在能源危机和环境污染问题日益突出的大背景下，研究开发绿色清洁的可再生能源已成为世界各国的能源发展战略和技术方向。从世界可再生能源的利用与发展趋势看，风力发电和光伏发电是目前应用最为广泛的可再生能源发电技术并得到了飞速发展和广泛应用。然而，风能和光伏等间歇性电源固有的随机性和间歇性特点，导致其规模化接入对电网发电调度、调峰调频和备用容量规划等方面带来很大挑战，同时还会对电网的安全稳定运行和电能质量带来不利影响。为了有效解决上述问题，微电网作为集成分布式电源的良好解决方案，已成为当前电力行业的研究热点和发展趋势。微电网作为分布式发电的一种必然网络结构，是由分布式电源、电力电子装置以及负荷构成的一种新型发配电力系统。它既能作为一个自治系统独立运行，又能作为一个可控单元并网运行，从而将大量分布式电源并网问题转化为一个可控微电网并网问题，削弱了随机性、波动性的间歇性电源对电网安全稳定运行和电能质量等方面的不利影响。种类繁多、运行状态多样、输出特性及控制方法各异，使得微电网具有复杂性、非线性、开放性、空间层次性、组织性和自组织性等复杂系统的主要特征，成为了一个变量众多、运行机制复杂、不确定性因素作用显著的多维度复杂系统。因此，微电网技术的研究与开发应用应从系统的角度来全面认识和掌握微电网的典型特征以及各项关键技术，为有效解决分布式发电带来的各种问题，提高系统供电可靠性、安全稳定性和经济性奠定坚实的基础。
本文从系统角度对微电网的典型特征及关键技术进行了深入研究分析。
1、微电网的典型特征
1.1微电网运行模式
微电网具有孤网运行(或独立运行)和并网运行两种不同的运行模式。孤网运行是指微电网与大电网断开连接，只依靠自身内部的分布式电源来提供稳定可靠的电力供应来满足负荷需求。并网运行是指微电网通过公共连接点(PCC)的静态开关接入大电网并列运行。根据微电网与外部大电网之间的关系，微电网的孤网运行模式可以划分为两种:①完全不与外部大电网相连接的微电网，主要用于解决海岛、山区等偏远地区的分散电力需求，如希腊Kythnos岛的风光柴蓄独立微电网和中国浙江东福山风光柴蓄独立微电网等;②由于电网故障或电能质量不能满足要求等原因，暂时与外部大电网断开而进入孤岛运行模式的微电网，从而有效提高所辖负荷的用电可靠性和安全性，如丹麦Bornholm微电网等。此外，微电网的并网运行模式根据微电
网与大电网之间的能量交互关系又可以分为两种:①微电网可从大电网吸收功率，但不能向大电网输出功率，如日本Hachinohe微电网;②微电网与大网间可以自由双向交换功率，如德国Demotec微电网。由世界各国微电网实验系统研究与示范工程开发应用的经验可知，微电网运行模式的选择应综合考虑终端用户的各种需求、微电网所处地理位置和环境条件、微电网优化运行等各种因素，进而做出合理权衡决策。
1.2微电网容量及电压等级
微电网的构造理念是将分布式电源靠近用户侧进行配置供电，输电距离相对较短。这在一定程度上决定了微电网的容量大小与微电网电压等级。因此，微电网系统的容量规模相对较小，而电压等级常为低压或者中压等级。例如美国CERTS微电网、希腊NTUA微电网和德国Demotec微电网等一批实验室微电网系统和微电网示范工程的容量都不超过2MW、电压等级为低压级。一般而言，从微电网容量规模和电压等级的角度可以将微电网划分为4类[21G22]:①低压等级且容量规模小于2MW的单设施级微电网，主要应用于小型工业或商业建筑、大的居民楼或单幢建筑物等;②低压等级且容量规模在2~5MW范围的多设施级微电网，应用范围一般包含多种建筑物、多样负荷类型的网络，如小型工商区和居民区等;③中低压等级且容量规模在5~10MW范围的馈线级微电网，一般由多个小型微电网组合而成，主要适用于公共设施、政府机构等;④中低压等级且容量规模在5~10MW范围的变电站级微电网，一般包含变电站和一些馈线级和用户级的微电网，适用于变电站供电的区域。因此，微电网的容量和电压等级分类构造如图1所示，在实际规划中可根据实际负荷需要采用不同级别的微电网形式。
