国内外微型电网研究状况

国内外微型电网研究状况

西安交通大学 电气工程学院 卓放

2012.06.01

主要内容

1. 2. 3. 4. 研究背景 微网联网方式 微型电网主要关键技术 国内外研究现状

1、研究背景

1、研究背景

一、研究背景

能源是经济和社会发展的重要物质基础，电力作为最清 洁便利的能源形式，是国民经济的命脉。 世界能源消费剧增，煤炭、石油、天然气等不可再生能 源资源消耗迅速，生态环境不断恶化，特别是温室气体 排放导致日益严峻的全球气候变化，社会的可持续发展 受到严重威胁。 可再生能源发电已经成为电力系统发展的重要推动力， 是智能电网的重要组成部分，并将在未来电力系统中扮 演越来越重要的角色。 世界各国纷纷开始关注环保、高效和灵活的发电方式— —分布式发电(Distributed Generation，DG)。

一、研究背景

分布式发电：指利用各种可用和分散存在的能源，包括 可再生能源(太阳能、生物质能、小型风能、小型水能、 波浪能等)和本地可方便获取的不可再生燃料(主要是天 然气) 进行发电供能的技术。 分布式发电一般是指将相对小型的发电装置（一般50 MW以下）分散布置在用户、负荷现场邻近地点，从而 实现发电供能的方式。 分布式发电的特点：具有位置灵活、分散，极好地适应 了分散电力需求和资源分布，延缓了输配电网升级换代 所需的巨额投资；与大电网互为备用，也使供电可靠性 得以改善；一般还具有污染少、能源利用效率高的优势。

一、研究背景

尽管分布式发电优点突出，但也存在诸多问题： 分布式电源单机接入成本高，控制困难； 分布式电源相对大电网来说是一个不可控源，大系统 往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以减小 其对大电网的冲击。 当电力系统发生故障时，分布式电源往往都须在第一 时间退出运行，这就大大限制了分布式发电效能的充分 发挥。 为协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布 式电源为电网和用户带来的价值和效益，提出了微网 （Microgrid）的概念。

一、研究背景

微网也被称为分布式能源孤岛系统，将发电机、 负荷、储能装置及控制装置等系统地结合在一起， 形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能 和热能。 微网中的电源多为微电源，亦即含有电力电子界 面的小型机组（小于100kW），包括微型燃气轮 机，燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、 蓄电池等储能装置。 微网接在用户侧，具有低成本、低电压、低污染 等特点。

一、研究背景

微网相较于传统发电系统的优点主要有以下4个方 面：

（1）微网解决了大规模分布式电源（DG）的接入问题， 减

少单个分布式电源可能给电网造成的影响，实现不同 DG的优势互补，有助于能源优化利用。

（2）微网灵活的运行模式，提高了用户侧的供电可靠性。 用户侧负荷，按重要性程度可分为普通负荷、重要负荷； 当外电网发生较严重的电压闪变及跌落时，可以根据负 荷的重要性等级，通过固态开关将重要负荷隔离起来孤 岛运行，保证局部供电的可靠性。

微网相较于传统发电系统的优点

（3）可以减少大发电站的发电备用需求，并通过 缩短发电厂与负荷间的距离，可以降低输电损 耗和因电网升级而增加的投资成本。 （4）对用户来讲，广泛使用微网可以降低电价， 获得最大限度的经济效益。例如，利用峰谷电 价差，峰电期，微网可以向电网输送电能，以 延缓电力紧张，而在电网电力过剩时可直接从 电网低价采购电能。

能源需求

分布式发电

微网技术

环境保护和能源需求 双重压力，使可再生 能源发电成为电力系 统发展的重要推动力， 是智能电网的重要组 成部分。

分布式发电对环境污染少 能就地消化电力，节省输 变电投资和费用。但分布 式发电不可控性和随机波 动性，未解决大规模并网 问题等；

微网可孤岛或并网运行， 能够提高用户侧的供电可 靠性和分布式能源利用率 减少对大电网冲击，具有 很好的经济和社会效益。

1. 2. 3. 4.

