李彤彤 蔡艳平 李艾华

摘要：随着新能源技术的快速发展与推广应用，微电网技术逐步引起了广泛关注。本文阐述了微电网的概念及基本特点，介绍了当前微电网的研究现状与最新进展，阐释了交流微电网、直流微电网与交直流混合微电网三种类型微电网的基本结构，并梳理总结了微电网的规划设计方法。在此基础上指出了有待进一步研究解决的重点问题，为后续研究指明方向。

Abstract： With the rapid development and popularization and application of new energy technologies， microgrid technology has gradually attracted widespread attention. This article explains the concept and basic characteristics of microgrids， introduces the current research status and latest developments of microgrids， explains the basic structure of three types of microgrids， AC microgrids， DC microgrids， and AC/DC hybrid microgrids. The planning and design methods of the power grid are summarized and studied. On this basis， it points out the key issues that need to be further studied and resolved in the microgrid planning and design， and lays the foundation for further in-depth research.

关键词：微电网;规划设计;分布式电源

Key words： microgrid;planning and design;distributed power

中图分类号：TM715                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）31-0243-02

0  引言

近年来，资源危机与环境问题愈发严峻，已成为制约经济持续发展、人民生活质量改善的关键因素。并且随着用电负荷逐年增长、负荷形式愈加多样，传统大电网的弊端也日益凸显。在这样的背景下，风力、光能等可再生能源引起了世界各国的广泛关注与研究。分布式发电是指凭借靠近用户、规模较小的分布式电源实现灵活、高效、独立地发电[1]。分布式电源既可以利用石油、天然气等化石能源，也可以利用风、光等可再生能源，能量来源广、供电形式灵活、电能质量高、环境污染小，因而得到了快速发展。但是由于风、光等可再生能源具有间歇性、随机性、波动性等特点，并网运行后对配电网网络损耗、电压波动、供电可靠性等提出了新的要求[2]。现有研究表明，以微电网的方式将分布式电源连接到大电网中，与大电网并网运行、相互支撑，是发挥其性能的最有效途径[3]。

1  微电网的概念与特点

美国学者Lasseter教授最早对微电网进行了阐述，此后欧盟等国家和机构根据自身实际需求分别对微电网的涵义进行了进一步解释。目前，国际上尚未就其定义达成可普遍接受得统一标准。在我国，微电网是指由分布式电源、用电负荷、配电设施、监控和保护装置等组成的小型发配用电系统。微电网具有自我调节能力，可以降低分布式电源并网后带来的不良影响。

依据与大电网连接情况，可将微电网分为两种类型。若微电网与大电网并网运行、可以进行功率交互，则其为并网型微电网。若微电网不与大电网连接，仅依靠自身分布式电源发电即可满足系统内部负荷需求，不从外界获得能量，则其为独立型微电网。并网型微电网有两种运行模式：并网运行为主要模式，微电网此时与大电网相互支撑，能量可双向交互;孤岛运行为大电网故障时的运行状态，此时微电网内分布式电源继续为重要负荷供电。

从微观来看，微电网自身构成一个规模较小的电力系统，可实现完整的发电、输电、配电、用电功能;从宏观来看，微电网又可看做大电网中的一个“虚拟”电源或者负荷，与大电网并网运行。

2  微电网的研究现状

目前，微电网已成为各个国家和机构进行研究的重点对象，各国家都根据本国自然资源与使用需求，组织相关学者与研究机构投入微电网的研究之中，纷纷提出适合本国的微电网发展目标与技术路线，在理论方面不断取得突破，并且陆续建设成一批微网示范工程。

美国在全世界最早提出微电网概念并积极开展相关研究，目前已取得很大成果，全国约建成200多个微电网示范工程，其研究重点主要在满足用户多样灵活的用电需求，提高重要负荷的供电可靠性，提升電网智能化程度等。欧洲在微电网研究与建设方面也取得一定成果。目前，欧盟已经建立了多个微网示范工程，如丹麦的Bornholm微网、意大利的CESI微网等，其研究重点在于提高清洁能源使用效率、提升供电智能化程度、提高供电可靠性等。在亚洲地区，由于本国资源匮乏，日本较早开展微电网研究以作为解决本国能源问题的重要渠道。自2003年起陆续在爱知县、八户市等地先后建成微网示范工程。日本的研究重点在于拓展能源来源，提高可再生能源利用效率，降低污染物的排放水平，满足用户个性化电力需求。

我国的微电网研究起步相对较晚，于2004年前后逐渐兴起，2008年特大冰雪灾害引起大面积供电网络瘫痪，暴露了我国在供电方面存在的缺陷，极大程度推动了微电网技术的迅速发展。在国家“863”、“973”等一系列项目资金的支持下，国内众多科研机构纷纷投入对可再生能源和微电网的研究中，并已取得了一定成果。天津大学、合肥工业大学等多家高校和科研单位建设成了高水平微电网实验系统;浙江东福山岛微电网、天津中新生态城微电网等一批实际工程已经投入运行。针对我国目前能源对外依存度持续走高、环境治理任务依然艰巨的现实国情，研究重点主要在于提高电网接纳能力、降低能耗、提高供电稳定性、逐步建成智能电网。

