2.3 微电网的构成与分类

2.3.1 微电网的构成

微电网由分布式发电（DG）、负荷、储能装置及控制装置四部分组成。微电网对外是一个整体，通过一个公共连接点（Point of Common Coupling, PCC）与电网相连。

1）分布式发电：DG可以是以新能源为主的多种能源形式，如光伏发电、风力发电、燃料电池；也可以以热电联产（Combined Heat and Power, CHP）或冷热电联产（Combined Cooling Heating and Power, CCHP）形式存在，就地向用户提供热能，提高DG利用效率和灵活性。

2）负荷：负荷包括各种一般负荷和重要负荷。

3）储能装置：储能装置可采用多种储能方式，包括物理储能、化学储能、电磁储能等，用于新能源发电的能量存储、负荷的削峰填谷，微电网的“黑启动”。

4）控制装置：由控制装置构成控制系统，实现分布式发电控制、储能控制、并离网切换控制、微电网实时监控、微电网能量管理等。

2.3.2 微电网的体系结构

微电网的体系结构主要是指微电网的网络拓扑结构，包括微电网的电气接线、供电方式、分布式电源位置及供电负荷等。确定微电网的结构模式是实现微电网优化设计的基础工作。微电网的供电方式（直流/交流供电、单相/三相供电）主要由网架结构决定，其中交流微电网不改变原有电网结构，因此建设较为容易。直流微电网可以减少电力变换环节，有利于体改电能的利用效率，但在母线架设时需要包括直流和交流两种母线，使电网架构更加复杂。图2-1所示是某公司采用“多微电网结构与控制”在示范工程实施中的微电网三层控制方案结构，包括配电网调度层（最上层）、集中控制层（中间层）和就地控制层（最下层）。

1．配电网调度层

配电网调度层为微电网配网调度系统，从配电网的安全、经济运行的角度协调调度微电网。微电网接受上级配电网的调节控制命令，其具体实现的功能为以下4个方面：

1）与大电网相比，微电网是单一可控、可灵活调度的单元，既可与大电网并网运行，也可在大电网故障或需要时与大电网断开，实现离网运行。

2）在发生自然灾害情况（如地震、暴风雪、洪水等）下，微电网可作为配电网的备用电源向大电网提供有效支撑，从而加速大电网的故障恢复。

3）在大电网用电紧张时，微电网可利用自身的储能进行削峰填谷，从而避免配电网大范围的拉闸限电，减少大电网的备用容量。

4）正常运行时参与大电网经济运行调度，提高整个电网的运行经济性。

2．集中控制层

集中控制层为微电网控制中心（Micro-Grid Control Center, MGCC），是整个微电网控制系统的核心部分，对DG发电功率和负荷需求进行预测，制订运行计划，根据采集的电流、电压、功率等信息，对运行计划实时调整，控制各DG、负荷和储能装置的启停，保证微电网电压和频率稳定。在微电网并网运行时，优化微电网运行，实现微电网最优经济运行；在微电网离网运行时，调节分布电源出力和各类负荷的用电情况，实现微电网的稳态安全运行。在微电网并网运行时负责实现微电网优化运行，在离网运行时调节分布式发电出力和各类负荷的用电情况，实现微电网的稳态安全运行，其功能具体表现为以下4个方面：

1）在并网运行时，微电网可实施经济调度、优化协调各DG和储能装置、实现削峰填谷以平滑负荷曲线。

2）在并离网过渡中，微电网可协调就地控制器，从而快速完成转换。

3）在离网运行时，微电网可协调各分布式发电、储能装置、负荷，保证微电网重要负荷的供电，维持微电网的安全运行。

4）在停运时，微电网可实现“黑启动”，使微电网快速恢复供电。

3．就地控制层

就地控制层负责执行微电网各DG调节、储能充放电控制和负荷控制。它由微电网的就地保护设备和就地控制器组成，其就地控制器完成分布式发电对频率和电压的一次调节，而就地保护完成微电网的故障快速保护，通过就地控制和保护的配合实现微电网故障的快速“自愈”。DG接受微电网控制中心调度控制，并根据调度指令调整其有功、无功出力，其功能具体表现为以下3个方面：