研究背景 微网联网方式 国内外研究现状 863项目介绍

二、微网联网方式

三种方式

1、交流微网 2、直流微网 3、交、直流混合微网

二、微网联网方式

（1）交流微网 交流微网是微网的主要形式，典型结构如图。

交流微网中，DG、储能装置等均通过电力电子装置连接至交 流母线，通过对公共联结点(PCC端口)处开关的控制，可实现 微网并网运行与孤岛运行模式的转换。

燃机

400V

AC AC

光伏 DC AC

蓄电池 储能 DC AC

配电网

20kV

PCC AC DC 飞轮 储能 AC DC PV AC AC 风机 AC DC 燃料 电池

一般负荷

二、微网联网方式

交流微网的优点： （a）交流微网不需要采用昂贵的换流站，不 存在换流时产生的谐波电流电压影响； （b）有电流的自然过零点，灭弧容易。 交流微网的缺点： 交流微网存在系统稳定问题，短路电流幅值 具有随机性，有无功损耗和集肤效应等。

二、微网联网方式

（2）直流微网

典型结构如图

其特征是系统中的DG、储能装置、负荷等均通过电力电子变换装 置连接至直流母线，直流网络再通过逆变装置连接至外部交流电网。 直流微网通过电力电子变换装置可以向不同电压等级的交流、直流 负荷提供电能，DG和负荷的波动可由储能装置在直流侧补偿。

单相交流母线 配电网 AC 直流母线 DC AC 交

流 储能 DC DC 直流 储能 DC AC DC 三相交流母线 AC DC

DC AC 交流 DG

DC DC 直流 DG

DC DC 直流负荷

二、微网联网方式

直流微网的优点：

（a）DG 控制只取决于直流电压，无需考虑各DG之间的同步问题， 微网的DG 较易协同运行，在环流抑制上更具优势； （b）只有与主网连接处需要使用逆变器，系统成本和损耗大大降 低。

直流微网的缺点：

（a）不能用变压器改变电压等级，换流站设备昂贵； （b）换流装置消耗大量无功功率，换流装置运行时在交流或直流 侧会产生谐波电流电压，换流装置几乎没有过载能力; （c）缺乏高压直流开关，直流系统无电流过零点，灭弧困难。

二、微网联网方式

（3）交直流混合微网

鉴于以上交、直流微网各自优缺点，随着电力 电子技术的不断成熟以及分布式能源的特点及负荷 需求，交直流混合微网开始受到关注。 （a）分布式电源以交流、直流形式产生电能。

如光伏发电和燃料电池发电以直流形式产生电能，燃 汽轮机、风力发电以交流形式产生电能，使用交直流混合 微网，可以减少AC/DC或DC/AC等变换环节，减少电力电 子变换装置，提高系统的可靠性。

（b）电力储能以交流、直流形式产生电能。

如电池储能和超导储能以直流形式储存电能，飞轮储 能、蓄水储能以交流形式产生电能，使用交直流混合微网 提高系统的效率和技术经济指标。

二、微网联网方式

（c）负荷类型多样，有交流和直流负荷。

有些负荷只能交流供电，如荧光灯、电动机；有些负荷交直 流供电均可，采用直流供电更方便。如计算机、家用电器、开关 电源、通信设备和电动汽车等或者采用直流供电，或者具备直流 环节。采用交直流混合微网供电的形式，可以减少变频装置。

（d）微网中的直流系统没有无功问题，损耗减少，电压 易控。

直流系统中不存在无功电流分量，在输送同样的有功功率情 况下，与交流系统相比，直流系统电流幅值较小，相应地损耗较 少。

（e）交直流混合微网结构简单，省略了许多变换环节， 切换更容易，具有控制灵活、损耗较低，可靠性高等优 点。

三、微型电网主要关键技术

微网规划设计和系统仿真； 微网的运行控制和能量管理； 故障诊断和系统保护； 交直流混合微网的混合型直流断路器； DC/DC能量双向电力电子变换器； 交直流混合微网的电网互联变流器； 关键设备的工程示范。

