隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，世界范圍內(nèi)大面積停電事故使得大規(guī)模電力系統(tǒng)集中式發(fā)電的運(yùn)行難度大、供電質(zhì)量得不到保障、難以滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量高要求等問題日益凸顯；同時(shí)，環(huán)境污染與能源危機(jī)等問題也備受社會(huì)關(guān)注，尋找高效環(huán)保的新型電網(wǎng)模式日益成為當(dāng)今學(xué)者研究的重要課題。

針對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的弊端，美國、歐盟、德國、日本以及中國等國家相繼提出了微電網(wǎng)概念。與大電網(wǎng)模式的集中式能源系統(tǒng)相比，微電網(wǎng)有著節(jié)省建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)前景。但微電網(wǎng)的發(fā)展存在一些技術(shù)難題，例如微電網(wǎng)的運(yùn)行與控制問題、功率平衡問題、電能質(zhì)量問題以及保護(hù)問題等，仍需相關(guān)學(xué)者進(jìn)行更加深入的研究。

國家能源局充分認(rèn)識(shí)到了新能源微電網(wǎng)建設(shè)的重要意義，并相繼出臺(tái)了《關(guān)于推進(jìn)新能源微電網(wǎng)示范項(xiàng)目建設(shè)的指導(dǎo)意見》與《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動(dòng)計(jì)劃（2015— 2020年）的通知》等文件，將新能源與分布式電源并網(wǎng)、微電網(wǎng)示范工程列入配網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃，探索適應(yīng)新能源發(fā)展的微電網(wǎng)技術(shù)及運(yùn)營管理體制，在政策層面更加肯定了微電網(wǎng)在未來分布式能源供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展中的趨勢(shì)。因此，探究微電網(wǎng)不僅對(duì)新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用與普及非常有利，而且對(duì)緩解世界能源危機(jī)和環(huán)境污染問題也具有重要意義。

本文在微網(wǎng)的概念特征、結(jié)構(gòu)分類、并網(wǎng)與孤島兩種運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上，歸納了微網(wǎng)的分層控制策略、電能質(zhì)量與保護(hù)，并對(duì)微網(wǎng)未來的發(fā)展形態(tài)進(jìn)行了展望。

1 微網(wǎng)概念及特征

1.1 微網(wǎng)概念

微網(wǎng)是一個(gè)由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷以及控制系統(tǒng)組成的一個(gè)小型配電系統(tǒng)。美國CERTS（consortium for electric reliability technology solu- tions）對(duì)微網(wǎng)的定義是：微網(wǎng)是由微型電源和負(fù)荷組成的供電系統(tǒng)，可同時(shí)供熱和提供電能；對(duì)外相當(dāng)于單一受控單元，并可滿足電力用戶對(duì)供電安全與電能質(zhì)量等的要求。

國網(wǎng)電科院于2009年召開的“微網(wǎng)技術(shù)體系研究”工作會(huì)議將微網(wǎng)定義為：微網(wǎng)是在分布式發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上，借助用戶的小型電站或分散型資源，綜合能源梯級(jí)利用技術(shù)與終端用戶電能質(zhì)量管理，所形成的分散式功能、小型模塊化網(wǎng)絡(luò)。

雖然國內(nèi)外對(duì)微網(wǎng)有著不同的定義，但一致認(rèn)同的是：微網(wǎng)是在分布式發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合控制裝置、保護(hù)裝置以及儲(chǔ)能裝置的一體化單元；可在孤島與并網(wǎng)兩種模式下運(yùn)行、集約應(yīng)用分布式新能源、提高供電可靠性與改善電能質(zhì)量，具有高度的可靠性和穩(wěn)定性。

1.2 微網(wǎng)特征

有學(xué)者歸納出微網(wǎng)的相關(guān)特征，見表1。

表1 微網(wǎng)的特征

2 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)分類

按電流類型劃分，微網(wǎng)有直流微網(wǎng)、交流微網(wǎng)以及交直流混合微網(wǎng)。王毅楠在有關(guān)研究中把微網(wǎng)分類歸納為交流微網(wǎng)、直流微網(wǎng)、交直流混合微網(wǎng)。

交流微網(wǎng)適合搭建在島嶼等地，交流微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

直流微網(wǎng)比較適用于搭建在工業(yè)與商業(yè)園區(qū)、充電站、醫(yī)院以及信息中心等應(yīng)急供電場(chǎng)合。直流微網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

交直流混合微網(wǎng)適用范圍較廣，如工業(yè)與商業(yè)園區(qū)、偏遠(yuǎn)小鎮(zhèn)及海島等地，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖1 交流微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