3  微电网的网架结构

依据微电网的供电模式，可将其分为如下三类：

3.1 交流微电网

交流微电网是研究起步最早的微电网形式，同时也是当前应用最广泛的微电网形式。分布式电源、储能设备以及负荷等接入交流母线中，交流母线在公共联结点处与大电网相连。随着负荷逐年增加及供电需求日益多样，交流微电网在电能质量、网络损耗等方面逐渐暴露处较大弊端，面临着巨大挑战。

3.2 直流微电网

直流微电网有着形式简单、控制方便、损耗较小、可靠性高等诸多优点。直流微电网中，分布式电源、储能装置与负荷等接入直流母线上，直流母线再接入交流大电网中。由于直流微电网目前尚处于起步阶段且未有相应制度与标准的出台，因此大规模的推广与应用仍需要一个较长的时间周期。

3.3 交直流混合微电网

交直流混合微电网兼顾交流微电网與直流微电网的优点，可有效避免分布式电源、储能装置及负荷接入单一交流微电网或直流微电网时因多次换流而产生的一系列问题，被认为是未来智能微电网的发展趋势。交直流混合微电网对于不同形式的分布式电源均有较好的兼容性，交流母线与直流母线通过双向换流器进行连接并实现能量双向交互。

4  微电网的规划设计方法

4.1 规划设计建模方法

微电网的规划设计，本质上是多场景非线性综合规划问题，需要根据设计需求形成合适的数学描述。

4.1.1 优化变量

变量通常为光伏电池、风力发电机、燃料电池等微电源、蓄电池等储能设备以及换流器等微电网中主要设备的类型、容量与安装位置等。

4.1.2 设计目标

微电网规划设计的目标，一般包括经济性目标、可靠性目标和环保性目标三类：

①经济性目标通常为综合成本最小化、项目收益最大化等。微电网成本主要包括安装建设成本、运维成本、燃料成本、环保成本、购电成本、损耗成本等;项目收益则主要包含售电收益、节能减排效益、可再生能源发电补贴等。从时间跨度来看，经济性目标的计算时期既可为全寿命周期内，也可取为年平均值。

②环保性目标通常为污染物排放量、化石燃料消耗量、弃风光率等，主要反映微电网系统的环境效益。

③可靠性目标需要能够真实客观反映微电网系统及内部设备的运行状况及对用户供电的影响等，主要指标有自平衡率、供电不足率、平均停电时间、平均停电频率等。

4.1.3 约束条件

微电网规划设计中的约束条件，既需要考虑系统优化运行策略时的约束条件，也需要考虑规划问题自身的约束条件。约束条件主要有：功率平衡约束、自平衡率约束、潮流约束、电压波动约束、设备安装容量约束、设备出力约束、联络线功率约束、能源利用率约束、储能设备充放电约束等。

4.2 优化求解算法

求解电网规划问题，可采用的方法有传统算法与智能算法两种。

传统算法包含枚举法、混合整数规划方法、分支界定法等。当求解空间较小时，采用传统方法简单高效，效率高。但当规划模型中的优化变量数量增多、求解空间较大时，解的组合指数式增长，采用传统方法时计算速度会指数式下降，极为耗费时间。

智能算法主要包括模拟退火算法、群智能算法和混合算法等。智能算法多为随机算法，对于不同模型的适应性好，并且思路简单、容易实现。目前在求解微电网优化规划模型时，常用到的算法有遗传算法、粒子群算法、量子粒子群算法、细菌觅食算法、人工鱼群算法、天牛须算法等以及其改进算法和融合算法。由于当前微电网规划问题需充分考虑分布式电源的不确定性规划模型且约束条件较多，采用传统算法进行求解时受到诸多限制并且求解效果较差，而智能算法则可有效解决传统算法存在的不足，因而成为了微电网规划设计问题中优化求解算法的首选。

5  研究展望

目前已有很多学者多角度对微电网规划设计问题展开研究并取得丰硕成果，但仍有一些关键技术尚需要进一步进行深入系统探讨。

①交直流混合微电网的规划设计。交直流混合微电网由于具备架构灵活、多源供能等优点，目前已成为微电网的未来发展趋势。然而当前学者主要致力于交流微电网的规划问题，对于交直流混合微电网规划设计方法的研究仍处于起步阶段，取得成果较少，有待进一步深化。

②微电网的结构研究。目前关于微电网结构的研究，尚未形成系统完整的结构体系，很多机构在进行研究时均采用微电网结构存在差异，并未达成统一认知。加强相关研究，可促进微电网技术和微电网规划设计方法的发展。

③储能设备的规划研究。储能设备在微电网中起着吸纳多余能量、平衡系统功率等重要作用，是微电网系统能够正常高效运行的关键装置。目前对于微电网中储能设备的规划问题研究考虑较为简单，采用假设条件较多，关于储能设备的自身特性及其对于微电网的影响的探讨并不充分，实践性与适用性较差。因此，开展相关研究，对于提高微电网规划设计方法的合理性与现实性有着重要意义。

参考文献：

[1]梁才浩，段献忠.分布式发电及其对电力系统的影响[J].电力系统自动化，2001（12）：53-56.

[2]邱志能.分布式发电及其对电力系统的影响[J].居舍，2018（14）：183.

[3]王成山，李鹏.分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J].电力系统自动化，2010，34（02）：10-23.