关于微网的新型配电系统研究概述与思考
微网是一个自治的小型配电系统，研究微网对缓解世界能源危机和环境污染问题具有重要意义。上海明华电力科技有限公司的研究人员李玉齐、张健，在2020年第5期《电气技术》杂志上撰文，介绍了微网的概念及特征，对微网现有的结构分类进行说明，简要介绍并网与孤岛两种运行模式，并从微网的分层控制策略、电能质量、保护等方面进行了总结，阐述了基于储能的低压直流微网在未来配电系统形态中的发展趋势，并在直流微网工程实用化方向提出了思考。
随着经济的高速发展，世界范围内大面积停电事故使得大规模电力系统集中式发电的运行难度大、供电质量得不到保障、难以满足用户对电能质量高要求等问题日益凸显；同时，环境污染与能源危机等问题也备受社会关注，寻找高效环保的新型电网模式日益成为当今学者研究的重要课题。
针对传统电网的弊端，美国、欧盟、德国、日本以及中国等国家相继提出了微电网概念。与大电网模式的集中式能源系统相比，微电网有着节省建设投资和运行费用的经济前景。但微电网的发展存在一些技术难题，例如微电网的运行与控制问题、功率平衡问题、电能质量问题以及保护问题等，仍需相关学者进行更加深入地研究。
国家能源局充分认识到了新能源微电网建设的重要意义，并相继出台了《关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》与《配电网建设改造行动计划（2015— 2020年）的通知》等文件，将新能源与分布式电源并网、微电网示范工程列入配网建设规划，探索适应新能源发展的微电网技术及运营管理体制，在政策层面更加肯定了微电网在未来分布式能源供应系统发展中的趋势。因此，探究微电网不仅对新能源发电技术的应用与普及非常有利，而且对缓解世界能源危机和环境污染问题也具有重要意义。
本文在微网的概念特征、结构分类、并网与孤岛两种运行模式的基础上，归纳了微网的分层控制策略、电能质量与保护，并对微网未来的发展形态进行了展望。
1 微网概念及特征
1.1 微网概念
微网是一个由分布式电源、储能装置、负荷以及控制系统组成的一个小型配电系统。美国CERTS（consortium for electric reliability technology solu- tions）对微网的定义是：微网是由微型电源和负荷组成的供电系统，可同时供热和提供电能；对外相当于单一受控单元，并可满足电力用户对供电安全与电能质量等的要求。
国网电科院于2009年召开的“微网技术体系研究”工作会议将微网定义为：微网是在分布式发电技术的基础上，借助用户的小型电站或分散型资源，综合能源梯级利用技术与终端用户电能质量管理，所形成的分散式功能、小型模块化网络。
虽然国内外对微网有着不同的定义，但一致认同的是：微网是在分布式发电技术的基础上，融合控制装置、保护装置以及储能装置的一体化单元；可在孤岛与并网两种模式下运行、集约应用分布式新能源、提高供电可靠性与改善电能质量，具有高度的可靠性和稳定性。
1.2 微网特征
有学者归纳出微网的相关特征，见表1。
表1 微网的特征
2 微网结构分类
按电流类型划分，微网有直流微网、交流微网以及交直流混合微网。王毅楠在有关研究中把微网分类归纳为交流微网、直流微网、交直流混合微网。
交流微网适合搭建在岛屿等地，交流微网拓扑结构示意图如图1所示。
直流微网比较适用于搭建在工业与商业园区、充电站、医院以及信息中心等应急供电场合。直流微网的拓扑结构示意图如图2所示。
交直流混合微网适用范围较广，如工业与商业园区、偏远小镇及海岛等地，其拓扑结构示意图如图3所示。
图1 交流微网拓扑结构示意图
图2 直流微网拓扑结构示意图
图3 交直流混合微网拓扑结构示意图
3 微网运行模式与控制策略
3.1 微网运行模式
有学者指出，微网系统有孤岛运行和并网运行2种运行模式。孤岛运行是在电能质量不满足要求或电网故障时，微网脱离大电网独立运行的模式，具备独立孤岛运行能力可提高微网供电可靠性。并网运行是微网作为单一受控源与大电网连接，大电网可补充微网发电量不足或微网把余电送至大电网。并且，可采用控制策略在两种运行模式间无缝切换。
