智能微网整体解决方案
版本：[v1.0]
新能源事业部
山东鲁能智能技术有限公司
2013年4月1日
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文档审批信息
目录
第1章 概述 .................................................................................................................................................. 5
第2章 定义及意义 ...................................................................................................................................... 5
2.1
2.2
2.3
2.4 微网定义 .......................................................................................................................................... 5 特点 .................................................................................................................................................. 6 意义 .................................................................................................................................................. 6 面临的问题 ...................................................................................................................................... 7
第3章 国内外现状 ...................................................................................................................................... 8
3.1
3.2
3.3
3.4 美国 .................................................................................................................................................. 8 日本 .................................................................................................................................................. 9 欧洲 ................................................................................................................................................ 10 国内 ................................................................................................................................................. 11
第4章 需求分析 ........................................................................................................................................ 13
第5章 总体架构设计 ................................................................................................................................ 13
5.1
5.2
5.3
5.4 设计原则 ........................................................................................................................................ 13 逻辑架构 ........................................................................................................................................ 13 物理架构 ........................................................................................................................................ 14 功能架构 ........................................................................................................................................ 14
第6章 关键技术分析 ................................................................................................................................ 14
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
6.10 微网整体规划设计 ........................................................................................................................ 14 分布式能源接入与管理 ................................................................................................................ 14 储能管理 ........................................................................................................................................ 14 就地保护与监控管理 .................................................................................................................... 15 智能调度 ........................................................................................................................................ 15 并离网无缝切换 ............................................................................................................................ 15 信息与通信 .................................................................................................................................... 15 能量管理系统 ................................................................................................................................ 25 智能用电策略 ................................................................................................................................ 25 高级分析与预测 ............................................................................................................................ 26
第7章 系统功能设计 ................................................................................................................................ 26
7.1 分布式发电 .................................................................................................................................... 26
7.1.1
7.1.2
7.2 太阳能发电系统 .................................................................................................................... 26 微型燃气轮机系统 ................................................................................................................ 26 储能系统 ........................................................................................................................................ 26
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.3 电池管理系统 ........................................................................................................................ 26 储能系统 ................................................................................................................................ 26 能量转换系统 ........................................................................................................................ 26 保护、控制与调度管理 ................................................................................................................ 26
