隨著經濟的高速發(fā)展，世界范圍內大面積停電事故使得大規(guī)模電力系統集中式發(fā)電的運行難度大、供電質量得不到保障、難以滿足用戶對電能質量高要求等問題日益凸顯；同時，環(huán)境污染與能源危機等問題也備受社會關注，尋找高效環(huán)保的新型電網模式日益成為當今學者研究的重要課題。

針對傳統電網的弊端，美國、歐盟、德國、日本以及中國等國家相繼提出了微電網概念。與大電網模式的集中式能源系統相比，微電網有著節(jié)省建設投資和運行費用的經濟前景。但微電網的發(fā)展存在一些技術難題，例如微電網的運行與控制問題、功率平衡問題、電能質量問題以及保護問題等，仍需相關學者進行更加深入的研究。

國家能源局充分認識到了新能源微電網建設的重要意義，并相繼出臺了《關于推進新能源微電網示范項目建設的指導意見》與《配電網建設改造行動計劃（2015— 2020年）的通知》等文件，將新能源與分布式電源并網、微電網示范工程列入配網建設規(guī)劃，探索適應新能源發(fā)展的微電網技術及運營管理體制，在政策層面更加肯定了微電網在未來分布式能源供應系統發(fā)展中的趨勢。因此，探究微電網不僅對新能源發(fā)電技術的應用與普及非常有利，而且對緩解世界能源危機和環(huán)境污染問題也具有重要意義。

本文在微網的概念特征、結構分類、并網與孤島兩種運行模式的基礎上，歸納了微網的分層控制策略、電能質量與保護，并對微網未來的發(fā)展形態(tài)進行了展望。

1 微網概念及特征

1.1 微網概念

微網是一個由分布式電源、儲能裝置、負荷以及控制系統組成的一個小型配電系統。美國CERTS（consortium for electric reliability technology solu- tions）對微網的定義是：微網是由微型電源和負荷組成的供電系統，可同時供熱和提供電能；對外相當于單一受控單元，并可滿足電力用戶對供電安全與電能質量等的要求。

國網電科院于2009年召開的“微網技術體系研究”工作會議將微網定義為：微網是在分布式發(fā)電技術的基礎上，借助用戶的小型電站或分散型資源，綜合能源梯級利用技術與終端用戶電能質量管理，所形成的分散式功能、小型模塊化網絡。

雖然國內外對微網有著不同的定義，但一致認同的是：微網是在分布式發(fā)電技術的基礎上，融合控制裝置、保護裝置以及儲能裝置的一體化單元；可在孤島與并網兩種模式下運行、集約應用分布式新能源、提高供電可靠性與改善電能質量，具有高度的可靠性和穩(wěn)定性。

1.2 微網特征

有學者歸納出微網的相關特征，見表1。

表1 微網的特征

2 微網結構分類

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

交流微網適合搭建在島嶼等地，交流微網拓撲結構示意圖如圖1所示。

直流微網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急供電場合。直流微網的拓撲結構示意圖如圖2所示。

交直流混合微網適用范圍較廣，如工業(yè)與商業(yè)園區(qū)、偏遠小鎮(zhèn)及海島等地，其拓撲結構示意圖如圖3所示。

圖1 交流微網拓撲結構示意圖

圖2 直流微網拓撲結構示意圖

圖3 交直流混合微網拓撲結構示意圖

3 微網運行模式與控制策略

3.1 微網運行模式

有學者指出，微網系統有孤島運行和并網運行2種運行模式。孤島運行是在電能質量不滿足要求或電網故障時，微網脫離大電網獨立運行的模式，具備獨立孤島運行能力可提高微網供電可靠性。并網運行是微網作為單一受控源與大電網連接，大電網可補充微網發(fā)電量不足或微網把余電送至大電網。并且，可采用控制策略在兩種運行模式間無縫切換。