总之，微电网容量及电压等级的设计不仅受到系统所辖负荷的大小，所占地块面积和地理状况、气候环境条件、可再生能源等资源状况、分布式电源技术水平、输电距离等各种因素所制约，也受到微电网不同的孤网/并网运行方式的影响。当微电网需要接入外部大电网进行并网运行时，微电网容量即为并网容量，还必须将上级电网的负荷水平、网络结构、备用容量大小、系统的运行计划等因素，连同微电网内部的分布式电源类型、PCC交换功率限制等因素结合起来综合分析和权衡优化。
1.3微电网结构模式
微电网结构模式的确定是进行微电网规划设计的前提条件之一。一般来说，微电网结构模式是指微电网的网络拓扑结构，具体包括微电网内部的电气接线网络结构、供电制式(直流/交流供电和三相/单相供电)、相应负荷和分布式电源所在微电网的节点位置等。微电网系统中负荷特性、分布式电源的布局以及电能质量要求等各种因素决定了微电网的结构模式，也在一定程度上影响了微电网采用何种供电方式(交流、直流或交直流混合)。微电网采用的供电方式是其网架结构设计的决定性因素之一。因此，微电网按供电制式可以划分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网3种不同类型的微电网结构模式。然而，不同供电制式结构的微电网具有不同的特征与优势。交流微电网要求各分布式电源、储能装置和负荷等均须连接至交流母线，从而具有不用改变原有电网结构以及原配电网改造为微电网网架结构时较为容易等优势;直流微电网要求各分布式电源、储能装置和负荷等均须连接至直流母线，减少了电力变换环节而具有提高电能利用率、无损耗及无频率控制难等优势，但也面临改造原有电网及各种交流设施的重大困境;而交直流微电网包含有交流和直流两种母线，从而实现了分布式电源、储能装置和负荷分别接入各自同供电制式的母线，具有结构灵活多样、负荷密度大、优势互补等特点。
目前，欧盟和美国等发达国家和地区已建设的各种不同微电网实验系统和微电网示范工程，都体现了世界范围内对微电网不同结构的研究探索。由此可见，微电网结构模式的设计规划应遵循因地制宜、因时制宜的原则，按照安全可靠、经济适用以及灵活运行、就近配置的设计要求，综合分析所辖负荷分类特性、供电半径范围以及当地各种能源状况(尤其各种可再生能源)等多方面因素，并确定出微电网的容量、供电制式和接线方式，继而完成微电网的总体网络结构模式设计。
2、微电网的关键技术
微电网的关键技术主要包括:微电网的优化设计、微电网的运行控制、微电网的保护及微电网的经济运行。
2.1微电网的优化设计
微电网的优化设计通常是在满足微电网系统的稳定运行和所辖负荷需求的条件下，通过优化选择系统结构及电源配置(电源的种类、数量、选型及容量配置)，实现和满足微电网系统在规划期间的安全稳定运行和最小化的系统投资成本目标。微电网优化设计主要包括可再生能源与负荷需求分析、优化设计建模及优化算法等3个方面的内容。
1)可再生能源资源与负荷需求分析
可再生能源资源与负荷需求分析指对可再生能源资源和电力负荷的时间分布和空间分布进行准确的分析，为微电网系统优化设计提供可靠的决策数据，是微电网系统优化设计的基础。该分析主要是根据全年历史数据中风速、光照强度和负荷的统计信息与分布特性，结合预测方法对风速、光照强度和负荷的全年变化信息进行模拟。
2)优化设计建模
微电网优化设计建模是指在满足用户/负荷需求和系统稳定运行的前提下，从技术、经济和环境等方面选取适当的决策变量、优化目标和相应的约束条件，建立科学完整的数学模型。微电网优化设计建模一般分为如下3个步骤。
步骤1:确定决策变量。分布式电源的种类、容量、个数和安装位置常被选作为决策变量。此外，微电网的不同运行控制策略及一些控制参数变量也可作为决策变量，这是由于微电网的运行控制策略对优化设计结果会产生较大影响。