1）离网主电源就地控制器实现U/f控制和P/Q控制的自动切换。

2）负荷控制器根据系统的频率和电压，切除不重要负荷，从而保证系统的安全运行。

3）就地控制层和集中控制层采取弱通信方式进行联系。其中，就地控制层实现微电网暂态控制，微电网集中控制中心实现微电网稳态控制和分析。

2.3.3 微电网的运行模式

微电网根据与输电网主干线路的关系，可以分为并网运行和离网运行两种模式。

1．并网运行

并网运行就是微电网与公用大电网相连（PCC闭合），与主网配电系统进行电能交换。系统并网运行时主要是对电池充放电进行调节，调节的宗旨是最大限度地分配微电网内的电能。

并网运行根据功率交换的不同又可分为功率匹配运行状态和功率不匹配运行状态。如图2-2所示，配电网与微电网通过公共连接点（PCC）相连，流过PCC处的有功功率为ΔP，无功功率为ΔQ。当ΔP=0且ΔQ=0时，流过PCC的电流为零，微电网各DG的出力与负荷平衡，配电网与微电网实现了零功率交换，这也是微电网最佳、最经济的运行方式。此种运行方式被称为功率匹配运行状态。当ΔP≠0或ΔQ≠0时，流过PCC的电流不为零，配电网与微电网实现了功率交换，此种运行方式被称为功率不匹配运行状态。在功率不匹配运行状态情况下，若ΔP＜0，微电网各DG发出的电除满足负荷使用外，多余的有功输送给配电网，这种运行方式称为有功过剩；若ΔP＞0，微电网各DG发出的电不能满足负荷使用，需要配电网输送缺额的电力，这种运行方式称为有功缺额。同理，若ΔQ＜0，称为无功过剩；若ΔQ＞0，为无功缺额，都为功率不匹配运行状态。微电网运行模式互相转换的示意图如图2-3所示。

1）在停运时，微电网通过并网控制可以直接转换到并网运行模式；在并网运行时，微电网通过离网控制可转换到离网运行模式。

2）在停运时，微电网通过离网控制可以直接转换到离网运行模式；在离网运行时，微电网通过并网控制可转换到并网运行模式。

3）在并网或离网运行时，微电网可通过停运控制使微电网停运。

2．离网运行

离网运行又称孤岛运行，是指在电网故障或计划需要时，与主网配电系统断开（即PCC断开），由DG、储能装置和负荷构成的运行方式。系统离网运行的调节对象是发电单元输出功率和负载功率的平衡。微电网离网运行时由于自身提供的能量一般较小，不足以满足所有负荷的电能需求，因此依据负荷供电重要程度的不同而进行分级，以保证重要负荷供电。

离网运行根据与主网的连接关系可以分为完全不与外部电网连接的微电网和暂时不与外部电网连接的微电网。完全不与外部电网连接的微电网主要适用于山地或海岛等具有分散性供电需求的地域，而暂时不与外部电网连接的微电网往往是由于电网故障或电能质量问题造成的，这种离网运行模式在一定程度上可以提高电网运行过程中的安全性和稳定性。

2.3.4 微电网的控制模式

微电网常用的控制模式主要分为3种：主从型、对等型和综合型。其中，主从型控制模式是小型微电网最常用的模式。

1．主从型控制模式

主从型控制模式（Master-slave Mode）是指在微电源中有一个或多个微电源作为主控电源，支撑系统的电压和频率，其他微电源处于从属地位不参与电压和频率的调节方式。主控电源采用U/f控制，其他微电源采用P/Q控制。其微电网结构如图2-4所示。在并网运行时，由于微电网相比于大电网容量较小，电压和频率由电网支撑，所有DG保持P/Q控制模式运行。当电网出现故障时，微电网与大电网断开，微电网运行于主从型控制模式，主控DG以U/f控制模式运行，其输出电压和频率不变，为微电网提供电压和频率支撑，其他从属DG仍工作于PQ控制模式。当微电网系统由于负荷变化出现功率不平衡时，由主控电源进行功率补偿。

主从型控制模式存在以下缺点。首先，主控DG采用U/f控制策略，其输出的电压是恒定的，要增加输出功率，只能增大输出电流，而负荷的瞬时波动通常首先由主控DG来进行平衡，因而要求主控DG有一定的可调节容量。其次，由于整个系统是通过主控DG来协调控制其他DG的，因此一旦主控DG出现故障，整个微电网也就不能继续运行。另外，主从控制需要微电网能够准确地检测到孤岛发生的时刻，孤岛检测本身即存在一定的误差和延时，因而在没有通信通道支持下，控制策略切换存在失败的可能性。