有学者以低压直流微电网系统为研究对象，系统中并网模式与离网运行模式切换条件如图4所示。
图4 离网运行与并网运行
3.2 基于分层理念的直流微网控制策略
基于直流微网的优势及其在未来配电网系统中的巨大发展潜力，近年来微网控制策略更多地侧重于对直流微网的研究，并取得了一些研究成果。
有学者指出微网有孤岛和并网两种运行模式，并且在任何一种模式下都有设备级与系统级两个控制层，微网的这两个控制层构成了直流微网的基本运行控制体系。其中，设备级控制主要在于实现系统功率平衡，维持直流母线电压稳定以保证微网稳定运行；而系统级控制旨在提升系统可靠性与效率，对系统进行能量优化与集中管理，以实现运行最优。
国内外学者的相关文献将如图5所示的分层控制系统引入到直流微电网的控制中，根据时间尺度来实现设备级与系统级的控制，完成电能质量调节、电气量控制与经济运行控制，以实现微网控制系统的可扩展性、标准化以及整体运行性能的提升。
图5 直流微网分层控制结构
有学者提到，国内外研究将交流微网中广泛采用的基于分层控制体系的能量管理系统引入到直流微网中。如图6所示，按照控制的时间尺度以及控制目标分为3层。
图6 直流微网分层控制
图6中，第一层控制的目标是维持直流母线电压稳定，是控制的基础和核心，协调方式有主从控制和对等控制；第二层控制的目标是实现直流微网中各单元之间的协调控制，以解决第一层控制中存在的电压和功率偏差等问题；第三层控制是上层能量管理系统，通过电源、负荷预测以及按照不同的约束条件和优化目标进行优化调度，从而实现微电网高效、经济的运行目标。
基于分层理念的微网控制策略是当前的主流控制架构，也是微网控制技术进一步发展与完善的方向。
4 微网电能质量与保护
4.1 微网电能质量
有学者指出微网配置了诸多电力电子装置和分布式电源的存在，使之与传统大电网相比有了新特性。微网电能质量指标的新特性归纳见表2。
表2 微网电能质量指标新特性
1）微网电能质量治理方案
目前一般使用电力电子装置来治理微网电能质量，如串/并联型有源电力滤波器来改善配电网的电能质量，这种方法存在无法及时响应的问题。然而，微网电能质量问题是可以通过合理且高效的分布式电源控制方法来预防的。
有学者提出主要从2个方面治理微电网电能质量：①使用配置电能质量治理装置如有源电力滤波器、静止无功发生器等对电能质量问题进行被动治理；②在微网电源控制策略层面来改善电能质量。
慕小斌等人结合微网电能质量的新特点，从微网侧治理方案、微网的配电侧治理方案、公共连接点（point of common coupling, PCC）处治理方案3个方面展开了微网电能质量治理方面的研究工作。
（1）配电网侧治理方案
此方案将微网视为“发电负荷”从配电网侧进行电能质量治理。其电气特性与配电网所呈现的常规电气特性存在一定差异，治理时需考虑发电装置输出谐波、有功无功功率、谐振以及不平衡等因素，以治理多微网对配电网的电能质量串扰问题。
（2）微网侧治理方案
此方案与传统配电网较为相似，灵活性高。治理时可通过调整微网内储能、微源与线性负荷、非线性负荷的功率潮流关系改善电能质量，也可就地在微网非线性负荷附近与PCC处安装辅助设备来治理电能质量问题。
（3）PCC处治理方案
在PCC处治理旨在确保PCC点的电压电流质量最优。如接入逆变器至直流母线以在微网内构建串联补偿器，则可在配电网与微网间PCC处治理并改善电能质量。
2）微网电能质量治理措施发展方向
根据目前国内外微网电能质量的研究可知：①在微观层面，交直流相辅相成将是未来微网结构的方向；②在宏观层面，未来微网电能质量的研究热点，将是基于柔性电力技术，提供面向多元化负荷、微源以及配电网一次设备的解决方案。
在电能质量与供电可靠性方面，灵活可控、鲁棒性强的微网与微网群将对配电网的电能质量与供电可靠性提供较强支撑。微网与配电网两者相辅相成，可实现微网内局部保护、联络功率平抑的控制保护装置与储能装置将会显著提高微网的优势。
