各自 的功率和电压设置值；满足电热负荷的需求；满足 微电网与大电网间的运行条约；最小化排放和系统 损耗；最大化微电源运行效率；对事故期间微电网 孤岛与重并网提供逻辑和控制。 能量管理系统通过整合实时电价、环境和电热 需求预测等信息进行安排调度。 微电网中心控制器适 合在线应用[23]，可提前一天安排生产，但是难以应对 负载电力需求特别是电能生产的突然变化。将神经网 络应用到 EMS 中可以实现以小时为单位的发电最优 采用下降控制的能量管理系统可在稳 化全局预测[24]。 定区域寻找特定的下降特性组合实现最优化输出， 再 由最优化发电机调度算法提供所需电能， 减少微电网 运行花费[25]。对于光伏微电网，采用分布式智能能 量管理系统 DIEMS，不仅可减少微电网运行花销，
。新
提出的微电网结构采用分层框架。其中大量 DER 单 元通过先进电力电子装置和控制设备被整合进三级 分层体系，见图 1。这种方式使微电源的整合和控制 更加灵活可靠， 能实现即插即用且不需信息交流。 先 进的电力电子接口和控制机构使每个等级相对于它 的上一等级都是一个独立的自控实体
[11]
。对于下降控制特性在传输线变为阻性时难以保
。仿真实验
证明这是一种有效整合不同种类微电源的方式[4]。
图 1 带有混合交直流连接的微电网
Fig.1 A Hierarchical Microgrid with both DC and AC Links
些理论还需要反复地探讨论证，并且需要精细的电 力电子器件支持。 1.3 微电网的能量管理 微电网能量管理系统（EMS）需要对发电机进
；基于功率管理系统的控制
[14]
[13]
；基于多代理
技术的微电网控制方法
。
分布式电源有 6 个控制参数，采用粒子群算法 可以通过自动迭代法找到最佳的控制参数[15]。微电 网是对分布式电源的系统操作，不仅满足了系统对 PQR 的需求，且由于并网逆变器的使用，微电网能 快速管理电力生产和生产负荷附近的无功功率并减 少损耗
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50677046)。 Foundation Item: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (50677046).
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1 微电网基本概念
1.1 微电网的结构 美 国 电 力 可 靠 性 技 术 方 案 解 决 协 会 （ the
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南方电网技术
第4卷
际构建适应本地条件的微电网，以解决复杂控制机 构和信息交流机制带来的不便，更好地发挥微电网 在电能质量和稳定性等方面的优势。 绝大多数运行中的微电网都是在一个等级上整 合不同的微电源 ，交流和控制装置很复杂
[4] [510]
性。孤岛模式下并联逆变器可以采用有功功率-频率 和无功功率-电压下降特性控制来适应微电网逆变 器需要的分散式运行，避免逆变器间相互交流[17]。 传统的频率电压下降控制易导致有功功率和无 功功率的联结，采用虚拟的频率电压控制结构可以 准确地分离有功和无功功率控制，提高系统稳定性
。文献[30]结合传统过电流保护，以零序、
负序电流分量作为主保护的动作值，取得了良好的 效果。文献[31]研制出微电网保护的硬件装置。文 献[32]提出了低压直流微电网的保护装置。 1.5 微电网经济性 微电网经济性包括用电经济性和发电经济性。
持有效性以及它在电压不平衡补偿方面的欠缺，使 用负序无功功率-负序电导下降控制方式， 可以有效 地减少负序线电压，使负序无功按比例分配，且将 分配误差控制在可接受的范围[19]。 目前发展最迅速的分布式电源是风能，如果控 制策略合适，双馈电感风机可以在不对电力电子硬 件大量花费的同时，提供所需的容量。双馈风机电 子逆变器提供的控制灵活性可以用来确定参与主频 控制和电压调整支持的不同控制策略，提高微电网 孤岛和自治模式的动态性能[20]。 关于微电网控制方面的研究很多，大量文献对 多种结构带有不同电源在不同电压等级下运行的微 电网提出了相应的控制方案，提出的大部分控制方 式都是实验室规模的，基于仿真平台的，还处于理 论研究的阶段。要在实际生产运行中开展应用，这
以及环境等多方面受益，希望配电网能够在有效的 调节和操作环境下，充分利用 DERs。微电网是欧 盟未来电网战略研究议程的重要组成部分[2]。 2.2 美国微电网研究现状 美国电力可靠性技术解决方案协会 CERTS 定
பைடு நூலகம்
该侧系统历来只有负荷。这个变化导致了明显的区 别： （1）电流可以从两个方向流过保护系统的灵敏 电流装置，而在大电网中，放射状的系统是没有双 向潮流的； （2）当微电网从联网转为孤岛时，短路 电流的大小产生了大的变化，而短路电流的大小也 因此， 保护必 是过电流保护装置重要的判断依据 。 须作为微电源的一部分，确保微电网在联网和孤岛 两种模式下任何故障发生时都能及时得到保护[27]。 保护需要快速故障检测，通过模拟分析微电网 逆变器故障行为能协助故障检测[28]。用中央能量存 储系统（调速轮）作为孤岛模式下主要故障电流源 能提供足够的故障电流，使系统保护装置有效清除 故障
[16]
。对分布式电源密集地采用电压和电流控