圖2 直流微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

圖3 交直流混合微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

3 微網(wǎng)運(yùn)行模式與控制策略

3.1 微網(wǎng)運(yùn)行模式

有學(xué)者指出，微網(wǎng)系統(tǒng)有孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行2種運(yùn)行模式。孤島運(yùn)行是在電能質(zhì)量不滿足要求或電網(wǎng)故障時(shí)，微網(wǎng)脫離大電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行的模式，具備獨(dú)立孤島運(yùn)行能力可提高微網(wǎng)供電可靠性。并網(wǎng)運(yùn)行是微網(wǎng)作為單一受控源與大電網(wǎng)連接，大電網(wǎng)可補(bǔ)充微網(wǎng)發(fā)電量不足或微網(wǎng)把余電送至大電網(wǎng)。并且，可采用控制策略在兩種運(yùn)行模式間無縫切換。

有學(xué)者以低壓直流微電網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，系統(tǒng)中并網(wǎng)模式與離網(wǎng)運(yùn)行模式切換條件如圖4所示。

圖4 離網(wǎng)運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行

3.2 基于分層理念的直流微網(wǎng)控制策略

基于直流微網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)及其在未來配電網(wǎng)系統(tǒng)中的巨大發(fā)展?jié)摿Γ陙砦⒕W(wǎng)控制策略更多地側(cè)重于對(duì)直流微網(wǎng)的研究，并取得了一些研究成果。

有學(xué)者指出微網(wǎng)有孤島和并網(wǎng)兩種運(yùn)行模式，并且在任何一種模式下都有設(shè)備級(jí)與系統(tǒng)級(jí)兩個(gè)控制層，微網(wǎng)的這兩個(gè)控制層構(gòu)成了直流微網(wǎng)的基本運(yùn)行控制體系。其中，設(shè)備級(jí)控制主要在于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡，維持直流母線電壓穩(wěn)定以保證微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；而系統(tǒng)級(jí)控制旨在提升系統(tǒng)可靠性與效率，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能量?jī)?yōu)化與集中管理，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行最優(yōu)。

國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)文獻(xiàn)將如圖5所示的分層控制系統(tǒng)引入到直流微電網(wǎng)的控制中，根據(jù)時(shí)間尺度來實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)與系統(tǒng)級(jí)的控制，完成電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、電氣量控制與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制，以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、標(biāo)準(zhǔn)化以及整體運(yùn)行性能的提升。

圖5 直流微網(wǎng)分層控制結(jié)構(gòu)

有學(xué)者提到，國內(nèi)外研究將交流微網(wǎng)中廣泛采用的基于分層控制體系的能量管理系統(tǒng)引入到直流微網(wǎng)中。如圖6所示，按照控制的時(shí)間尺度以及控制目標(biāo)分為3層。

圖6 直流微網(wǎng)分層控制

圖6中，第一層控制的目標(biāo)是維持直流母線電壓穩(wěn)定，是控制的基礎(chǔ)和核心，協(xié)調(diào)方式有主從控制和對(duì)等控制；第二層控制的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)中各單元之間的協(xié)調(diào)控制，以解決第一層控制中存在的電壓和功率偏差等問題；第三層控制是上層能量管理系統(tǒng)，通過電源、負(fù)荷預(yù)測(cè)以及按照不同的約束條件和優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行目標(biāo)。

基于分層理念的微網(wǎng)控制策略是當(dāng)前的主流控制架構(gòu)，也是微網(wǎng)控制技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展與完善的方向。

4 微網(wǎng)電能質(zhì)量與保護(hù)

4.1 微網(wǎng)電能質(zhì)量

有學(xué)者指出微網(wǎng)配置了諸多電力電子裝置和分布式電源的存在，使之與傳統(tǒng)大電網(wǎng)相比有了新特性。微網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)的新特性歸納見表2。

表2 微網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)新特性

1）微網(wǎng)電能質(zhì)量治理方案

目前一般使用電力電子裝置來治理微網(wǎng)電能質(zhì)量，如串/并聯(lián)型有源電力濾波器來改善配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，這種方法存在無法及時(shí)響應(yīng)的問題。然而，微網(wǎng)電能質(zhì)量問題是可以通過合理且高效的分布式電源控制方法來預(yù)防的。

有學(xué)者提出主要從2個(gè)方面治理微電網(wǎng)電能質(zhì)量：①使用配置電能質(zhì)量治理裝置如有源電力濾波器、靜止無功發(fā)生器等對(duì)電能質(zhì)量問題進(jìn)行被動(dòng)治理；②在微網(wǎng)電源控制策略層面來改善電能質(zhì)量。