步骤2:建立目标函数。建立微电网优化设计的目标函数时，主要考虑经济性、可靠性和环保性这3个方面的优化目标。经济性目标主要包括设备购置成本、燃料费用、设备维护费用、设备置换费用、净现值和残值等;可靠性目标可以是电力不足时间概率(LOLP)或电力不足时间期望(LOLE)或负荷缺电概率(LPSP);环保性目标则为温室气体的排放量，如NOx，SO2和CO2。在微电网优化设计研究中，优化目标可以是上述目标中的单个或多个的集合。当采用多目标优化时，可以考虑经济性、环保性和可靠性等目标的不同组合，进行比较分析并选取恰当的优化方案。而采用单一目标优化时，则有3种不同的方法:①仅考虑单一的经济性目标，而可靠性指标和环保性指标则作为约束条件;②环保性目标按排放惩罚费用折算为相应的经济性费用，并连同其他经济性费用建立统一的经济性目标函数，而可靠性指标则作为约束条件;③可靠性指标按缺电损失折算为经济费用，环保性目标按排放惩罚费用折算为经济费用，再联合其他经济费用而建立单一的经济性目标函数。
步骤3:设定约束条件。约束条件主要针对微网系统和各分布式电源的正常运行控制条件而建立的，主要包括有系统功率平衡约束、机组运行约束(包括出力上下限限制、爬坡率限制、最小启停时间限制等)、储能容量及充放电功率约束、系统备用容量约束以及系统可靠性约束等。
3)优化算法
优化算法是求解微电网优化设计问题的一种重要工具。由微电网优化设计的数学模型可知，微电网的优化设计属于非线性优化问题。因此，国内外研究学者通常采用遗传算法、模拟退火算法和进化规划法或各自的改进算法等各种人工智能算法对微电网的优化设计进行求解。相对于求解过程复杂和计算时间长的传统经典算法，具有操作简便、计算效率高和鲁棒性强等优点的人工智能算法更受欢迎。在选择优化算法时，应根据优化目标的多寡、优化模型的复杂程度以及客户关注点(运算效率或计算精度)等方面，合理选择相应的求解算法。
2.2微电网的运行控制
微电网的运行控制是微电网技术的研究核心和热点问题。微电网的运行控制与传统电力系统有着显著的不同，主要是与系统内分布式电源的种类、渗透深度、功率输出特性、控制策略和方法、不同负荷特性(可中断负荷和不可中断负荷)、系统的运行模式和结构模式、能量管理要求以及电能质量、经济性、安全性、可靠性等有关。这使得传统的控制方法已经不适应于微电网的运行控制，因此微电网需要有一套全新的、科学有效的运行控制方法和机制对系统内各分布式单元进行协调控制，能够根据特定要求来满足微电网分别在孤网运行、并网运行，以及两种运行方式间切换时的不同运行要求，实现并保证整个系统的安全稳定运行。针对微电网运行控制的特点，应从单元级的分布式电源控制和系统级的微电网控制两个方面进行研究，才能科学准确的理解和掌握微电网的运行控制技术。分布式电源控制方法主要包含下垂控制(Droop控制)、恒功率控制(PQ控制)和恒压恒频控制(Vf控制)3种控制方法，在选择具体控制方法时，应综合考虑该分布式电源自身的出力特性以及其入网的目的和作用，微电网系统的整体控制模式等因素，做出相应的合理选择。微电网系统整体控制主要包括主从控制(masterGslave)和对等控制(peerGtoGpeer)2种典型的基本控制模式，以及将主从控制和对等控制相结合的综合控制模式。目前，对等控制模式和综合控制模式的微电网仍停留在实验室研究阶段，而主从控制模式是技术最成熟且应用最广泛的一种微电网控制模式。大量的研究文献和一系列微电网示范工程项目表明:含多种分布式电源的主从控制结构微电网通常采用分层控制策略来实现系统的正常运行控制。
图2给出一种典型的基于不同时间尺度上的微电网分层控制方案，它借鉴传统电力系统的三次电压/频率分层控制经验。图中EMS为能量管理系统。