4.2 微网保护
国际大电网委员会相关技术会议提出，研究直流微网并对其进行保护与故障分析，研究前景与价值意义重大。交流微网保护方案效果较理想，但直流微网更加契合未来智能电网的发展，目前微网的保护更多侧重于直流微网保护的研究。
1）直流微网的保护
有学者指出直流微网的保护缺乏相应的标准、执行准则和实际操作的经验；在设计直流微网的保护系统时，应分析交流微网的哪些标准可以应用于直流微网，同时还得借鉴直流牵引的保护经验。微网保护系统的设计应遵循可靠性、灵敏性、经济性以及简洁性的原则。
有学者对直流配电领域保护的研究现状进行了总结，并重点介绍了目前典型直流配电系统的整体保护配置方案，以及直流配电系统的故障定位与隔离，提出了当前直流配电系统保护亟待解决的问题，对其未来发展方向进行了展望。
有学者提出了一种安装感性阻抗、并与瞬时故障电流和电流导数相结合的故障分类新方法。并通过仿真试验证明该新方法能够将直流微电网中的短路故障精确分类，准确隔离故障区域并快速恢复系统，适用于多母线和多支线直流微电网短路故障的有效保护方案。
有学者对直流微网的4种接地方式进行了比较，指出负极经合适电阻接地的方式简单经济，便于接地故障检测。并设计一种横联保护原理，分析了该保护方案在各种网络结构和不同故障位置时的适用性。
2）直流微网研究展望
有学者展望了未来直流微网保护的发展方向：①对于故障限流，可由改变控制策略与换流器的拓扑结构实现故障特征强化保护、故障电流抑制；②直流微网中混合式断路器和塑壳断路器的发展，与通信快速切除保护原理相结合以保证器件安全，有望解决微网故障快速切除问题；③直流微网保护研究应基于当前现实技术，如直流断路器、限流器与换流器的研究现状，在平衡经济性的情况下确保直流微网保护方案的应用。
直流微网保护仍只在理论研究层面，实际工程尚不成熟，且存在保护期间与经济性约束，有待进一步研究切实有效的直流微网保护方案。
5 微网发展形态
我国电网提出全球能源互联网战略，并进行了能源互联网示范工程探索。国家能源局于2015年发布的《互联网+智慧能源行动计划》，是从设计方面着手来探索能源互联网建设。
着眼于电能融合与多种能源互补对未来配电系统形态进行研究展望，需要结合能源互联网的理念在未来的能源互联网概念下立足与发展，其前瞻性意义重大。因直流微网不存在交流微网中的谐波电流、交直流转换损耗以及无功功率等问题，直流微网的研究显得越发重要。直流网络的架构更加适合未来微网系统的发展方向，更加符合未来微网负荷多样性的发展趋势。
有学者指出，储能技术为未来配电网的发展提供了新的思路，提出了一种未来配电网的可能形态——基于储能装置、以用户为单位的低压直流微电网。以解决传统配电网继电保护和单相接地故障定位困难大，故障对供电可靠性影响较大的问题。
针对目前的问题和挑战，未来配电网的结构和运行模式将发生怎样的变化，发展趋势如何，成为目前电力系统领域研究的一个热点。在未来配电网形态研究方面，有学者提出可再生能源和分布式能源的不断渗透，未来配电网的形态将逐渐发展为以微网和分布式可再生能源为重点的多元电力供应系统。有学者基于“手拉手”式的传统配电网结构，提出使用柔性直流供电技术来搭建交直流混合配电网系统。
随着储能装置的进一步发展，以及配电网中电动汽车、电车等直流负荷与办公直流用电设备增加，并且交流直流转换环节将损失10%～30%的电能，未来基于储能装置的、以用户为单位的低压直流微电网将对大电网形成重要支撑。
6 结论
微网技术的发展和应用，对于缓解环境污染与能源危机等问题意义深远。本文总结了微网的分层控制策略、电能质量、保护、储能等方面的内容，并对基于储能的低压直流微网在未来配电系统中的发展趋势进行了展望，未来微网技术将引发配电系统的变革。
直流微网在工程应用和关键产品方面仍存在较大的发展瓶颈，但直流微网在供电可靠性与节能降耗方面有着长远意义，未来将进一步关注直流微网在工程实用化方向的发展并继续开展研究工作。