三、微型电网主要关键技术

1、微网规划设计和系统仿真

交直流微网电压等级序列； 交直流网络结构设计； 电源、储能及其变换装置的配置与优化； 交直流微网的工程经济分析； 微网系统建模； 可靠性及稳定性仿真

分析； 控制策略、故障诊断和保护策略及交直流混合微 网网络重构策略仿真。

三、微型电网主要关键技术

2、微网运行控制与能量管理

系统运行模式分析； 分布式和集中式相结合的自组织协调控制策略； 预测性能量管理优化算法； 多模式切换控制； 运行控制与能量管理系统构建和实现。

三、微型电网主要关键技术

3、微网故障检测及故障保护

故障特征及传播特性； 故障快速检测算法； 系统保护策略。

4、微网混合型直流断路器

混合型直流断路器拓扑与实验论证； 直流电路中，短路电流开断能力，发热、散热和 功率损耗，过电压，短路故障,机械开关快速动 作操动机构。

三、微型电网主要关键技术

5、DC/DC能量双向电力电子变换器

DC/DC变换器拓扑及示范应用 微网中DC/DC变换的基本控制方法研究； 微网中DC/DC变换器工作效率研究； 6、交直流混合微网的电网互联变流器 混合微网的电网互联变流器新型拓扑与仿真； 调制方法；能量综合管理与实时控制技术，可靠 运行与冗余技术， 模块单元电压均衡机理建模与控制策略； 工艺、制造、试验、标准等工程化技术。

三、微型电网主要关键技术

交直流混合微网技术及关键设备的工程示范 基于工程实现交直流混合模式的微网运行控 制和能量管理系统、关键设备、技术与方法的 综合验证，通过工程的现场演示体现交直流混 合微网技术在提高微网安全性、可靠性、保障 关键负荷供电等方面的示范作用； 开展包括微网系统中的各种软、硬件平台， 综合控制与保护设备等在内的交直流混合微网 控制技术装备性能测试。

四、国外研究现状

微电网作为对单一大电网的有益补充，其 广泛应用的潜力巨大。 目前，世界上一些主要发达国家和地区， 如美国、欧盟、日本等，都已开展了对微 电网的研究，其他国家如加拿大、中国、 韩国等也都开始涉及。

国外研究现状-美国

美国最早提出了微电网概念，近年来，其微 电网研究一直在有条不紊地进行。 美国的微电网研究项目主要受到了美国能源 部的电力供应和能源可靠性办公室、加州能 源委员会的资助，其研究的重点主要集中在 满足多种电能质量的要求、提高供电的可靠 性、降低成本和实现智能化等方面。

四、国外研究现状

美国近年来发生了几次较大的停电事故，使美国电力工业 十分关注电能质量和供电可靠性，因此美国对微电网的研究 着重于利用微电网提高电能质量和供电可靠性。

CERTS提出的微网系统结构

国外研究现状-美国

CERTS 微电网的可行性研究已经在威斯康星 大学麦迪逊分校的实验室得到了初步检验。 威斯康星大学麦

迪逊分校微电网于 2001 年 建立，目前的系统容量为 200kW，电压等级 为 280V/480V。CERTS 计划对微电网进行全 面检验，美国俄亥俄州哥伦布杜兰技术中心 已经开始了对微电网的全面测试。

国外研究现状-美国

CERTS 的微电网设计理念是不采用快速 电气控制、单点并网不上网、提供多样化 的电能质量与供电可靠性、随时可接入的 DERs等。这些突出的特点使它成为世界上 所提出的微电网中最权威、认可度最高的 一个。

国外研究现状-美国

美国能源部还与通用电气共同资助了第二个 “通用电气(General Electric Company，GE) 全球研究(Global Research)”计划，投资约 400万$。GE的目标是开发出一套微电网能量 管理系统(Microgrid Energy Management， MEM)，使它能向微电网中的器件提供统一的 控制、保护和能量管理平台。

国外研究现状-美国

GE提出的微网系统结构

国外研究现状-美国

CERTS 微电网研究主要集中在对DERs的 设计和鲁棒控制； GE微电网则更多地关注在外部监控回路的 研发上，以及对能量利用和运行成本的优 化上。

国外研究现状-美国

除了上述微电网研究之外，在美国还开展了许 多在这方面的研究，它们促进了微电网的发展， 如加州能源委员会资助的分布式效能集成测试 平台、美国国家可再生能源实验室所完成的对 佛蒙特州微电网的安装和运行的检验等。