有學者以低壓直流微電網系統為研究對象，系統中并網模式與離網運行模式切換條件如圖4所示。

圖4 離網運行與并網運行

3.2 基于分層理念的直流微網控制策略

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

有學者指出微網有孤島和并網兩種運行模式，并且在任何一種模式下都有設備級與系統級兩個控制層，微網的這兩個控制層構成了直流微網的基本運行控制體系。其中，設備級控制主要在于實現系統功率平衡，維持直流母線電壓穩(wěn)定以保證微網穩(wěn)定運行；而系統級控制旨在提升系統可靠性與效率，對系統進行能量優(yōu)化與集中管理，以實現運行最優(yōu)。

國內外學者的相關文獻將如圖5所示的分層控制系統引入到直流微電網的控制中，根據時間尺度來實現設備級與系統級的控制，完成電能質量調節(jié)、電氣量控制與經濟運行控制，以實現微網控制系統的可擴展性、標準化以及整體運行性能的提升。

圖5 直流微網分層控制結構

有學者提到，國內外研究將交流微網中廣泛采用的基于分層控制體系的能量管理系統引入到直流微網中。如圖6所示，按照控制的時間尺度以及控制目標分為3層。

圖6 直流微網分層控制

圖6中，第一層控制的目標是維持直流母線電壓穩(wěn)定，是控制的基礎和核心，協調方式有主從控制和對等控制；第二層控制的目標是實現直流微網中各單元之間的協調控制，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，通過電源、負荷預測以及按照不同的約束條件和優(yōu)化目標進行優(yōu)化調度，從而實現微電網高效、經濟的運行目標。

基于分層理念的微網控制策略是當前的主流控制架構，也是微網控制技術進一步發(fā)展與完善的方向。

4 微網電能質量與保護

4.1 微網電能質量

有學者指出微網配置了諸多電力電子裝置和分布式電源的存在，使之與傳統大電網相比有了新特性。微網電能質量指標的新特性歸納見表2。

表2 微網電能質量指標新特性

1）微網電能質量治理方案

目前一般使用電力電子裝置來治理微網電能質量，如串/并聯型有源電力濾波器來改善配電網的電能質量，這種方法存在無法及時響應的問題。然而，微網電能質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防的。

有學者提出主要從2個方面治理微電網電能質量：①使用配置電能質量治理裝置如有源電力濾波器、靜止無功發(fā)生器等對電能質量問題進行被動治理；②在微網電源控制策略層面來改善電能質量。

慕小斌等人結合微網電能質量的新特點，從微網側治理方案、微網的配電側治理方案、公共連接點（point of common coupling, PCC）處治理方案3個方面展開了微網電能質量治理方面的研究工作。

（1）配電網側治理方案

此方案將微網視為“發(fā)電負荷”從配電網側進行電能質量治理。其電氣特性與配電網所呈現的常規(guī)電氣特性存在一定差異，治理時需考慮發(fā)電裝置輸出諧波、有功無功功率、諧振以及不平衡等因素，以治理多微網對配電網的電能質量串擾問題。

（2）微網側治理方案

此方案與傳統配電網較為相似，靈活性高。治理時可通過調整微網內儲能、微源與線性負荷、非線性負荷的功率潮流關系改善電能質量，也可就地在微網非線性負荷附近與PCC處安裝輔助設備來治理電能質量問題。

（3）PCC處治理方案

在PCC處治理旨在確保PCC點的電壓電流質量最優(yōu)。如接入逆變器至直流母線以在微網內構建串聯補償器，則可在配電網與微網間PCC處治理并改善電能質量。

2）微網電能質量治理措施發(fā)展方向

根據目前國內外微網電能質量的研究可知：①在微觀層面，交直流相輔相成將是未來微網結構的方向；②在宏觀層面，未來微網電能質量的研究熱點，將是基于柔性電力技術，提供面向多元化負荷、微源以及配電網一次設備的解決方案。

在電能質量與供電可靠性方面，靈活可控、魯棒性強的微網與微網群將對配電網的電能質量與供電可靠性提供較強支撐。微網與配電網兩者相輔相成，可實現微網內局部保護、聯絡功率平抑的控制保護裝置與儲能裝置將會顯著提高微網的優(yōu)勢。

4.2 微網保護

國際大電網委員會相關技術會議提出，研究直流微網并對其進行保護與故障分析，研究前景與價值意義重大。交流微網保護方案效果較理想，但直流微網更加契合未來智能電網的發(fā)展，目前微網的保護更多側重于直流微網保護的研究。