图2中，第1层为分布式电源自身的运行控制，分布式电源应结合自身的控制特性和系统运行模式来选择恰当的控制策略。并网运行时，大电网提供系统电压频率参考值，从而所有分布式电源均采用PQ控制方法进行功率输出;而孤网运行时，系统内同步发电机组或电压源逆变型微电源采用下垂控制方法支撑系统电压频率稳定，而可再生能源等其他微电源则选取PQ控制方法自行注入电能。第2层为微电网动态运行控制，它通常是采用中央控制器(MGCC)实现微电网的并网运行、孤网运行和孤/并网模式切换三种不同状态的运行控制，维持整个微电网系统的稳定运行。第3层为微电网经济运行和能量管理层次的控制[47G50]，它是在保证系统稳定可靠运行的基础上通过优化分配各分布式电源的负荷功率，使系统总运行成本最小化的动态能量管理。
2.3微电网的保护
微电网的保护，是指当微电网发生故障时，能够快速识别及定位故障、切除故障并恢复微电网安全稳定运行的一种关键技术。目前，微电网的保护技术主要有基于自适应继电器的自适应保护系统、基于电压的保护方法、差动保护、过流保护、距离保护等。由于微电网的并网运行和孤网运行之间具有较大不同的运行控制特性，所以两种运行模式下所呈现的故障特性以及所采用的保护方法均有所不同。下面分别给出了在并网运行和孤网运行两种模式下的基本微电网保护方法。并网运行模式下的微电网保护步骤主要分为3个阶段:①故障定位，可采用负序功率方向元件、故障分量方向元件或基于电流突变量的定位方法来实现故障定位，确定故障是微电网外部故障还是内部故障;②根据不同的故障位置，选取恰当的故障保护策略(无论何种故障，微电网马上解列而进入孤网运行，无论何种故障，微电网始终与大电网连接，作故障穿越运行，若为外部故障则微电网马上解列而进入孤网运行，而若为内部故障则微电网继续接入大电网并作故障穿越运行);③排除故障。孤网运行模式下的微电网保护主要分为两个阶段:①故障定位，即确定故障是微电源故障还是馈线故障;②排除故障。因此，在设计独立微电网的保护方案时，应分别考虑馈线保护和电源保护的具体配置，以及它们之间的协调与配合。
2.4微电网的经济运行
微电网经济运行作为微电网系统经济性的最终体现，也是微电网研究的一项关键技术。微电网的经济运行目的是基于间歇性电源出力预测、负荷需求预测、市场信息等基础数据，通过建立适当的经济调度模型、调度策略以及相应的优化算法，在保证安全稳定可靠运行的前提下实现最小化的系统运行成本、提高能源利用效率、减少温室气体的排放。与传统电力系统的调度过程相似，微电网系的经济运行也包含有离线经济调度(调度计划)和在线经济调度(实时调度)两个不同阶段，如图3所示。
由图3可知，为了实现微电网的经济运行目标，需要综合运用功率预测、优化调度模型、调度策略和优化调度算法等相关方法和技术。
1)功率预测
相比于传统电力系统，微电网经济运行不仅需要预测负荷功率，还需要对间歇性电源出力进行预测。功率预测的方法按预测模型原理分为经典预测法和现代智能预测法。经典预测法包含卡尔曼滤波法、自回归滑动平均法、时间序列法、灰色预测法、空间相关法等。经典预测法的特征主要为短时间的预测精度较高，但随着时间的增加预测精度下降，且需要大量的历史数据进行建模，对初值较敏感，以及对平稳序列预测精度高，对不平稳序列预测精度低;现代智能预测法包含小波分析法、神经网络法、支持向量机法等，在拟合非线性关系预测方面具有优势，能反映预测对象运行本质且预测精度高，但需要大量原始数据而存在维数灾、局部极值以及训练速度慢等不足。因此，在预测间歇性电源的输出功率时，常用的是将数值天气预报与智能预测方法相结合，建立准确的预测模型，提高预测精度。
2)优化调度模型
微电网的经济优化调度模型是一个包含优化目标函数、等式和不等式约束条件的多维数、多时间尺度的复杂优化问题，其通用的数学描述如式(1)所示。
式中:f(x)为n个目标函数的最小值;f1(x)，f2(x)，�，fn(x)为n个目标函数;Y为目标函数空间;x为决策变量;hj和gk分别为第j个等式和第k个不等式约束条件函数。在微电网经济优化调度模型中，经济目标和环境目标常被选为优化目标，这也充分体现的微电网的经济性和环境友好性两大重要特征。其中，经济目标主要涵盖了最小化的燃料成本、运行维护成本和折旧成本，而环境目标则为最大化的环境效益或最小化的温室气体排放费用。而约束条件函数主要包括:微电网系统功率平衡、备用容量范围、机组出力限制、机组最短启停时间、储能系统充放电功率与荷电状态以及并网运行模式下的微电网与大电网之间的交换功率约束等。