微网测试平台

美国微网示范性工程

俄太俄州首府 Dolan技术中心 微网组成： 三台60kW燃气轮 机 三条馈线

负荷为一般负荷、 可控负荷和敏感 负荷。 实验目的： 联网和孤岛实现 无缝切换，保持 电压和频率的稳 定。

美国微网示范性工程

安装地点： sandia国家 实验室； 组成：微网模拟，光伏、 燃料电池、燃气轮机、 风机 目的：分布式能源的效 率，分布式能源对微网 稳定运行的影响。

国外研究现状-欧盟

欧洲的微电网研究引起了欧洲各国的广泛关注， 主要分为两个阶段，第一个是欧盟第五框架计划 (1998-2002，5th Framework Program，FP5)中， 专门拨款 450万欧元的微电网研究资助计划。 该计划由雅典国家技术大学(National Technical University of Athens，NTUA)组织， 14 个成员来自欧盟的 7 个国家，还有很多高校 的参与， 如 the University of Manchester(英国 )、INESC Porto(葡萄牙)、Ecole de Mines(法国 )等。

国外研究现状-欧盟

欧洲微电网研究的第二个阶段名为 “Advanced architectures and control concepts for more microgrid” ，欧盟第六框 架计划(2002-2006，6th Framework Programme，FP6)资助 850 万欧元。 该计划仍然是由 NTUA组织，参与的厂商 有 Siemens、ABB、SMA、ZIV、I-Power、 Anco、Germanos等，还有来自英国、法国、 德国、西班牙等国的许

多专家学者。

国外研究现状-欧盟主要示范工程

目前，欧洲的微电网示范工程主要有希腊 基斯诺斯岛（ Kythnos Island ）微电网、 德国Mannheim-Wallstadt居民区示范工程、 西班牙 LABEIN 项目、葡萄牙 EDP 项目、 葡萄牙 Continuon 项目、意大利 CESI 项 目、丹麦ELTRA项目等。

希腊基斯诺斯岛（ Kythnos Island ）微电网

希腊基斯诺斯岛（ Kythnos Island ）微电网

地点：希腊爱琴海基克拉迪群岛 目的：供电可靠性，上层调度管理、负荷智能管理 2个子系统，光伏、蓄电池、柴油机和负荷等

西班牙：Labein 联网模式

地点：西班牙巴斯克地区 组成：光伏、直驱式风机、柴油发电机、储能蓄电池、超级电容、负荷 目的：联网模式下的中央和分散控制策略，孤岛切换，微网的需求管理。

西班牙：Labein 联网模式

荷兰 Continuon 孤岛模式及储能

地点：荷兰 Zutphen度假村， 荷兰首个微网项目； 组成：335kW的光 伏+蓄电池。给200 棟别墅提供动力； 目的：联网孤岛自 动切换；黑启动， 维持孤岛运行24小 时。

荷兰 Continuon 孤岛模式及储能

德国 Demotec

地点：德国卡塞尔大学太阳能技术研究所 目的：联网孤岛模式切换，不同负荷对微网系统中分布式电源输出波动的影响。

德国 Demotec

国外研究现状-欧盟

欧洲所有的微电网研究计划都围绕着可靠 性、可接入性、灵活性3个方面来考虑。 电网的智能化、能量利用的多元化等将是 欧洲未来电网的重要特点。

国外研究现状-日本

日本的NEDO 在 2003 年的“Regional Power Grid with Renewable Energy Resources Project”项目中，开始了 3个微 电网的试点项目。 新能源与工业技术发展组织(New Energy and industrial technology Development Organization ，NEDO)是日本为了较好地 利用新能源而专门成立的，它负责统一协 调国内高校、企业与国家重点实验室对新 能源及其应用的研究。

国外研究现状-日本

这 3 个测试平台的研究都着重于可再生能源 和本地配电网之间的互联，分别在青森县、 爱知和京都，可再生能源在 3 个地区微电网 中都占有相当大的比重。 目前日本在微电网示范工程的建设方面处于 世界领先地位。