1）直流微網的保護

有學者指出直流微網的保護缺乏相應的標準、執(zhí)行準則和實際操作的經驗；在設計直流微網的保護系統時，應分析交流微網的哪些標準可以應用于直流微網，同時還得借鑒直流牽引的保護經驗。微網保護系統的設計應遵循可靠性、靈敏性、經濟性以及簡潔性的原則。

有學者對直流配電領域保護的研究現狀進行了總結，并重點介紹了目前典型直流配電系統的整體保護配置方案，以及直流配電系統的故障定位與隔離，提出了當前直流配電系統保護亟待解決的問題，對其未來發(fā)展方向進行了展望。

有學者提出了一種安裝感性阻抗、并與瞬時故障電流和電流導數相結合的故障分類新方法。并通過仿真試驗證明該新方法能夠將直流微電網中的短路故障精確分類，準確隔離故障區(qū)域并快速恢復系統，適用于多母線和多支線直流微電網短路故障的有效保護方案。

有學者對直流微網的4種接地方式進行了比較，指出負極經合適電阻接地的方式簡單經濟，便于接地故障檢測。并設計一種橫聯保護原理，分析了該保護方案在各種網絡結構和不同故障位置時的適用性。

2）直流微網研究展望

有學者展望了未來直流微網保護的發(fā)展方向：①對于故障限流，可由改變控制策略與換流器的拓撲結構實現故障特征強化保護、故障電流抑制；②直流微網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原理相結合以保證器件安全，有望解決微網故障快速切除問題；③直流微網保護研究應基于當前現實技術，如直流斷路器、限流器與換流器的研究現狀，在平衡經濟性的情況下確保直流微網保護方案的應用。

直流微網保護仍只在理論研究層面，實際工程尚不成熟，且存在保護期間與經濟性約束，有待進一步研究切實有效的直流微網保護方案。

5 微網發(fā)展形態(tài)

我國電網提出全球能源互聯網戰(zhàn)略，并進行了能源互聯網示范工程探索。國家能源局于2015年發(fā)布的《互聯網+智慧能源行動計劃》，是從設計方面著手來探索能源互聯網建設。

著眼于電能融合與多種能源互補對未來配電系統形態(tài)進行研究展望，需要結合能源互聯網的理念在未來的能源互聯網概念下立足與發(fā)展，其前瞻性意義重大。因直流微網不存在交流微網中的諧波電流、交直流轉換損耗以及無功功率等問題，直流微網的研究顯得越發(fā)重要。直流網絡的架構更加適合未來微網系統的發(fā)展方向，更加符合未來微網負荷多樣性的發(fā)展趨勢。

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

針對目前的問題和挑戰(zhàn)，未來配電網的結構和運行模式將發(fā)生怎樣的變化，發(fā)展趨勢如何，成為目前電力系統領域研究的一個熱點。在未來配電網形態(tài)研究方面，有學者提出可再生能源和分布式能源的不斷滲透，未來配電網的形態(tài)將逐漸發(fā)展為以微網和分布式可再生能源為重點的多元電力供應系統。有學者基于“手拉手”式的傳統配電網結構，提出使用柔性直流供電技術來搭建交直流混合配電網系統。

隨著儲能裝置的進一步發(fā)展，以及配電網中電動汽車、電車等直流負荷與辦公直流用電設備增加，并且交流直流轉換環(huán)節(jié)將損失10%～30%的電能，未來基于儲能裝置的、以用戶為單位的低壓直流微電網將對大電網形成重要支撐。

6 結論

微網技術的發(fā)展和應用，對于緩解環(huán)境污染與能源危機等問題意義深遠。本文總結了微網的分層控制策略、電能質量、保護、儲能等方面的內容，并對基于儲能的低壓直流微網在未來配電系統中的發(fā)展趨勢進行了展望，未來微網技術將引發(fā)配電系統的變革。

直流微網在工程應用和關鍵產品方面仍存在較大的發(fā)展瓶頸，但直流微網在供電可靠性與節(jié)能降耗方面有著長遠意義，未來將進一步關注直流微網在工程實用化方向的發(fā)展并繼續(xù)開展研究工作。