7.3.1
7.3.2
7.3.3
7.4 监控管理 ................................................................................................................................ 26 就地控制与保护 .................................................................................................................... 26 调度管理 ................................................................................................................................ 26 能量管理 ........................................................................................................................................ 26
7.4.1
7.4.2
7.5 能量管理系统 ........................................................................................................................ 26 电能质量与监测 .................................................................................................................... 26 用电管理 ........................................................................................................................................ 26
7.5.1
7.5.2
7.5.3
7.5.4
7.6 用电可视化 ............................................................................................................................ 26 智能小区 ................................................................................................................................ 26 电动汽车 ................................................................................................................................ 26 智能预测与分析 .................................................................................................................... 26 并网管理 ........................................................................................................................................ 26
7.6.1
7.6.2 并网接入管理 ........................................................................................................................ 26 谐波治理 ................................................................................................................................ 26
第1章 概述
近年来，随着国民经济的快速发展发展，电力需求增长迅猛；为适应快速发展的经济需要，电力部门逐年加大发电侧的投资兴建发电厂，建设内容主要集中在火电、水电以及核电等大型发电厂上。同时国家电网也启动了智能电网和特高压的建设，电网规模不断扩大。已逐步发展成集中发电、远距离输电的超大互联网络系统。但随着远距离输电的不断增大、使得受端电网对外来电力的依赖程度不断提高，电网运行的稳定性和安全性趋于下降，而且难于满足多样化供电需求。尤其在近年来世界范围内接连发生几次大面积停电事故之后，电网的脆弱性充分暴露了出来，因此分布式发电被提上了日程。分布式发电技术以具有低污染、高能源利用效率、可节约电网投资、提高大电网供电可靠性等优点得到重视。分布式电源优点突出, 但其控制困难、单机接入成本高、大量接入可能会对电网造成冲击，影响电能质量和系统的安全稳定等特点也极大地影响了分布式电源的应用。大电网往往采取限制、隔离的方式来调度分布式电源, 以期减小其对大电网的冲击, 并对分布式电源的人网标准做了规定，当电力系统发生故障时, 往往都在第一时间将分布式电源退出运行,大大限制了分布式发电技术的充分发挥。为协调大电网与分布式电源（DG）的矛盾，充分挖掘DG的价值和效益，在本世纪初，学者们提出了一个解决方法，即将DG及负荷一起作为公共配网的一个单一可控的子系统——微电网（Microgrid）, 以充分挖掘分布式发电的价值和效益。