3)优化调度策略
微电网的优化调度策略主要包括动态控制和调度控制两个层面上的控制过程，其中:动态控制用于处理系统电压和频率的稳定控制，而调度控制则用于处理各分布式电源间的有功功率分配。因此，在确定微电网优化调度策略时，不仅需要综合考虑微电网的运行模式(只能吸收外部电网电能而不能向外部电网输出电能的并网运行、相互交换电能的并网运行以及孤网运行等方式)，还需要根据各种分布式电源的能源特性及其控制原则，有时还需要考虑当地电能市场、政府能源政策等因素。通常情况下的微电网优化调度策略应遵循:优先和最大化利用可再生能源、其次为储能能源，最后为化石能源的原则。但基于当前的储能技术和成本限制而导致微电网中的储能容量相对较小，所以基于储能装置和同步发电机组等可持续发电装置间的优化调度就成为了微电网优化调度策略的一个重点和关键。
3、微电网技术平台:成果与展望
3.1成果
目前，欧盟、美国和日本等发达国家和地区都已完成了微电网的基础理论研究，并建立了一系列的微电网实验室系统以及微电网示范工程项目，例如:美国的Wisconsin实验室微电网、NREL实验室微电网以及CERTS微电网示范工程、GE微电网示范工程等;欧盟的希腊NTUA实验室微电网、德国Demotec实验室微电网以及希腊Kythnos微电网示范工程等;日本的Archi微电网和Kyoto微电网示范工程等。近年来，在中国国家能源发展战略和政策的大力支持下，微电网技术的研究与应用得到了迅猛的发展，并建立了一批实验室微电网和微电网示范工程项目，例如浙江东福山微电网、广东珠海东澳岛微电网等。为此，表1详细列出了国内外典型微电网系统的典型特征以及所采用的关键技术，这充分体现了对微电网技术的不断探索与研究，为进一步扩大微电网技术研究与应用奠定了坚实的基础。
3.2展望
微电网技术已在世界范围内取得了一定的理论和应用成果，但在诸如微电网的运行与控制、微电网电能质量、微电网保护以及微电网的接入标准等方面仍存在很多问题和不足。为此，为了进一步深入推进微电网技术的研究和开发应用，本文分析并总结了一些亟待解决的微电网新技术。
1)大容量的多级混合微电网技术。近些年来，单体微电网技术研究和应用已获得一定的成功，但在复杂的多级混合微电网技术上仍还处于起步阶段，还无法满足基于微电网技术的区域性多级配电系统改造需求。
2)智能微电网技术。当前，微电网在自动发电、智能控制和最优运行等新技术仍有较大不足，难以满足用户实际需求。另外，电网的智能化(智能电网)也要求微电网的智能化。
3)直流微电网。相对交流微电网，直流微电网具有无电力变换、没有无功电流以及控制简单等优点，虽然仍还处于初期阶段，但应作为一条重要的未来发展方向和新兴技术给予足够的重视。
4)微电网的多代理控制技术。目前，多代理控制技术(MAS)为解决微电网内多分布式单元间的复杂协作任务提供了一种新的求解途径和方法，但目前关于微电网多代理控制技术的研究相对较少，实用性成果缺乏。
5)面向整个微电网系统的各种仿真和应用工具软件，如微电网自动发电控制和能量管理系统等。微电网是一个系统性电力解决方案，但目前大多数研究主要集中在微电网的某个单体技术。只有研究和开发出相应的整体性微电网系统的工具软件，才有更加现实的推广和应用价值。
6)微电网多方向潮流交换的高智能型继电保护技术与产品。
4、结语
微电网是实现分布式发电技术大规模应用、有效提高系统供电可靠性的一种新型自治电力系统，本文对微电网的典型特征及关键技术进行了系统的总结和分析，得出以下几点启示:①微电网属于一个非线性、多约束、多时间尺度和多维度的复杂系统，应以系统角度深入了解微电网的典型特征和关键技术，才能科学研究和开发应用微电网;②为了实现微电网整个系统安全、稳定、可靠和经济运行目标，应在综合考虑微电网典型特征的基础上，遵循因地制宜、因时制宜的设计原则，合理选择微电网各关键技术。
