微电网示范工程综述

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1、微电网示范工程综述王成山，周越 （天津大学电气与自动化工程学院，天津市 300072）摘要 : 在阐述微电网背景、概念、特点的基础上，本文总结了世界一些国家和地区微电网示范工程的发展现状。 首先介绍了美国、欧洲、日本、拉美、非洲、加拿大及其他国家和地区微电网的发展情况和主要特点；然后详 细介绍了我国微电网示范工程的类型特点和发展现状；最后结合微电网发展的国内外经验，为我国微电网的未 来发展进行了建议和展望。关键词：微电网；示范工程；概述；展望个 3，分布在北美、欧洲、东亚、拉美、非洲等地区。本文总结介绍国内外一些微电网示范工程的发展情况和 特点，并在此基础上提出了我国微电网发展的建议和展 望。

2、0 引言资源和环境的双重压力促使世界各国重视和发展包 括光伏发电、 风力发电等在内的可再生分布式能源。 然而， 高渗透可再生分布式能源的接入将给传统电网带来很大 的冲击和挑战：其一，可再生分布式能源出力具有随机 性和波动性的特点，可控性差；其二，分布式能源的接 入将改变传统配电网络单向潮流的基本格局，并可能严 重影响正常电压水平、短路电流和供电可靠性。作为一 种重要的技术解决方案，微电网（micro-grid）被提出用 于解决可再生分布式能源的接入和管理问题。不同国家和地区、不同机构、不同学者对于微电网 的具体定义各不相同，但大致统一。一般可以认为，微 电网是由多种分布式电源、储能系统、能量转

3、换装置、 负荷以及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、保护和管理的独立自治系统， 可以有并网运行和孤岛运行两种模式 1。除了能够有效 集成和管理可再生分布式能源，微电网还能起到两方面 重要作用：第一，微电网可以提供多样化的电能质量服 务， 能够根据用户的实际需要定制电能质量服务 2；第二， 微电网作为独立的清洁供能系统，可以用于解决海岛和 边远地区的缺电问题。在此背景下，微电网在全球范围 内迅速发展，相关研究和实践活动日益广泛和深入。示范工程是微电网相关技术及研究成果的集中验证 和展示，对微电网的研究和应用均具有重要意义。目前全球规划、在建及投入运行的微电网示范工程

4、超过 4001 国外微电网示范工程概述1.1 美国微电网示范工程美国在世界微电网的研究和实践中居于领先地位， 拥有全球最多的微电网示范工程，数量超过 200 个，占 全球微电网数量的 50% 左右 3。美国微电网示范工程地 域分布广泛、投资主体多元、结构组成多样、应用场景 丰富，主要用于集成可再生分布式能源、提高供电可靠 性及作为一个可控单元为电网提供支持服务。美国能源部对推进美国微电网的研究和发展起到 了重要作用，其资助的微电网示范工程亦具有重要的 典型意义。美国能源部于 2009 年启动了可再生能源与 分布式系统集成项目（renewable and distributed systems

5、integration，RDSI），于 5 年内投资 5500 万美元在 8 个州建设 9 个微电网示范工程项目，旨在通过集成分布式 能源降低电力系统的峰值负荷。该项目通过对微电网内 部的分布式能源进行集成管理，至少能够降低 15% 的配电馈线或变电站峰值负荷，从而减少大约 25% 的配电设 备容量和 10% 的发电设备容量 4。除了民用领域，美国的微电网示范工程还拓展到 了军用领域。美国国防部与能源部、国土安全部合作，从 2011 年开始，总计投入 3850 万美元开展“蜘蛛”16供用电 2015.01DISTRIBUTION & UTILIZATIONSpe特别策划特约栏目主编 |王成山，

6、天津大学电气与自动化工程学院院长，国家 973 项目（微电网研究领域）首席科学家，教育部特聘教授， 国家杰出青年基金获得者，教育部创新团队负责人，国家科技部首批 重点领域创新团队负责人。“十二五”国家智能电网科技重点专项专 家组专家，天津大学“智能电网”教育部重点实验室主任。获国家技术发明二等奖 1 项，国家科技进步二等奖 2 项，省部级科技 奖励一等奖 5 项，成果入选教育部 2009 年“中国高校十大科技进展”。 2013 年获何梁何利科学与技术进步奖，2014 年获中国电力科学技术杰 出贡献奖。在配电系统研究领域所取得的成果已成功应用于国内 200 多 个地区的上千项实际工程。示范工程面

