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微网技术研究
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第33卷第9期电网技术Vol.33No.9
2009年5月PowerSystemTechnologyMay2009
文章编号：
1000-3673（2009）09-0014-05中图分类号：
TN72文献标志码：
A学科代码：
470·40
含分布式发电系统的微网技术研究综述
黄伟，孙昶辉，吴子平，张建华
（华北电力大学电气与电子工程学院，北京市昌平区
102206）
AReviewonMicrogridTechnologyContainingDistributedGenerationSystem
HUANGWei，SUNChang-hui，WUZi-ping，ZHANGJian-hua
（SchoolofElectricalandElectronicEngineering，NorthChinaElectricPowerUniversity，
ChangpingDistrict，Beijing102206，China）
ABSTRACT:
Widespreadapplicationofdistributedgeneration
systems（DGS）willbringaboutnewopportunitiesand
challengestopowergridoperation,controlandelectricity
market.ThemicrogridtechnologythatintegratesDGS,energy
storageelementandloadswillbeaneffectiveapproachto
solvetheinterconnectionoflarge-scaleDGSwithpowergrid.
Inthispapertheconceptrelevanttomicrogrid,presentresearch
situationandadvancementofmicrogridtechnologyinother
countriesarepresentedindetail;thefeaturesandsuperiorityof
microgridtechnologyinoperation,control,protectionand
economyareoverallexpounded.Combiningwiththe
feasibilityandeconomyofmicrogridtechnology,the
developmentprospectandresearchdirectionofmicrogrid
technologyareanalyzedindepth,anditispointedoutthatthe
microgridcanprovidemorereliablepowersupplyforsensitive
consumersunderislandedoperation.
KEYWORDS:
microgrid；distributedgenerationsystem
（DGS）；islandedoperation；interconnectedgridoperation；
reliability
摘要：
分布式发电系统的大规模应用将对电网运行、控制和
电力市场等带来新的机遇和挑战，整合分布式发电系统、储
能元件和负载的微网技术将是解决大规模分布式发电系统
并网问题的有效途径之一。
文章详细介绍了微网技术的相关
概念、研究现状和进展情况，全面阐述了微网在运行、控制、
保护、经济性等方面的特点和优势，并结合微网技术的可行
性和经济性，深入探讨了微网的发展前景和研究方向，指出
孤网运行下的微网可以为重要负荷用户提供高可靠性的
电能。
关键词：
微网；分布式发电系统（DGS）；孤网运行；并网运
基金项目：
国家863高技术基金项目（2008AA05Z216）。
TheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentofChina
863Program（2008AA05Z216）.
行；可靠性
0引言
随着包括风电、光伏等可再生能源和高效清洁