主控DG要能够满足在两种控制模式间快速切换的要求。微电网中主控DG有以下3种选择：

1）光伏、风电等随机性DG。

2）储能装置、微型燃气轮机和燃料电池等容易控制并且供能比较稳定的DG。

3）DG+储能装置，如选择光伏发电装置与储能装置或燃料电池结合作为主控DG。

上述3种方式中，第3种方式具有一定的优势，能充分利用储能系统的快速充放电功能和DG所具有的可较长时间维持微电网孤岛运行的优势。采用这种模式，储能装置在微电网转为孤岛运行时可以快速为系统提供功率支撑，有效地抑制由于DG动态响应速度慢引起的电压和频率的大幅波动。

2．对等型控制模式

对等型控制模式（Peer-to-peer Mode）是基于电力电子技术的“即插即用”与“对等”的控制思想，微电网中各DG之间是“平等”的，各控制器间不存在主从关系。它采用基于下垂特性的下垂（Droop）控制策略，微电源设置好下垂系数、有功无功参考值和电压参考值后，所有的微电源同时参与微电网的电压和频率调节，同时合理分配有功功率和无功功率。对等型控制模式中由于微电源均采用下垂控制，属于有差调节，稳定时系统电压和频率会有一定的稳态误差。所有DG以预先设定的控制模式参与有功和无功的调节，从而维持系统电压、频率的稳定。对等型控制微电网结构如图2-5所示。在对等型控制模式下，当微电网离网运行时，每个采用下垂控制模型的DG都参与微电网电压和频率的调节。在负荷变化的情况下，自动依据下垂系数分担负荷的变化量，即各DG通过调整各自输出电压的频率和幅值，使微电网达到一个新的稳态工作点，最终实现输出功率的合理分配。下垂控制模型能够实现负载功率变化在DG之间的自动分配，但负载变化前后系统的稳态电压和频率也会有所变化。对系统电压和频率指标而言，这种控制实际上是一种有差控制。由于无论在并网运行模式还是在孤岛运行模式下，微电网中DG的下垂控制模型都可以不加变化，因此系统运行模式易于实现无缝切换。

采用下垂控制模型的DG根据接入系统点电压和频率的局部信息进行独立控制，实现电压、频率的自动调节，不需要相应的通信环节，可以实现DG的“即插即用”，灵活方便地构建微电网。与主从型控制模式由主控DG分担不平衡功率不同，对等型控制模式将系统的不平衡功率动态分配给各DG承担，具有简单、可靠、易于实现的特点，但是也牺牲了频率和电压的稳定性，目前采用这种控制模式的微电网实验系统仍停留在实验室阶段。

3．综合型控制模式

综合型控制模式是把微电网分成能量管理层、协调控制层、就地控制层的三层控制结构，依赖协调控制层的微电网控制中心（Micro-grid Center, MGCC）集中管理各个DG、储能装置及负荷，实现微电网离网能量平衡，是目前微电网普遍采用并具备商业应用的一种成熟技术模式。但分层控制依赖通信，结构复杂，且技术指标不高，存在“有缝”切换、非计划孤岛过电压、并网合闸冲击等问题。

主从型控制模式和对等型控制模式各有优劣，在实际微电网中，可能有多种类型的DG接入，既有光伏发电、风力发电这样的随机性DG，又有微型燃气轮机、燃料电池这样比较稳定和容易控制的DG或储能装置，不同类型DG的控制特性差异很大。采用单一的控制方式显然不能满足微电网运行的要求，结合微电网内DG和负荷都具有分散性的特点，根据DG的不同类型采用不同的控制策略，可以采用既有主从型控制又有对等型控制的综合型控制模式。

2.3.5 微电网的接入电压等级

微电网根据接入电压等级不同，可以分为以下三种：

1）380V接入（市电接入）。

2）10kV接入。

3）380V/10kV混合接入。

图2-6所示是微电网接入电压等级示意图。其中，图2-6a表示接入电压为市电380V的低压配电网；图2-6b表示接入电压为10kV的配电网，需要通过升压变压器将380V电压变为10kV接入电压；图2-6c表示接入电压既有市电380V低压配电网，也有10kV配电网。

