微電網是實現(xiàn)主動配電網的有效方式，能夠促進分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，使傳統(tǒng)電網向智能網絡過渡。此外，中科院院士周孝信曾指出：第三代電網將采用骨干電網和地方電網、微電網相結合的模式。智能化是電力系統(tǒng)發(fā)展的方向。在此背景之下，科學家和工程師們首先將目光聚焦在了智能化、柔性化的微電網。微電網既可孤島運行，也可并網運行，黑啟動、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、潮流控制、有源濾波、能量管理……，這些都是微電網應具備的基本功能，只有這樣才能實現(xiàn)在負荷端就近發(fā)電、儲能，省去了大容量、長距離的輸電環(huán)節(jié)，從而顯著地減小了輸電線路上的損耗，提高了電網的可靠性。本文對智能微電網的拓撲結構、控制策略以及能量管理等問題進行了綜述。l微網是分布式發(fā)電并網的關鍵途徑
智能微電網是將分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）、分布式儲能（Distributed Storage，DS）、分布式負載（DispersedLoads，DL）進行系統(tǒng)集成的最佳方案。在大電網集中供電體制下，大型電廠通常遠離負荷中心，因此需要大容量、長距離輸電。但通過這些小容量的微電網就可實現(xiàn)在負荷端就近發(fā)電、就近儲能，從而省去大量的輸配電線路以及由此導致的輸配電損耗。總的來說，傳統(tǒng)的集中供電配電模式有很多缺陷：線路損耗太大導致了系統(tǒng)效率低，高壓長距離輸電線的容升效應導致了電壓穩(wěn)定性差，多發(fā)的單點故障以及其他偶發(fā)的網絡故障導致了可靠性低。
微電網主要有兩種發(fā)展方向，一是將微電網與公共大電網相連；二是將多個鄰近的微電網互聯(lián)，形成微電網群（microgrid clusters）。因此，未來的電力網絡將包含一次能源、原動機、電力電子變流器、DS裝置以及本地的DL，而微電網只是其中的一部分。微電網既可獨立地自主運行，也可接入大電網?？稍诓⒕W模式與離網模式之間進行無縫切換是微電網的主要特征。通過微電網之間的聯(lián)絡線即可實現(xiàn)在多個微電網之間進行能量調度，以同時實現(xiàn)各個微電網的實時功率平衡。這種微電網之間的相互支援，起到了此消彼長的作用，減小了微電網從公共大電網上吸收的能量，進一步減少了不必要的長距離輸電損耗。此外，微網是一種全新的低壓配電網，其中的發(fā)電機組不僅包括小型的發(fā)電機，還包括小型的原動機，例如：光伏電池組件、小型的風力發(fā)電機、生物燃料電池等等，這些發(fā)電單元都需要AC/AC或者DC/AC變流器作為接口電路。這些電力電子接口電路的動態(tài)響應十分迅速。但與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機相比，電力電子變流器自身的慣量水平非常低，而充足的慣量是系統(tǒng)穩(wěn)定性的保障，是實現(xiàn)各個單元之間保持穩(wěn)態(tài)同步性的關鍵因素。
為了提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，學者們提出了在控制環(huán)路中引入下垂控制，通過測量有功、無功來線性地調節(jié)逆變器輸出的頻率、電壓。經過下垂控制之后，微電網就能自動地實現(xiàn)功率平衡了，同時避免了交直流母線電壓失穩(wěn)。此外，低電壓穿越、有源濾波、不間斷供電、黑啟動、孤島運行，以及與主電網保持同步、有功無功潮流獨立控制、系統(tǒng)能量優(yōu)化管理等也是微電網必須具備的核心功能。
下圖給出了一個典型的微電網結構圖，包含了風電、光伏、儲能以及若干負載。
微電網通過智能旁路開關（Intelligent BypassSwitch，IBS）并入大電網的公共連接點（Pointof Common Coupling，PCC），系統(tǒng)中包含了大量的以電力電子變流器作為接口電路的DG和DS。因此，微電網中的絕大部分元件都是以電流型逆變器（Current-SourceInverters，CSI）或電壓型逆變器（Voltage-SourceInverters，VSI）的形式運行。
1）CSI：DG單元經常工作在CSI模式，以實現(xiàn)最大功率追蹤；若不需要進行最大功率追蹤，那么這些發(fā)電單元也可以根據系統(tǒng)需要工作在VSI模式。