慕小斌等人結(jié)合微網(wǎng)電能質(zhì)量的新特點(diǎn)，從微網(wǎng)側(cè)治理方案、微網(wǎng)的配電側(cè)治理方案、公共連接點(diǎn)（point of common coupling, PCC）處治理方案3個(gè)方面展開了微網(wǎng)電能質(zhì)量治理方面的研究工作。

（1）配電網(wǎng)側(cè)治理方案

此方案將微網(wǎng)視為“發(fā)電負(fù)荷”從配電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行電能質(zhì)量治理。其電氣特性與配電網(wǎng)所呈現(xiàn)的常規(guī)電氣特性存在一定差異，治理時(shí)需考慮發(fā)電裝置輸出諧波、有功無功功率、諧振以及不平衡等因素，以治理多微網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量串?dāng)_問題。

（2）微網(wǎng)側(cè)治理方案

此方案與傳統(tǒng)配電網(wǎng)較為相似，靈活性高。治理時(shí)可通過調(diào)整微網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)能、微源與線性負(fù)荷、非線性負(fù)荷的功率潮流關(guān)系改善電能質(zhì)量，也可就地在微網(wǎng)非線性負(fù)荷附近與PCC處安裝輔助設(shè)備來治理電能質(zhì)量問題。

（3）PCC處治理方案

在PCC處治理旨在確保PCC點(diǎn)的電壓電流質(zhì)量最優(yōu)。如接入逆變器至直流母線以在微網(wǎng)內(nèi)構(gòu)建串聯(lián)補(bǔ)償器，則可在配電網(wǎng)與微網(wǎng)間PCC處治理并改善電能質(zhì)量。

2）微網(wǎng)電能質(zhì)量治理措施發(fā)展方向

根據(jù)目前國內(nèi)外微網(wǎng)電能質(zhì)量的研究可知：①在微觀層面，交直流相輔相成將是未來微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的方向；②在宏觀層面，未來微網(wǎng)電能質(zhì)量的研究熱點(diǎn)，將是基于柔性電力技術(shù)，提供面向多元化負(fù)荷、微源以及配電網(wǎng)一次設(shè)備的解決方案。

在電能質(zhì)量與供電可靠性方面，靈活可控、魯棒性強(qiáng)的微網(wǎng)與微網(wǎng)群將對(duì)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量與供電可靠性提供較強(qiáng)支撐。微網(wǎng)與配電網(wǎng)兩者相輔相成，可實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)局部保護(hù)、聯(lián)絡(luò)功率平抑的控制保護(hù)裝置與儲(chǔ)能裝置將會(huì)顯著提高微網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。

4.2 微網(wǎng)保護(hù)

國際大電網(wǎng)委員會(huì)相關(guān)技術(shù)會(huì)議提出，研究直流微網(wǎng)并對(duì)其進(jìn)行保護(hù)與故障分析，研究前景與價(jià)值意義重大。交流微網(wǎng)保護(hù)方案效果較理想，但直流微網(wǎng)更加契合未來智能電網(wǎng)的發(fā)展，目前微網(wǎng)的保護(hù)更多側(cè)重于直流微網(wǎng)保護(hù)的研究。

1）直流微網(wǎng)的保護(hù)

有學(xué)者指出直流微網(wǎng)的保護(hù)缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、執(zhí)行準(zhǔn)則和實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)；在設(shè)計(jì)直流微網(wǎng)的保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)分析交流微網(wǎng)的哪些標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用于直流微網(wǎng)，同時(shí)還得借鑒直流牽引的保護(hù)經(jīng)驗(yàn)。微網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循可靠性、靈敏性、經(jīng)濟(jì)性以及簡(jiǎn)潔性的原則。

有學(xué)者對(duì)直流配電領(lǐng)域保護(hù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并重點(diǎn)介紹了目前典型直流配電系統(tǒng)的整體保護(hù)配置方案，以及直流配電系統(tǒng)的故障定位與隔離，提出了當(dāng)前直流配電系統(tǒng)保護(hù)亟待解決的問題，對(duì)其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

有學(xué)者提出了一種安裝感性阻抗、并與瞬時(shí)故障電流和電流導(dǎo)數(shù)相結(jié)合的故障分類新方法。并通過仿真試驗(yàn)證明該新方法能夠?qū)⒅绷魑㈦娋W(wǎng)中的短路故障精確分類，準(zhǔn)確隔離故障區(qū)域并快速恢復(fù)系統(tǒng)，適用于多母線和多支線直流微電網(wǎng)短路故障的有效保護(hù)方案。

有學(xué)者對(duì)直流微網(wǎng)的4種接地方式進(jìn)行了比較，指出負(fù)極經(jīng)合適電阻接地的方式簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，便于接地故障檢測(cè)。并設(shè)計(jì)一種橫聯(lián)保護(hù)原理，分析了該保護(hù)方案在各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和不同故障位置時(shí)的適用性。