的化石燃料在内的新型发电技术的发展，分布式发
电系统（distributedgenerationsystem，DGS）日渐成
为满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综
合利用效率和供电可靠性的一种有效途径。
DGS具
有投资少、发电方式灵活、可与环境兼容等优点，
在配电网中得到广泛的应用，但是DGS的大规模渗
透也产生了一些负面影响，如分布式发电单机接入
成本较高，控制较复杂。
另外，从系统的角度来分
析，DGS是不可控的发电单元，因此系统总是试图
采取隔离、切机的方式来控制微型发电系统，以消
除其对大系统的电压和频率的冲击。
根据文献[1]，
当电力系统发生故障时，DGS必须马上切机退出运
行，但是这限制了分布式发电的运行方式，削弱了
其优势和潜能[1-2]。
为整合分布式发电的优势，削弱分布式发电对
电网的冲击和负面影响，充分发挥DGS的效益和
价值，相关电力工作人员和专家提出了微网的概
念。
本文将对微网的基本概念和国内外的研究现状
进行概括和总结，讨论微网的关键性问题和未来的
研究方向。
1微网的概念与结构
1.1微网的概念
为了减少DGS对主网的不利影响，同时发挥
其固有优势，一个合理有效的解决方案是采用系统
方法，将发电装置和相应的负荷看成一个子系统，
即微网。
目前，国际上对微网的定义没有统一的标
第33卷第9期电网技术15
准。
美国电气可靠性技术措施解决方案联合会
（consortiumforelectricreliabilitytechnology
solution，CERTS）对微网的定义如下：
微网是一种
由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供
电能和热量；微网内部的电源主要是由电力电子装
置负责能量转换，并提供必须的控制；微网相对外
部大电网表现为单一的可控单元，同时满足用户对
电能质量和供电可靠性、安全性的要求[3]。
欧盟微
网项目对微网的定义如下：
利用一次能源；使用微
型分布式发电系统，分为不可控、部分可控和完全
可控3种类型，并可冷、热、电三联供；配有储能
装置；使用电力电子设备进行能量转换和控制。
实
际上，对于公用电力企业，微电网可作为电力系统
可控的“细胞”，这个“细胞”可以作为一个简单
的可调度负荷，在数秒内做出响应，以满足系统的
需求；对于用户，微网可以作为一个可定制的电源，
以满足用户多样化的需求[4-5]。
1.2微网的基本结构
微网的基本结构如图1所示，图中包含了多个
DGS和储能元件，这些系统和元件联合向负荷供
电，整个微网相对大电网来说是一个整体，通过一
个断路器和上级电网的变电站相联系。
微网内的
DGS可以含有多种能源形式，包括可再生能源（风
力发电、光伏电池）、不可再生能源、微型燃气轮机
发电系统，另外还可通过热电联产或是冷热电联产
的形式向负荷用户供热或制冷，提高能源多级利用
的效率。
图1中的微网包括3条馈线A、B和C，整个
网络呈放射状。
馈线通过微网主隔离装置（一般是静
态开关）与配电系统相连，可实现孤网与并网运行模
式间的平滑无缝转换。
其中A和B为敏感负荷（重
分隔器潮流控制器
保护协调器
光伏电池
敏感负荷
热负荷
能量
管理器
微型电网
调度
变电站PCC
微型电网
主隔离设备
静态开关
可调节负荷
燃料电池
微型燃气轮机
非敏感负荷
A
B
C
电力传输线；信息流；保护信息传输线。
图1微网的基本拓扑结构
Fig.1Thebasictopologicalstructureformicrogrid
要负荷），安装有多个DGS，馈线A中含有一个运
行于热电联产的DGS，该DGS向用户提供热能和
电能。
馈线C为非敏感性负荷，孤网情况下微网内
部过负荷运行时，可以切断系统对C的供电。
当外
界大电网出现故障停电或电能质量问题时，微网可
通过主断路器切断与电网的联系，孤网运行。
此时，
微网的负荷全部由DGS承担，馈线C继续通过母
线得到来自主网的电能并维持正常运行。
如果孤网
情况下无法保证电能的供需平衡，可以断开馈线C，
停止对非重要负荷供电。
当故障消除后，主断路器
重新合上，微网重新恢复和主电网功角同步运行，
保证系统平稳过渡到孤网前的运行状态。
在微网的这种结构下，多个DGS局部就地向
重要负荷提供电能和电压支撑，这在很大程度上减