2.3.6 微电网的分类

微电网建设应根据不同的建设容量、建设地点、分布式电源的种类，建设适合当地具体情况的微电网。建设的微电网按照不同分类方法可作如下分类。

1．按功能需求分类

按功能需求划分，微电网分为简单微电网、多种类设备微电网和公用微电网。

（1）简单微电网

简单微电网仅含有一类分布式发电，其功能和设计也相对简单，如仅为了实现冷热电联供（CCHP）的应用或保障关键负荷的供电。

（2）多种类设备微电网

多种类设备微电网含有不只一类分布式发电，由多个不同的简单微电网组成或者由多种性质互补协调运行的分布式发电构成。相对于简单微电网，多种类设备微电网的设计与运行则更加复杂，在该类微电网中应划分一定数量的可切负荷，以便在紧急情况下离网运行时维持微电网的功率平衡。

（3）公用微电网

在公用微电网中，凡是满足一定技术条件的分布式发电和微电网都可以接入，它根据用户对可靠性的要求进行负荷分级，在紧急情况下首先保证高优先级负荷的供电。

微电网按功能需求分类很好地解决了微电网运行时的归属问题：简单微电网可以由用户所有并管理；公用微电网则可由供电公司运营；多种类设备微电网既可属于供电公司，也可属于用户。

2．按用电规模分类

按用电规模划分，微电网分为简单微电网、企业微电网、馈线区域微电网、变电站区域微电网和独立微电网，见表2-1。

（1）简单微电网

简单微电网的用电规模小于2MW，由多种负荷构成的、规模比较小的独立性设施、机构，如医院、学校等。

（2）企业微电网

企业微电网的用电规模在2～5MW，由规模不同的冷热电联供设施加上部分小的民用负荷组成，一般不包含商业和工业负荷。

（3）馈线区域微电网

馈线区域微电网的用电规模在5～20MW，由规模不同的冷热电联供设施加上部分大的商业和工业负荷组成。

（4）变电站区域微电网

变电站区域微电网的用电规模大于20MW，一般由常规的冷热电联供设施加上附近全部负荷（即居民、商业和工业负荷）组成。

以上四种微电网的主网系统为常规电网，因此又统称为并网型微电网。

（5）独立微电网

独立微电网主要是指常规电网辐射不到的地区，包括海岛、山区、农村，主网配电系统采用柴油发电机发电或其他小机组发电构成主网供电，满足地区用电。

3．按交直流类型分类

按交直流类型划分，微电网分为直流微电网、交流微电网和交直流混合微电网。

（1）直流微电网

直流微电网是指采用直流母线构成的微电网，如图2-7所示。DG、储能装置、直流负荷通过变流装置接至直流母线，直流母线通过逆变装置接至交流负荷。直流微电网向直流负荷、交流负荷供电。直流微电网架是未来微电网发展的方向，更加符合负荷多样性的发展趋势，分布式电源、储能系统、交直流负荷等均通过电力电子装置连接至直流母线，储能系统可以通过电力电子装置补偿分布式电源和负荷的波动。

直流微电网的优点：

1）由于DG的控制只取决于直流电压，直流微电网的DG较易协同运行。

2）DG和负荷的波动由储能装置在直流侧补偿。

3）与交流微电网比较，损耗小、效率高，控制容易实现，不需要考虑各DG间的同步问题，环流抑制更具有优势。

直流微电网的缺点：常用用电负荷为交流负荷，需要通过逆变装置给交流用电负荷供电。

（2）交流微电网

交流微电网是指采用交流母线构成的微电网，交流母线通过公共连接点（PCC）断路器控制，实现微电网并网运行与离网运行。图2-8所示为交流微电网结构。交流微电网是微电网的主要形式。交流微电网中，风机、微燃机等输出交流电的分布式电源通常直接或经AC/DC/AC转换装置连接至交流母线，而光伏模块、燃料电池等输出直流电的分布式电源则必须经过DC/AC逆变器连接至交流母线，分布式电源和公共电网依照特定的计划为负荷供电。

交流微电网的优点：采用交流母线与电网相连，符合交流用电情况，交流用电负荷不需专门的逆变装置。

交流微电网的缺点：微电网控制运行较难。

（3）交直流混合微电网

交直流混合微电网是指采用交流母线和直流母线共同构成的微电网。图2-9所示为交直流混合微电网结构，含有交流母线及直流母线，可以直接给交流负荷及直流负荷供电。从整体上看，交直流混合微电网是特殊电源接入交流母线，仍可以看作交流微电网。从整体上看，交直流混合微电网是特殊电源接入交流母线，故仍可看作是交流微电网。

交直流混合微电网的优点：解决了多次换流带来的诸多问题，降低了电力变换带来的能量损耗，具有更高的效率和灵活性，对交直流分布式电源皆有较好的兼容性。

交直流混合微电网的缺点：技术要求偏高。