7、向能源、可靠性和安全性的智能电力设 施示范工程（smart power infrastructure demonstration for energy, reliability and security，SPIDERS），在 3 个美军 基地 （珍珠港西肯联合基地、 卡森堡基地和史密斯基地） 分别建设 3 个微电网示范工程， 以支持基地的关键负荷 4。 这 3 个基地微电网的规模和复杂程度递增，目标是通过 示范工程总结出适用于军事基地应用的微电网标准和模 板。此外，近年来美国极端灾害天气频发，为此美国政 府于 2013 年发起总值 1500 万美元的微电网资助贷款试 点计划（micro-gri

8、d grant and loan pilot program），资助 全美 27 个微电网示范工程的除设备采购外的设计、互联 及其他工程费用，以防范飓风等极端灾害天气对电力供 应带来的负面影响。1.2 欧洲微电网示范工程欧洲重视可再生清洁能源的发展，是开展微电网研 究和示范工程较早的地区，1998 年就开始对微电网开展 系统的研发活动。欧盟在第五、第六和第七框架下支持 了一系列关于发展分布式发电和微电网技术的研究项目， 组织众多高校和企业，针对分布式能源集成、微电网接 入配电网的协调控制策略、 经济调度措施、 能量管理方案、 继电保护技术，以及微电网对电网的影响等内容开展重 点研究， 目前已形

9、成包含分布式发电和微电网控制、 运行、 保护、安全及通信等基本理论体系，相继建设了一批微 电网示范工程 5， 例如希腊基斯诺斯岛微电网示范工程、德国曼海姆微电网示范工程、丹麦法罗群岛微电网示范工程、英国埃格岛微电网示范工程等。 1.3 日本微电网示范工程日本是亚洲研究和建设微电网较早的国家，自 2003 年开始，日本新能源与工业技术发展组织（New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO）就协调高校、科研机构和企业先后在八户市、 爱知县、 京都市和仙台市等地区建设了微电网示范工程， 研究、验证了一批微电网关

10、键技术，为后续微电网发展 和建设奠定了良好的基础。日本拥有全球最多的海岛独立电网，因此发展集成 可再生能源的海岛微电网，替代成本高昂、污染严重的 内燃机发电是日本微电网发展的重要方向和特点。日本 经济产业省资源能源厅于 2009 年启动了岛屿新能源独 立电网实证项目，通过提供政府财政补贴，委托九州电 力公司和冲绳电力公司在鹿儿岛县和冲绳县地区的 10 个 海岛上完成了海岛独立电网示范工程的建设，包括由东 芝集团负责建设的宫古岛大型海岛电网和由富士电机株 式会社负责建设的 9 个中小型海岛微电网。日本地震、台风、海啸等自然灾害频发，因此提升 电力供应在自然灾害下的可靠性是日本微电网发展的另 一个

11、重要方向和特点。2011 年，东日本大地震及其诱 发的海啸造成了福岛第一核电站 14 号机组发生核泄 漏事故，并引发了严重的大范围停电。震灾期间，东京 电力公司辖区损失电力供应 22GW，约占其峰值负荷的 37%；东北电力公司辖区损失电力供应 7.5GW，约占其峰值负荷的 50%。然而仙台市微电网经受住了灾害的考DISTRIBUTION & UTILIZATION供用电 2015.0117Special Feature特别策划表 1 我国部分边远地区微电网示范工程 名称 / 地点系统组成主要特点西藏阿里地区狮泉河微电网10MW 光 伏 电 站，6.4MW 水 电 站， 10MW 柴油发电机组，