国外研究现状-日本

青森县的微电网于 2005年10月投入运行，计 划作为示范工程一直运行到2008年3月，这期 间进行电能质量和供电可靠性、运行成本等 方面的评估。 该微电网组的最大特点是只使用可再生的能 源(100 kW)进行供电。 可控的DERs包括3个以沼气为燃料的发电机组 (共510 kW)、 1个100kW的铅酸电池组和 1个 1.0 t/h 的锅炉。该微电网能够节省约57.3% 的能耗，同时减少约47.8%的碳化物排放量。

国外研究现状-日本

国外研究现状-日本

爱知微电网是

NEDO 建立的第一个微电网示范工 程，2005年日本爱知世博会时投入使用。2006年， 该系统迁到名古屋市附近，并于2007年初开始运 行。 该微电网的最大特点是它的电源大都为燃料电 池：2 个高温熔化碳酸盐燃料电池(270 kW 和 300 kW)，4 个磷酸盐型燃料电池(各 200 kW)， 一个固体氧化物燃料电池 (50 kW)。系统中总的 光伏发电容量为330 kW，此外还有一个500 kW的 钠硫磺电池组用于功率的平衡。

日本爱知县世博会微网

日本爱知县世博会微网

国外研究现状-日本

京都微电网 2005 年12 月投入运行，它 主要由以下几方面构成：50kW 光伏发电 系统、50kW风力发电系统、5×80 kW沼气 电池组、250kW高温熔化碳酸盐燃料电池 及 100kW电池组。 该系统的控制中心能够在5min之内实现系 统能量的平衡，也可以根据需要设置更短 的时限。

日本京都市

东京都的Kyotango 组成：4台内燃机，250kW的燃料电池，100kW的蓄电池， 2个光伏电站，风力发电机及相关通讯线路。

日本京都市

国外研究现状-对比

美国近年来发生了几次较大的停电事故，使美国 电力工业十分关注电能质量和供电可靠性，因此 美国对微电网的研究着重于利用微电网提高电能 质量和供电可靠性。 欧洲希望通过优化从电源到用户的价值链来推动 和发展 DERs，以使用户、电力系统及环境受益。 欧洲互联电网中的电源大体上靠近负荷，比较容 易形成多个微电网，所以欧洲微电网的研究更多 关注于多个微电网的互联问题。 日本本土资源匮乏，其对可再生能源的重视程度 高于其他国家，但很多新能源具有随机性，穿透 功率极限限制了新能源的应用，所以日本在微电 网方面的研究更强调控制与电储能。

国内研究现状

我国“十二五”规划纲要提出了建成25GW 风电的发展目标， 在不久的将来不断会 有风电和光伏等DERs不断接入电网。 微电网在协调大电网与DERs间的矛盾， 充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来 的价值和效益等方面具有优势， 使其能 够在中国未来电网的发展中发挥很重要的 作用。

国内研究现状

中国微电网的发展尚处在起步阶段，前景 广阔，各高校研究所竞相参与研究，在今 后微电网的研究和发展中，以下几个方面 的问题需要给予更多的关注：

国内研究现状

微电网中引入了很多先进的电力电子设备，它们 大都是灵活可控的，如何实现对这些设备自身的 智能控制和最优控制也是一个很重要的问题。 微电网中含有多个微电源，各微电源之间的协调 控制是一个需要重点考虑的问题。 加强微电网和主网之间的协调控制，以提高微电 网对上级电网的支撑能力对于电网的稳定具有重 要意义。

微电网在并网和孤岛运行下的稳定性分析。 微电网电能质量问题需要做进一步的探讨和研究。

中国电科院典型示范工程

中国电科院典型示范工程

浙江省电力试验研究院典型示范工程

浙江东福山岛 7台30kW的风力发 电机组，100kW的 光伏，50t/d海水 淡化系统，蓄电池 等。

国内其他典型示范工程

国内其他微网典型项目

国内研究现状

新疆示范项目

国内研究现状

新疆示范项目

能源组成：

发电机100kW 光伏70kW 蓄电池80kW（400kWh）

负载峰值90kW（夜间） 馈电线380V/500m

国内外微型电网研究状况

西安交通大学电气工程学院 卓放 Email：[email protected]

2012.06.01