少了直接从大电网买电和电力线传输的负担，并可
增强重要负荷抵御来自主网故障影响的能力。
此外，在大电网发生故障或其电能质量不符合
系统标准的情况下，微网可以以孤网模式进行独立
运行，保证微网自身和大电网的正常运行，从而提
高供电可靠性和安全性。
因此，孤网运行是微网最
重要的能力，实现这一性能的关键在于微网与大电
网之间的电力电子接口处的控制环节—静态开关。
该静态开关允许在接口处灵活可控地接受或输送
电能。
从大电网的角度看，微网如同电网中的发电
机或负荷，是一个模块化的整体单元。
另一方面，
从用户侧看，微网是一个自治运行的电力系统，它
可以满足不同用户对电能质量和可靠性的要求[6-7]。
2微网的研究现状
2.1概述
随着经济的高速发展和能耗的日益增加，各国
的电力工业面临着一系列前所未有的严峻挑战：
能
源危机、系统老化、污染问题、一次能源匮乏、能
源利用率低以及用户对电能质量的要求高等。
微网
在DGS的高效应用以及灵活、智能控制方面表现
出极大的潜能和优势，成为很多发达国家发展电力
行业、解决能源问题的主要战略之一。
目前，北美、
欧盟、日本等已加快进行微网的研究和调试，并根
据各自的能源政策和电力系统的现有状况，提出了
具有不同特色的微网概念和发展规划[8-10]。
2.2北美的微网研究
CERTS最早提出微网的概念，其也是所有微网
概念中最具代表性的一个。
CERTS对微网的主要思
想和关键技术问题进行了详细地概述，说明CERTS
16
黄伟等：
含分布式发电系统的微网技术研究综述
Vol.33No.9
微网有静态开关和自治微型电源
2个主要部件，并
系统阐述了微网的结构、控制方式、继电保护以及
经济性评价等相关问题。
目前，美国
CERTS微网
的初步理论和方法已在美国电力公司
Walnut微网
测试基地得到了成功验证。
由美国北部电力系统承
接的
MadRiver微网是美国第一个微网示范性工
程，微网的建模和仿真方法、保护和控制策略以及
经济效益在此工程中得到了验证，关于微网的管理
条例和法规得到了完善，因此
MadRiver微网成为
美国微网工程的成功范例。
同时美国能源部制订了
“Grid2030”发展战略，即以微网形式整合和利用
微型分布式发电系统的阶段性计划，详细阐述了今
后微网的发展规划。
此外，加拿大
BC和
Quebec
两家水电公司已经开始开展微网示范性工程的建
设，测试微网的主动孤网运行状况，旨在通过合理
地安置独立发电装置（independentpowerproducer，
IPP）改善用户侧供电可靠性。
2.3欧盟的微网研究
从电力市场自身需求、电能安全供给以及环境
保护等方面综合考虑，欧洲在
2005年提出了“智
能电网”的计划，并在
2006年出台了该计划的技
术实现方案。
作为欧洲
2020年及后续电力的发展
目标，该计划指出未来欧洲电网应具有灵活、可接
入、可靠和经济等特点。
为此，欧洲提出要充分使
用
DGS、智能技术、先进的电力电子技术等实现集
中式供电与分布式发电的高效整合，积极鼓励独立
运营商和发电商参与电力市场交易，快速推进电网
技术的发展。
微网必将成为欧洲未来电网发展的重
要组成部分。
目前，欧盟主要资助和推进“
Microgrids”和
“MoreMicrogrids”2个微网项目，通过拓展和发
展微网概念，增加微型发电装置的渗透率，初步形
成微网的运行、控制、保护、安全以及通信等基本
理论，希腊、德国、西班牙等国家建立了不同规模
的微网实验室。
德国太阳能研究所建成的微网实验
室的规模最大，容量达到
200kVA，该研究所还在
其实验平台上设计安装了简单的能量管理系统。
欧
盟对微网的研究主要集中在可再生微型发电系统
的控制策略和微网的规划、多微网管理运行优化工
具的研发和技术、商业化规范的制定、示范性微网
测试平台的推广、电力系统运行性能的综合评估
等，这些可为
DGS和可再生能源系统大规模并入
微网以及传统电网向智能电网过渡提供条件。
2.4日本的微网研究
日本根据本国资源日益缺乏、负荷需求增长迅
速的发展现状，开展了微网的研究。
目前，日本已
在国内建立了多个微网工程。
近年来，可再生能源
和新能源一直是日本电力行业关注的重点之一，新
能源与工业技术发展组织大力支持一系列微网示
范性工程，并鼓励可再生和分布式发电技术在微网
的应用。
日本在微网的网架拓扑结构、微网集成控
制、热电冷综合利用等方面开展了一系列研究，为