微网目前已经为世界各国政府所重视。美国能源部制定了美国电力系统未来几十年的研究与发展规划, 微网是其重要组成之一。日本专门成立了新能源综合开发机构统一协调国内高校、企业与国家重点实验室对新能源及其应用的研究。在欧盟第五框架中, 题为“微网微型电源大规模接人低压电网的尝试”的研究项目获得资助450万欧元。我国“十一五”规划已将积极推动和鼓励可再生能源的发展作为中国的重点发展战略之一。2020年可再生能源发展目标为装机容量100GW。作为利用分布式发电的有效形式, 微网将得到快速的发展。
第2章 定义及意义
2.1 微网定义
微网是相对传统大电网的一个概念，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。从微观看，微网可以看做是小型的电力系统，它具备完整的发输配电功能，可以实现局部的功率平衡与能量优化，它与带有负荷的分布式发电系统的本质区别在于同时具有并网和独立运行能力。从宏观看，微网又可以认为是配电网中的一个“虚拟”的电源或负荷，相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。
2.2 特点
通过微网的结构和定义可知，微网技术是新型电力电子技术和分布式发电、可再生能源发电技术和储能技术的有机结合。具有以下主要特点：
（1）微网提供了一个有效集成应用DG的方式，继承拥有了所有单独DG系统所具有的优点。
（2）微网作为一个独立的整体模块，不会对大电网产生不利影响，不需要对大电网的运行策略进行修改。
（3）微网可以以灵活的方式将DG接人或断开，即DG具有“即插即用”的能力。
（4）多个DG联网的微网增加了系统容量，并有相应的储能系统，使系统惯性增大，减弱电压波动和电压闪变现象，改善电能质量。
（5）微网在上级网络发生故障时可以孤立运行继续保障供电，提高供电可靠性。
2.3 意义
微电网对我国电力系统和国民经济的发展也有重要的意义。
（1）微电网可以提高电力系统的安全性和可靠性，有利于电力系统抗灾能力建设。目前，我国电力工业发展已进入大电网、高电压、长距离、大容量阶段，六大区域电网已实现互联，网架结构日益复杂。实现区域间的交流互联，理论上可以发挥区域间事故支持和备用作用，实现电力资源的优化配置。但是大范围交流同步电网存在大区间的低频振荡和不稳定性，其动态稳定事故难以控制，造成大面积停电的可能性大。另一方面，厂网分开后，市场利益主体多元化，厂网矛盾增多，厂网协调难度加大，特别是对电网设备的安全管理不到位，对电力系统安全稳定运行构成了威胁。与常规的集中供电电站相比，微电网可以和现有电力系统结合形成一个高效灵活的新系统，具有以下优势：无需建设配电站，可避免或延缓则增加输配电成本，没有或很低的输配电损耗，可降低终端用户的费用；小型化，对建设所要求不高，不占用输电走廊，施工周期短，高效性灵活，能够迅速应付短期激增的电力需求，供电可靠性高，同时还可以降低对环境的污染等。
（2）微电网可以促进可再生能源分布式发电的并网，有利于可再生能源在我国的发展。处于电力系统管理边缘的大量分布式电源并网有可能造成电力系统不可控、不安全和不稳定，从而影响电网运行和电力市场交易，所以分布式发电面临许多技术障碍和质疑。微电网可以充分发挥分布式发电的优势、消除分布式发电对电网的冲击和负面影响，是一种全新的概念，使用系统的方法解决分布式发电并网带来的问题。通过将地域相近的一种微电源、储能装置与负荷结合起来进行协调控制，微电网对配电网表现为“电网友好型”的单个可控集合，可以与大电网进行能量交换，在大电网发生故障时可以独立运行。
（3）微电网可以提高供电可靠性和电能质量，有利于提高电网企业的服务水平。微电网可以根据终端用户的需求提供差异化的电能，根据微电网用户对电力供给的不同需求将负荷分类，
形成金字塔形的负荷结构。负荷分级的思想体现了微电网个性化供电的特点，微电网的应用有利于电网企业向不同终端用户提供不同的电能质量及供电可靠性。
（4）微电网可以延缓电网投资，降低网损，有利于建设节约型社会。传统的供电方式是由集中式大型发电厂发出的电能，经过电力系统的远距离、多级变送为用户供电的方式，即“就地消费”，因此能够有效减少对集中式大型发电厂电力生产的依赖以及远距离电能传输、多级变送的损耗，从而延缓电网投资，降低网损。
（5）微电网可以扶贫，有利于社会主义新农村建设。微电网能够比较有效地解决我国西部地区目前常规供电所面临的输电距离远、功率小、线损大、建设变电站费用昂贵的问题，为我国边远及常规电网难以覆盖的地区的电力供应提供有力支持。
2.4 面临的问题
（1）技术不成熟
目前微电网项目尚处于试验示范阶段，仅在极个别示范区、海岛有所应用，从规划设计、设备选型到投产运行等各方面均面临着诸多问题。
很多微电网设备是新研制产品，不能满足实际需求，缺乏现场经验（如微电网运行管理设备）； 微电网监控与能量管理系统目前尚处于研发阶段，功能不完善，无法满足运行管理要求； 从运行情况来看，目前微电网项目供电可靠性不高。
（2）投资及运维成本高
为满足微电网孤网运行要求，实现自身电力电量平衡，要求配置的储能装置容量占总容量的80%以上，但目前储能系统建设投资成本较高；
微电网监控平台及能量管理系统目前尚处于开发试运行阶段，投资成本高；
微电网运行维护需培训专门的微网运行维护人员，承担微网所有设备的运行维护责任，尤其对于偏远地区或孤立海岛的微电网，相较一般电网运维成本高。
（3）配套政策不成熟
根据我国《可再生能源法》规定，“国家鼓励和支持可再生能源并网发电”，“国家实行可再生能源发电全额保障性收购制度”。政策环境支持微电网并网，但对电网企业的合理补偿存在较大欠缺，电网企业利益无法得到保证。
关于微电网建设、运营模式，政府相关政策尚不清晰。
（4）标准规范不完善
目前，分布式电源已有相应的国际标准，国内标准正在制定及完善中，但对于微电网接入、规划设计、建设运行和设备制造等环节缺乏相应的国家层面的技术标准、管理规范。
第3章 国内外现状
近年来，微电网引起了世界能源专家和电力工业界的高度重视，许多国家都将其纳入了未来电力发展战略计划。目前，美国、日本、欧盟等许多国家和地区都立足于本国电力工业实际和能源可持续发展目标，纷纷开展了微电网研究。
3.1 美国