2）直流微網(wǎng)研究展望

有學(xué)者展望了未來直流微網(wǎng)保護(hù)的發(fā)展方向：①對(duì)于故障限流，可由改變控制策略與換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)故障特征強(qiáng)化保護(hù)、故障電流抑制；②直流微網(wǎng)中混合式斷路器和塑殼斷路器的發(fā)展，與通信快速切除保護(hù)原理相結(jié)合以保證器件安全，有望解決微網(wǎng)故障快速切除問題；③直流微網(wǎng)保護(hù)研究應(yīng)基于當(dāng)前現(xiàn)實(shí)技術(shù)，如直流斷路器、限流器與換流器的研究現(xiàn)狀，在平衡經(jīng)濟(jì)性的情況下確保直流微網(wǎng)保護(hù)方案的應(yīng)用。

直流微網(wǎng)保護(hù)仍只在理論研究層面，實(shí)際工程尚不成熟，且存在保護(hù)期間與經(jīng)濟(jì)性約束，有待進(jìn)一步研究切實(shí)有效的直流微網(wǎng)保護(hù)方案。

5 微網(wǎng)發(fā)展形態(tài)

我國電網(wǎng)提出全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，并進(jìn)行了能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程探索。國家能源局于2015年發(fā)布的《互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源行動(dòng)計(jì)劃》，是從設(shè)計(jì)方面著手來探索能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。

著眼于電能融合與多種能源互補(bǔ)對(duì)未來配電系統(tǒng)形態(tài)進(jìn)行研究展望，需要結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)的理念在未來的能源互聯(lián)網(wǎng)概念下立足與發(fā)展，其前瞻性意義重大。因直流微網(wǎng)不存在交流微網(wǎng)中的諧波電流、交直流轉(zhuǎn)換損耗以及無功功率等問題，直流微網(wǎng)的研究顯得越發(fā)重要。直流網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)更加適合未來微網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展方向，更加符合未來微網(wǎng)負(fù)荷多樣性的發(fā)展趨勢(shì)。

有學(xué)者指出，儲(chǔ)能技術(shù)為未來配電網(wǎng)的發(fā)展提供了新的思路，提出了一種未來配電網(wǎng)的可能形態(tài)——基于儲(chǔ)能裝置、以用戶為單位的低壓直流微電網(wǎng)。以解決傳統(tǒng)配電網(wǎng)繼電保護(hù)和單相接地故障定位困難大，故障對(duì)供電可靠性影響較大的問題。

針對(duì)目前的問題和挑戰(zhàn)，未來配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式將發(fā)生怎樣的變化，發(fā)展趨勢(shì)如何，成為目前電力系統(tǒng)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在未來配電網(wǎng)形態(tài)研究方面，有學(xué)者提出可再生能源和分布式能源的不斷滲透，未來配電網(wǎng)的形態(tài)將逐漸發(fā)展為以微網(wǎng)和分布式可再生能源為重點(diǎn)的多元電力供應(yīng)系統(tǒng)。有學(xué)者基于“手拉手”式的傳統(tǒng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提出使用柔性直流供電技術(shù)來搭建交直流混合配電網(wǎng)系統(tǒng)。

隨著儲(chǔ)能裝置的進(jìn)一步發(fā)展，以及配電網(wǎng)中電動(dòng)汽車、電車等直流負(fù)荷與辦公直流用電設(shè)備增加，并且交流直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)將損失10%～30%的電能，未來基于儲(chǔ)能裝置的、以用戶為單位的低壓直流微電網(wǎng)將對(duì)大電網(wǎng)形成重要支撐。

6 結(jié)論

微網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)于緩解環(huán)境污染與能源危機(jī)等問題意義深遠(yuǎn)。本文總結(jié)了微網(wǎng)的分層控制策略、電能質(zhì)量、保護(hù)、儲(chǔ)能等方面的內(nèi)容，并對(duì)基于儲(chǔ)能的低壓直流微網(wǎng)在未來配電系統(tǒng)中的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，未來微網(wǎng)技術(shù)將引發(fā)配電系統(tǒng)的變革。

直流微網(wǎng)在工程應(yīng)用和關(guān)鍵產(chǎn)品方面仍存在較大的發(fā)展瓶頸，但直流微網(wǎng)在供電可靠性與節(jié)能降耗方面有著長遠(yuǎn)意義，未來將進(jìn)一步關(guān)注直流微網(wǎng)在工程實(shí)用化方向的發(fā)展并繼續(xù)開展研究工作。