DGS和基于可再生电源的大规模独立系统的应用
提供了较为广阔的发展空间。
3微网的关键技术
3.1微网的运行
微网系统有与外部电网并网运行和孤岛运行
2种运行模式。
并网模式是指在正常情况下，微网
与常规电网并网运行时向电网提供多余的电能或
由电网补充自身发电量的不足。
在微网实验平台得
到的结果表明：
采用合理的控制策略时，微网可以
并网或孤网运行，并可实现
2种运行状态的平滑过
渡和转换。
孤岛运行是指当检测到电网故障或电能
质量不满足要求时，微网可以与主网断开形成孤岛
模式，由
DGS向微网内的负荷供电。
微网的孤网
运行为系统提供了更高的供电可靠性和供电不可
间断性。
采用
PSCAD/EMDTD或
Matlab/PowerSimulink
等软件建立微网的动态模型，针对电磁暂态特性以
及主动和被动隔离情况下的孤网运行状况进行可
行性研究，结果表明上述
DGS和储能元件可以确
保微网运行模式转化的平滑性，减少孤网运行时的
暂态影响，保证功角稳定性和电压质量[11-12]。
3.2微网的控制
相对主网，微网可作为一个模块化的可控单
元，对内部电网提供满足负荷用户需求的电能。
实
现这些功能必须具有性能良好的微网控制和管理
系统，主要控制设备有
DGS控制器、可控负荷管
理器、中央能量管理系统、继电保护装置。
在运行
控制过程中，微网可以基于本地信息对电网中的事
件做出快速独立的响应，当网内电压跌落、故障、
停电时，微型分布式发电系统应该利用本地信息自
动有效地转换到独立运行方式，不再接受传统方式
的统一调度。
微网控制的主要目标如下：
1）调节微网内的
第
33卷第
9期电网技术17
馈线潮流，对有功和无功功率进行独立解耦控制；
2）调节每个微型电源接口处的电压，保证电压的
稳定性；3）孤网运行时，确保每个微型电源能快
速响应，并分担用户负荷；
4）根据故障情况或系
统需要，平滑自主地与主网分离、并列或实现二者
的过渡转化运行。
目前，微网的控制方法主要有：
1）基于电力电子技术的即插即用控制（plugand
play）和对等（pointtopoint）控制[13]。
该方法根据微网
的控制目标，灵活选择与传统发电机相似的下垂特性
曲线作为微型电源的控制方式，利用频率有功下垂曲
线将系统不平衡的功率动态分配给各机组，保证孤网
下微网内的电力供需平衡和频率统一，具有简单、可
靠的特点。
但是，该方法还没有考虑到系统电压与频
率的恢复问题，即传统发电机的二次调频问题。
因此，
当微网遭受到严重的破坏或干扰时，系统很难保证频
率质量。
另外，该方法基于电力电子技术对微型分布
式发电系统进行控制，没有考虑传统发电机
（如小型
燃气轮机、柴油机）与微网的协调控制。
2）基于功率管理系统的控制
[14]。
该方法采用
不同的控制模块分别对有功和无功功率进行控制，
较好地满足了微网有功和无功功率、电压和频率等
多种控制方式的要求，尤其是在调节功率平衡时，
可采用频率恢复算法，很好地满足对频率质量的要
求。
另外，针对微网对无功功率的不同需求，功率
管理系统采用了多种控制方法并加入无功补偿器，
进而提高了控制的灵活性和控制性能。
但该方法尚
未考虑含有励磁系统和调速系统的常规发电机与
含电力电子接口的
DGS间的协调控制。
3）基于多代理技术的微网控制
[15-16]。
该方法
将传统电力系统中的多代理技术应用于微网控制
系统。
代理的自治性、响应能力、自发行为等正好
满足微网分散控制的需要。
采用基于多代理技术的
微网控制方法可形成一个能够嵌入各种控制且无
需管理者经常参与的系统。
典型的自治电力网
（autonomouselectricitynetworks，AEN）3级控制结
构及功能如下：
1级控制结构保证微网可靠性运行，
从而满足供需平衡；2级控制结构优化电能质量，
并减少电压和频率波动；3级控制结构的目标是实
现经济优化，即边际成本等值优化
[17]。
但目前多代
理技术在微网中的应用多集中于对微网中频率、电
压等进行控制的层面，要使多代理技术在微网的控
制中发挥更大的作用，还需进行大量的研究。
未来微网控制系统的研究方向主要集中在以
下方面：
1）不同微型分布式发电系统的运行和控
制，包括间歇式、可控式、常规模式和变流器模式；
2）在独立运行模式与并网运行模式下，微网智能
型频率、电压控制策略的可行性研究；
3）微网的