美国于本世纪初最早提出了微电网的概念，因受美国能源部的电力提供和能源可靠性办公室、加州能源委员会的资助，十多年来，美国的微电网研究一直进行地有条不紊。美国希望微电网的研究与应用，可以提高系统的供电可靠性、可以提供多种电能质量、同时可以降低成本和加速电网智能化进程。美国威斯康星大学麦迪逊校部的Lasseter教授在实验室建立了一个容量为200KW、电压为208/280V的微电网，CERTS微电网的可行性研究已经在美国实验室得到了初步检验。Mad River微电网是由美国北部电力系统承建的美国第1个微电网示范工程，该工程的建设目的主要有：
１、通过研究和测试，检验微电网的建模、仿真方法；
２、研究检验微电网的控制、保护策略以及经济效益等；
３、初步形成微电网的管理政策和相关法规，为将来的微电网工程提供参考等。 此外，由美国能源部与通用电气（GE）共同投资约400 万美元，建立了第二个“通用电气全球研究”计划。该项计划旨在开发出一套理想的微电网能量管理系统（MEM），向微电网中的器件提供统一的控制、保护和能量管理平台，优化对互联元件的协调控制，使系统的运行更加经济、高效，以满足用户的多样化需求。
2008 年美国国家自然科学基金（NSF）在电气、通信、计算机系统（ECCS）研究领域的重大研究项目之一为可重构的微网测试系统研究。2009年美国电力系统工程研究中心（PSERC）在原研究基础上继续把微网技术作为重点研究方向之一。
微网示范工程
（1）威斯康星大学麦迪逊分校微电网
该微网始建于2001年，总容量200kW，电压等级为280V/480V。
其设计理念是不采用快速电气控制、单点并网不上网、提供多样化的电能质量与供电可靠性。随时可接入的DERs等。
（2）通用电气（General Electric Company，GE）全球研究计划
其投资约400万美元。GE的目标是开发一套微电网能量管理系统（mirxrogrid energy mangagement，MEM），使它能向微电网中的器件提供统一的控制、保护和能量管理平台。
这项微电网计划分两个阶段实施，第一阶主要是一些基础的控制技术和能量管理技术方面进行研究，并探索改计划的市场前景。第二阶段，主要是将第一阶段的技术在具体的模型下进行仿真，并建造示范工程进行具体的实施。
3.2 日本
日本政府希望通过开发利用新能源改善本国的能源结构，缓解国内负荷快速增长而能源相对紧缺的局面。因此，日本微电网的研究与发展主要致力于开发利用新能源、减少污染，为用户提供多样化的电能质量等方面。
为克服可再生能源的波动性缺点，保证电能质量和供电可靠性，有日本学者提出了灵活可靠性和智能能量供给系统（FRIENDS），利用FACTS元件快速灵活的控制性能，实现对配电网能量结构的优化，并满足用户的多种电能质量需求。
目前，日本在微电网示范工程的建设方面处于世界领先地位。为保证新能源的有效利用与长足发展，日本专门成立了新能源与工业技术发展组织（NEDO），统一协调国内高校、企业与国家重点实验室对新能源及其应用的研究。近年来，NEDO分别在可再生能源占相当大比重的爱知、青森县和京都三地建立了微电网示范工程，运行期间，分别进行了微电网功率平衡能力，电能质量和供电可靠性、运行成本，控制策略等方面的测试评估，成效显著。
微网示范工程
NEDO在2003的“Regional Power Grid with Renewable Energy Resources Project”项目中，开始微电网试点项目
（1）中部机场的爱知微电网
该微电网的最大特点是电源大都为燃料电池；2个高温熔化碳酸盐燃料电池（270kW和300kW），4个磷酸盐型燃料电池（各200kW），一个困定氧化物燃料电池（50kW）。系统中总的光伏发电容量为330kW，此外还有一个500kW的钠硫磺电池组用于功率的平衡。
（2）青森县的微电网
该微电网的做大特点是只使用可再生的能源（100kW）进行供电。可控的DERs包括3个以沼气为燃料的发电机组（共510kW）、1个100kW的铅酸电池组和1个10t/h的锅炉。该微电网能够节省约57.3%的能耗，同时减少约47.8%的碳化物排放量。
（3）京都微电网
2005年12月投运，它主由以下几方面构成：50kW光伏发电系统、50kW风力发电系统、5*80kW沼气电池组、250kW高温熔化碳酸盐燃料电池及100kW电池组。该系统的控制中心能够在5分钟之内实现系统能力的平衡，也可以根据需要设置更短的时限。
3.3 欧洲
电力市场需求、电能安全供给及环保等角度出发, 欧洲于2005年提出“聪明电网”计划, 并在2006年出台该计划的技术实现方略。作为欧洲2020年及后续的电力发展目标, 该计划指出未来欧洲电网需具备以下特点：
（1）灵活性。在适应未来电网变化与挑战的同时,满足用户多样化的电力需求。
（2）可接人性。使所有用户都可接人电网, 尤其是推广用户对可再生、高效、清洁能源的利用。
（3）可靠性。提高电力供应的可靠性与安全性以满足数字化时代的电力需求。
（4）经济性。通过技术创新、能源有效管理、有序市场竞争及相关政策等提高电网的经济效益。
基于上述特点, 欧洲提出要充分利用分布式能源、智能技术、先进电力电子技术等实现集中供电与分布式发电的高效紧密结合, 并积极鼓励社会各界广泛参与电力市场, 共同推进电网发展。微电网以其智能性、能量利用多元化等特点也成为欧洲未来电网的重要组成。欧盟资助的第6个框架计划2002年-2006年名为“Advanced Architectures and Control Concepts for MORE MICROGRIDS”的项目 对微电网的设计进行进一步细化。要求微电网具有灵活可变的多种拓扑连接方式 以适应在多种运行状态下可靠性、经济性和供电电能质量的综合最优。
目前, 欧洲已初步形成了微电网的运行、控制、保护、安全及通信等理论 并在实验室微电网平台上对这些理论进行了验证。其后续任务将集中于研究更加先进的控制策略、制定相应的标准、建立示范工程等 为分布式电源与可再生能源的大规模接
人及传统电网向智能电网的初步过渡做积极准备。
3.4 国内
中国多在分布式发电和分布式储能方面开展研究，并主要结合配电系统的现状，考虑电力系统的需要，研究分布式发电及其运行等。对微电网的研究，目前主要区分了微电网与分布式电源间的关系，明确了微电网现阶段研究中的关键问题，并对微电网的控制策略、优化与稳定运行等展开了初步研究与仿真试验，另外，根据微电网的典型特征和运行特性给出了建立国内微电网标准体系的建议等，可以说尚处在起步阶段。
分布式发电在电力系统中所古的份额还比较小，但是随着电力负荷的快速增长 电力市场的推行 以及分布式发电技术和电力电子技术的发展 分布式发电在未来十年内将会有实质性的发展 主要体现在以下几个方面