12、储能系统光电、水电、火电多能互补；海拔高、 气候恶劣西藏日喀则地区吉角村微电网总装机 1.4MW， 由水电、 光伏发电、 风电、 电池储能、柴油应急发电构成风光互补；海拔高、自然条件艰苦西藏那曲地区丁俄崩贡寺微电网15kW 风电，6kW 光伏发电，储能系统风光互补；西藏首个村庄微电网青海玉树州玉树县巴塘乡 10MW 级水光互补微电网2MW 单轴跟踪光伏发电， 12.8MW 水电， 15.2MW 储能系统兆瓦级水光互补，全国规模最大的光伏 微电网电站之一青海玉树州杂多县大型光伏储能 微电网3MW 光伏发电，3MW/12MWh 双向储 能系统多台储能变流器并联，光储互补协调控 制青海海北州门源县智

13、能光储路灯 微电网集中式光伏发电和锂电池储能高原农牧地区首个此类系统，改变了目 前户外铅酸电池使用寿命在两年的状况新疆吐鲁番新城新能源微电网示 范区13.4MW 光伏容量（包括光伏和光热）， 储能系统当前国内规模最大、技术应用最全面的 太阳能利用与建筑一体化项目内蒙古额尔古纳太平林场微电网200kW 光伏发电，20kW 风电， 80kW 柴油发电，100kWh 铅酸蓄电池边远地区林场可再生能源供电解决方案内蒙古呼伦贝尔市陈巴尔虎旗微 电网100kW 光伏发电，75kW 风电， 25kW2h 储能系统新建的移民村，并网型微电网注 表中除陈巴尔虎旗微电网为并网型微电网外，其余均为独立型微电网。运行

14、 7。 非洲缺电情况相较拉丁美洲更为严重：非洲缺电人 口超过 5 亿 5 千万，超过总人口比例的 60%；电气化 率为 37.8%，农村电气化率更低，仅为 19%。非洲乡村 人口密度低、负荷小、远离大电网，扩展输配电网络的 成本很高，因此发展独立微电网、利用本地能源为缺电 人口供电是很有潜力的解决方案 8。目前已有一些微电 网工程，例如塞内加尔 Diakha Madina 微电网、摩洛哥 Akkan 微电网等。加拿大共有 292 个边远地区独立电网，其中 175 个地区使用柴油发电。在使用柴油发电的地区中，有 138 个地区完全依赖柴油发电 9。考虑到柴油发电的成本和 环境问题，建设利用光伏发

15、电、风力发电、生物质能等 本地可再生分布式能源的微电网是加拿大边远地区电网 发展的方向。目前加拿大已在 Kasabonika、Bella Coola 等许多地区开展了微电网示范工程建设，并取得了良好 的效果。此外，在世界许多其他国家和地区，微电网亦是解验，在大电网失电、独立运行的 60 余个小时内通过储能 设备和燃气发电实现了关键负荷的不间断供电，有力保 障了微电网内医疗护理设备、实验室服务器等关键设备 的正常运行 6。灾害过后，日本更加重视微电网的研究 和建设，以提高其电力供应的抗灾害能力及弥补核电关 停造成的电力缺口。1.4 拉丁美洲、非洲及加拿大等地微电网示范工程尽管具体情况各不相同，拉

16、丁美洲、非洲及加拿大 等地微电网发展的一大共同点就在于解决边远地区的供 电问题。拉丁美洲的一些国家电气化率不高（例如海地 的电气化率低于 40%），拥有大量缺电人口（例如海地 的缺电人口高达近 600 万，巴西、哥伦比亚、墨西哥、尼加拉瓜和秘鲁的缺电人口均在 200 万以上），微电网 是解决其缺电问题的重要技术方案。此外，巴西亚马逊 流域、智利等地区现有大量独立供电系统，主要依靠柴 油发电，未来集成可再生能源的微电网亦是重要的清洁 能源替代方案。目前巴西、智利、墨西哥、哥伦比亚等拉丁美洲国家已有一些微电网示范工程正在建设或投入18供用电 2015.01DISTRIBUTION & UTILIZATIONSpecial Feature1特别策划表 2 我国部分海岛微电网示范工程 名称 / 地点系统组成主要特点广东珠海市东澳岛兆瓦级智能微 电网1MW 光 伏 发 电，50kW 风 力 发 电， 2MWh 铅酸蓄电池与柴油发电机和输配系统组成智能微 电网，提升全岛可再生能源比例至 70% 以上