分散控制方法以及多分散控制器的协调优化算法，
要求每个
DGS根据自己局部的相关信息进行独立
的电压调节和频率控制，按照特定的目标函数优化
多个分散控制器的性能，使系统的总体性能最优，
并满足各种运行环境下对电压和频率控制的要求。
3.3微网的继电保护
微网的保护方式与传统保护方式存在着根本
不同：
1）潮流的双向流通；
2）在并网和孤网运行
情况下的微网，由于其馈线分布着多个
DGS，短路
电流的大小有很大不同。
因此，如何在
2种运行状态下，对微网内部故
障做出响应，并在并网情况下快速感知主网故障，
同时保证保护的选择性、快速性、可靠性与灵敏性，
是微网保护技术的关键和难点。
在孤网情况下，微
网内分布式电源所能提供的故障电流大小仅为正
常电流的
2倍或更小，传统的电流保护装置已不能
做出正常响应或需要几十秒才能做出反应，这无法
满足微网保护的要求，因此需要采用更先进的故障
诊断方式。
目前，针对单相接地故障与线间故障，
文献[18]提出了对称电流分量检测的保护策略。
该
保护策略以超过一定阀值的零序电流分量和负序
电流分量作主保护的启动值，并与传统过电流保护
相结合，获得了很好的效果。
对于微网主动孤网的
情况，文献[17]提出了利用三相电压源变流器进行
主动式孤岛检测的技术。
利用电压源电流控制器的
d轴分量或
q轴分量向系统注入一个扰动信号来进
行检测，通过对
d轴注入信号调节电压的幅值，但
是这种方法会使系统产生频率偏移。
发电机和负荷的类型和容量、各种类型
DGS
（传统小型发电机与基于换流器的微型电源
）、储能
元件对保护的影响以及微网在
2种不同运行方式和
不同拓扑网架结构下对保护的影响等均是未来微
网保护策略中值得研究的问题。
3.4微网的经济性
微网的经济性是推广和发展微网技术的重要
依据。
在经济性运行方面，微网可以在调度原则、
电能交易、资源优化配置等方面参考大电网运行的
知识与经验，进行优化设计。
更重要的是，微网本
18
黄伟等：
含分布式发电系统的微网技术研究综述
Vol.33No.9
身具有很多独特的优势，如针对网内不同用户要求，
提供不同水平的电能质量和可靠性服务，向外馈送
电能甚至提供黑启动等辅助服务等。
从目前的研究
来看，微网技术的经济性主要体现在以下方面：
1）微网本身的投资与运行优化。
微网优化可
以通过微网能量管理系统的优化运行来实现。
能量
管理系统使用局地信息来满足用户侧热、电、冷需
求、电能质量标准、主网特殊要求以及需求侧管理
要求等，从而确定微网内分布式发电系统的运行模
式和配电网所提供的受电量。
2）微网经济效益评估和量化。
微网的经济效
益评估和量化是微网投资及运行优化的直接表现
方式和衡量手段。
目前，还没有有效的方法将微网
对用户、电力部门及社会的效益全面量化。
随着微
网研究的不断深入和发展，微网经济量化的不确定
性将成为重要的研究课题。
3）微网中新的经济特性。
微网的经济最优化
问题和传统电网存在着很大的不同，微网中的分布
式发电单元、电力电子控制设备和储能元件改变了
配电网的网架结构和潮流特性，使微网规划不仅要
满足电网规划的要求，还要考虑微网自身的特性。
4
微网的发展方向
近几年，微网技术作为一个较前沿的研究领
域，以其高可靠性、环保、灵活等特点在欧美发达
国家得到了大力发展，我国“
863”、“973”等国家
重点研究发展规划也开始立项，以鼓励和支持各个
高校和科研院所在微网技术方面开展研究。
未来几
年，微网理论及相关技术将会通过示范性工程验
证，进而得到广泛实践与应用。
今后，微网研究的
主要方向如下：
1）微网并网、孤网运行方式的不同以及微网
与储能元件的协调控制，使微网内部存在多向、多
路径能量流动与传输，因此，需要建立适合该特点
的网络结构规划、设计及运行等相关方面的理论。
2）针对含有风电等可再生能源的
DGS，设计
实时、灵活的智能化分布式电源控制器和中央管理
单元，以使其具有自愈、自治和自组织等复杂功能。
另外，根据负荷的要求（敏感性重要负荷和非敏感性
负荷）以及电网的运行状况，对控制策略进行优化完
善，尤其是不同控制策略的整合、协调和平滑过渡，
探索微网合适的运行方式和管理策略。
3）利用神经网络、小波分析、灰色理论以及
专家系统预测技术建立微网内部随机负荷模型，根
据主网的调度计划
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