制结合的方式， 能适应微电网性能改变， 有利于能量 管理， 且不会在无功补偿和负载平衡方面产生不稳定
第5期
刘畅，等：微电网运行与发展研究
45
还能提高系统整体运行性能，延长电池寿命[26]。 1.4 微电网的保护 与电网不同， 微电网在用户侧增加了很多电源，
consortium for electric reliability technology solutions, CERTS）提出的微电网结构是目前世界最权威的微 电网结构，见文献[2]。它可作为独立可控负荷，有 独立的公共连接点 PCC，可以提供不同等级的电能 质量和可靠性（power quality and reliability，PQR） 。 线路 A 为敏感负荷，线路 B 为可调节负荷，关键负 荷支路装有静态开关，一旦电能质量或电压下降， 开关打开，电路运行在孤岛状态直至电能恢复。线 路 C 带可中断负荷，需要面对故障[3]。 现在多数示范点都是以该结构为基础，结合实
2010 年 第 4 卷 第 5 期 2010，Vol. 4，No. 5
南方电网技术 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY
分布式电源与微电网 Distributed Generation & Microgrid 文献标志码：A
文章编号：1674-0629(2010)05-0043-05
Research on Microgrid Operation and Development
LIU Chang1, YUAN Rongxiang1, LIU Bin1, 2, ZHAO Shuhua3, CHEN Jianfeng3, PENG Zhigang3, FANG Yongkang3
(1. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100085, China; 3. Jiangmen Bureau, Guangdong Power Grid Company, Jiangmen, Guangdong 529030, China) Abstract: Microgrid can reduce the need for traditional system expansion, control the daunting new challenge for operating created by a potentially huge number of DERs, and meet the high-level demand of power quality and reliability. This article illustrate the concept and architecture of microgrid, and then introduces the ongoing research, development, and demonstration efforts currently in progress in the world. On base of these, compared with China's actual conditions, the article analyze the development of Microgrid in China, and provide several advices. Key words: microgrid; distributed generation; development
[29] [4]
义微电网是由负荷和微型电源共同组成，可同时提 供电热；由电力电子器件负责其内部电源的能量转 换，并提供必要控制；微电网相对于外部大电网表 现为单一的受控单元，可同时满足用户对电能质量 和供电安全等方面要求[4]。 CERTS Microgrid 项目的重要产物，一是在佐治 二是在 亚理工学院发展的微电网分析工具 μGrid [39]； 伯克利实验室和全球范围内的其他 RD&D 设备中使 用的 DER-CAM ，即 Distributed Energy Resources Customer Adoption Model。 该模型是对微电网进行经 济设计的重要工具[40-41]。文献[41]将地理信息系统与 DER-CAM 模型结合起来， 采用就近组合原则形成用 户群，为实现良好的经济效益提供了现实基础。 2.3 日本微电网研究的现状 日本在当今世界微电网示范项目中占领先地
[12]
行实时的最优化调度使全局的能量消耗最小。EMS 的关键功能[2122]有：为每个微电源控制器提供各自 的功率和电压设置值；满足电热负荷的需求；满足 微电网与大电网间的运行条约；最小化排放和系统 损耗；最大化微电源运行效率；对事故期间微电网 孤岛与重并网提供逻辑和控制。 能量管理系统通过整合实时电价、环境和电热 需求预测等信息进行安排调度。 微电网中心控制器适 合在线应用[23]，可提前一天安排生产，但是难以应对 负载电力需求特别是电能生产的突然变化。将神经网 络应用到 EMS 中可以实现以小时为单位的发电最优 采用下降控制的能量管理系统可在稳 化全局预测[24]。 定区域寻找特定的下降特性组合实现最优化输出， 再 由最优化发电机调度算法提供所需电能， 减少微电网 运行花费[25]。对于光伏微电网，采用分布式智能能 量管理系统 DIEMS，不仅可减少微电网运行花销，