2）VSI：這種工作模式常用于儲能裝置，在孤島運行時為微電網提供頻率、電壓支撐；如果有多個VSI單元并聯(lián)時，就必須增加適當的控制策略，以使各個單元協(xié)調工作。
微電網的運行模式
1 并網運行模式
微電網的能量管理系統(tǒng)必須同時考慮離網、并網條件下的系統(tǒng)潮流分布以及儲能系統(tǒng)的可用容量和運行方式。微電網必須具備靈活快速的功率控制能力，通過從電網中吸收或者送出必要的功率來實現(xiàn)微電網內部的實時功率平衡，同時滿足儲能裝置的能量需求。由于微電網的容量相較于主電網來說非常小，因此微電網在并網模式下的動態(tài)特性主要取決于主電網。此外，當輸出功率發(fā)生變化時系統(tǒng)響應很慢；如果微電網交流母線沒有同步發(fā)電機，那么電力電子變流器的控制系統(tǒng)中需要增加虛擬慣量控制環(huán)節(jié)；暫態(tài)過程中需要蓄電池、超級電容、飛輪等來保證動態(tài)功率平衡。發(fā)生停電事故之后，微電網需要自行建立電壓頻率條件，同時在一系列預設指令下逐步恢復各個層級的DL和DG單元，即黑啟動。在并網模式下，所有的DG都應該在能量管理系統(tǒng)的調度下輸出指定的功率，以最大化地減少從主電網吸收的電量，即削峰。此外，每一個DG單元均可通過公共通訊線來實現(xiàn)輸出功率調節(jié)，與其它單元實現(xiàn)協(xié)調工作?？偟膩碚f，當微電網處于并網狀態(tài)時，需要根據用戶的需要，與主電網以及本地的DG一起，為負載提供優(yōu)質的電力。
2 孤島運行模式
在下述條件下，微電網將脫離主電網自主運行：1）計劃性的孤島運行模式：當主電網發(fā)生長時間電壓跌落或其它一般性故障時，微電網可以主動地脫離大電網，進入孤島運行狀態(tài)；2）非計劃性的孤島運行模式：當主電網發(fā)生停電時，微電網必須通過孤島檢測算法來自動識別主電網的停電狀態(tài)，并通過IBS進入孤島運行模式。
在孤島運行模式下，系統(tǒng)的動態(tài)特性主要取決于其中的DG單元，這些DG單元將自動地調整微電網的電壓、頻率。此時，系統(tǒng)的頻率、電壓一般會出現(xiàn)小范圍的偏移。因此，需要啟動DS來平衡微電網功率，通常是讓DS根據頻率偏移量成比例地吸收或者釋放有功功率。在該模式下，IBS處于斷開狀態(tài)，微電網脫離大電網獨立運行，DG單元必須承擔起穩(wěn)定微電網電壓、頻率的重要責任，確保各個變流器不過載，確保負載在一定范圍內變化時系統(tǒng)依然能夠保持穩(wěn)定運行。為了達到上述目標，微電網通常采用有通訊線的主從控制模式，尤其是基于公共交流母線的微電網。通常來講，低帶寬通訊方法更加經濟、可靠、穩(wěn)定，因此在實際的工程項目中應用較多。
在孤島運行模式下，微電網需要實現(xiàn)下述技術指標：1）電壓、頻率控制：微電網必須工作在電壓源模式，通過電壓、頻率調整策略來控制微電網的潮流，確保微電網的關鍵物理參數都在規(guī)定的誤差范圍內。2）實時功率平衡：并網模式下，DG單元的頻率由大電網決定；離網模式下的系統(tǒng)頻率需要根據功率平衡的原則進行調節(jié)；改變DG的輸出頻率，使微電網內部保持功率平衡。3）電能質量治理：微電網電能質量控制可從兩個層次分別展開，首先必須要滿足微網內部的無功平衡和諧波電流補償；其次是對PCC處的無功和諧波進行治理，向大電網提供電能質量支撐。
孤島運行模式下，所有的DG單元均工作在恒功率源模式，向微電網提供預期的功率。
3 并離網切換模式
如前文所述，IBS始終實時在線地監(jiān)測主電網與微電網的狀態(tài)。當IBS及時檢測到孤島信號之后，微電網必須立即與主電網斷開連接，盡快進入到孤島運行模式。通常來說，電網頻率偏移需小于2%，電壓幅值偏移需小于5%。若微電網沒有超出最大允許偏移范圍，微電網即可根據網內負荷的實際需求，在下垂控制的作用下輸出有功功率和無功功率，確保系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定，并實現(xiàn)多個DG單元之間的功率合理分配。
孤島運行模式下，微電網和大電網之間的電壓和相位會出現(xiàn)偏差，在不恰當的時刻并網會引起較大的沖擊電流，因此需要設計預并列單元來實現(xiàn)并網運行。當微電網中央控制系統(tǒng)發(fā)出并網指令時，將微電網相應的DG由孤島運行模式切換到預并列控制模式，將DG單元的輸入參考值切換為大電網的電壓和頻率。
在并離網切換過程中，中央控制系統(tǒng)必須實時檢測微電網與大電網的電壓差、頻率差和相位差，當其均滿足合閘條件時，啟動合閘信號，閉合IBS，并將孤島控制策略切換到并網控制策略，實現(xiàn)并網運行。