（1）为城市配电网的工业、商业、企事业以及居民等用户提供电力，主要发电形式为小型燃气轮机、燃料电池以及太阳能发电等。
（2）为农业、山区、牧区以及偏远用户提供电力，主要发电形式为小型燃气轮机、风力发电、化学能发电以及太阳能发电等。
（3）用于能源的综合利用，在城市主要表现在为居民小区、商用楼宇等提供制冷、供热以及供电等综合的能源解决方案;在农村主要表现在为住户实现废物处理利用、供气以及供电等生态能源循环体系的建立。
（4）利用分布式发电启动快、分布广、发电调节容易等特点为电力系统的紧急控制提供后备容量以及事故后的支撑点和启动点 通过分布式电源与大电网的相互补充、协调能够有效地提高系统的鲁棒性。
中国尚未提出明确的微电网概念, 但微电网的特点适应中国电力发展的需求与方向, 在中国有着广阔的发展前景, 具体体现在：
（1）微电网是中国发展可再生能源的有效形式。“十一五”规划已将积极推动和鼓励可再生能源的发展作为中国的重点发展战略之一。一方面充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、开发西部、解决农村用能及边远区用电、进行生态建设等均具有重要意义另一方面, 中国可再生能源的发展潜力十分巨大。据专家估计, 中国新能源和可再生能源的可获得量是每年7.3×102标准煤, 而现在的每年开
发量不足4×107标准煤。中国制定的2020年可再生能源发展目标也已将可再生能源发电的装机容量定位为100GW。然而,可再生能源容量小、功率不稳定、独立向负荷提供可靠供电的能力不强以及对电网造成波动、影响系统安全稳定的缺点将是其发展中的极大障碍。如前所述, 若能将负荷点附近的分布式能源发电技术、储能及电力电子控制技术等很好地结合起来构成微电网, 则可再生能源将充分发挥其重要潜力。例如,对于中国未通电的偏远地区, 充分利用当地风能、太阳能等新能源, 设计合理的微电网结构, 实现微电网供电, 将是发挥中国资源优势、加快电力建设的重要举措。日本已对中国多个偏远地区和较发达市区利用新能源发展的潜力与效益进行了分析, 并已在中国新疆维吾尔自治区建设了微电网工程。中国也应尽快加紧在这方面的研究与开发。
（2）微电网在提高中国电网的供电可靠性、改善电能质量方面具有重要作用。中国的经济已进人数字化时代, 优质、可靠的电力供应是经济高速发展的重要保障。在大电网的脆弱性日益凸显的情况下,将地理位置接近的重要负荷组成微电网, 设计合适的电路结构和控制, 为这些负荷提供优质、可靠的电力 不仅可省去提高整体可靠性与电能质量所带来的不必要成本，还可减少这些重要负荷的停电经济损失 吸引更多的高新技术在中国发展。
（3）微电网对于在中国发展热电联供有极大的指导意义。目前 中国已建立了许多热电联供项目 而微电网研究中心的资源配置与经济化思想非常值得借鉴。如何就近选择合适容量的热力用户与电力用户组成微电网，并进行最佳的发电技术组合 对于中国提高能源利用效率、优化能源结构、减少环境污染等具有重要意义。
（4）微电网与大电网间灵活的并列运行方式可使微电网起到削峰填谷的作用从而使整个电网的发电设备得以充分利用 实现经济运行。
此外对于中国已有的众多独立系统，在系统中加入基于电力电子技术的新能源并配以智能、灵活的控制方式 一方面可提高系统的智能化与自动化水平一方面也可为企业带来可观的经济效益。
在时代高速发展的今天 电力需求迅速增长, 负荷加大 电力部门大多把投资集中在火电、水电以及核电等大型集中电源和超高压远距离输电网的建设上来。但是,随着电网规模的不断扩大, 超大规模电力系统的弊端也日益凸现, 成本高, 运行难度
题，国内外提出了微电网的概念。
近年来国外关于微电网的理论和实验研究已经取得了一定的成果。例如微电网的并、离网运行方式的不同和储能单元的存在 使得微电网存在内部能量的多向、多路径流动与传输 需要建立适合该特点的网络设计和运行理论的基础。根据负荷要求和电网的不同状况 对微电网控制技术进行完善和细化 特别注意不同电网的整合和过渡 研究微电网自适应保护理论与方法 包括建立坚固的微电源安全运行防护体系 研制可在线识别运行模式的微电网无通道保护自动化系统 微电网与局部电网相连时能量交换的控制策略等。
第4章 需求分析
可研报告
第5章 总体架构设计
5.1 设计原则
5.2 逻辑架构
用电管理层
并网管理
用电可视化
智能小区
决策分析
电动汽车
调度控制层
PCS
控制器交换机
断路器
继电器
配电箱
能量管理
调度系统
采集监控层
智能电表
传感器
射频设备
智能开关
监控系统
基础设备层
光伏发电
风力发电
燃气轮机
储能设备负载
5.3 物理架构
能量管理
储能设备调度监控负载负载
5.4 功能架构
第6章 关键技术分析
微电网的出现将从根本上改变传统电网应对负荷增长的方式，其在降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性等具有巨大潜力。目前，微电网技术已经成为电力系统发展的前沿技术。
6.1 微网整体规划设计
基于负荷预测的电源优化设计
6.2 分布式能源接入与管理
6.3 储能管理
基于超级电容与锂电池的复合控制储能技术
基于功率平滑的储能容量优化设计
6.4 就地保护与监控管理 基于故障特征分析的就地保护技术 基于孤岛隔离应用的保护技术 基于SVG图的组态监控web技术
6.5 智能调度
6.6 并离网无缝切换
6.7 信息与通信
6.8 能量管理系统
基于无缝切换的多元化、自平衡能量管理控制 电能质量评价体系与评估指标
6.9 智能用电策略
基于孤岛运行的负荷分级算法
基于有序充电的电动汽车充电管理技术 基于时序与相似度的用电趋势分析
6.10 高级分析与预测
第7章 系统功能设计
7.1 分布式发电
7.1.1 太阳能发电系统
7.1.2 微型燃气轮机系统
7.2 储能系统
7.2.1 电池管理系统
7.2.2 储能系统
7.2.3 能量转换系统
7.3 保护、控制与调度管理
7.3.1 监控管理
7.3.2 就地控制与保护
7.3.3 调度管理
7.4 能量管理
7.4.1 能量管理系统
7.4.2 电能质量与监测
7.5 用电管理
7.5.1 用电可视化
7.5.2 智能小区
7.5.3 电动汽车
7.5.4 智能预测与分析
7.6 并网管理
7.6.1 并网接入管理
7.6.2 谐波治理