【学科发展报告】 分布式能源并网模式

常见的分布式能源包括太阳能、天然气、生物质能、风能、地热能、海洋能等。20 世纪 80 年代末，美国及欧洲诸国纷纷开始应用分布式发电技术，全球电力工业出现由传统的集中供电模式向集中和分散相结合的供电模式过渡的趋势。分布式发电的大规模接入给电网尤其是配电网的运行控制、安全保护、调度管理等各方面带来了深刻的影响［1-5］。微电网及能源互联网是分布式电源接入电网的重要模式，通过有效协调分布式能源的管理和控制，以能源技术与先进控制技术、智能优化技术及信息处理技术等为实施手段，可实现分布式可再生能源的高效利用，提高可再生能源在一次能源生产和消费中的占比，实现分布式发电系统与传统电力系统之间的融合及优势互补，为分布式可再生能源的开发与利用提供广阔的发展空间［6-10］。

我国对分布式能源并网模式的研究起步较晚。在国家的支持下，电力公司和很多高校、研究机构都关注这一领域，开展了微网体系、能源互联网等关键技术研究工作，取得一些进展。特别是在国家自然科学基金和国家科技部 973 项目、863 项目的大力支持下， 针对领域内关键技术问题，如运行控制策略、能量管理、储能、示范工程建设等多个方面开展了系统化的研究工作。浙江电科院微电网实验室、合肥工业大学微电网实验室、天津大学微电网实验室、浙江东福山岛微电网示范项目、中国电科院微电网实验平台及基础前瞻性项目“能源互联网技术架构研究”、天津中新生态城微电网示范工程等项目的实施， 极大地推动并网技术发展和相关标准的制定，从分布式能源并网的基本概念及形态、发展模式及路径、技术框架及拓扑、关键技术分析等方面展开了广泛的研究，但在商业化运营方面还需要很长的路要走。其相关最新研究进展具体表现在如下几方面：

（一）控制策略

国内外研究人员主要提出了三种控制模式：主从控制模式、对等控制模式和基于多代理系统的分层控制模式。

主从控制策略的微电网控制系统以某一控制器为主控制器，其余为从控制器，主控制器通过检测电网中的各种电气量，根据电网的运行状况采取相应的调节手段，通过通信线路来控制其他“从属”电源的输出实现整个微电网的功率平衡。主从控制器之间一般需要通信联系，因此通信的可靠性对系统可靠性有很大影响，使系统的成本和复杂性增大。

对等控制策略的微电网中每个分布式电源有相等的地位，所有分布式电源以预先设定的控制模式参与有功和无功的调节，从而维持系统电压频率的稳定。这种“即插即用”的功能，基于本地变量进行控制，不依赖于通信，从理论上来说可以提高微电网的可靠性并降低系统成本。

基于多代理系统的分层控制模式，将包含微电网的配电网分层，在每层设置相应的代理，利用多个分布代理之间的协调，实现微电网的运行控制与优化等。具有灵活、协作、自治、易扩展等诸多优点。目前该控制策略多用于协调市场交易、对能量进行管理等方面［11-17］。

（二）无缝切换

微电网具有联网和独立两种运行模式。当检测到微电网发生孤岛效应，或根据情况需要微电网独立运行时，应迅速断开与公共电网的连接转入独立运行模式。当公共电网供电恢复正常时，或根据情况需要微电网联网运行时，将处于独立运行模式的微电网重新联入公共电网。在这两者之间转换的过程中，需要采用相应的运行控制策略，以保证平稳切换和过渡［18-21］。

（三）自动频率、电压及黑启动

在孤岛运行时，由于系统惯性小，在扰动期间频率变化迅速，必须采取相应的自动频率控制以保证微电网系统频率在允许范围内；分布式可再生能源的波动、微电网内各类负荷与分布式电源电气距离较近，电压波动等问题更加复杂，需要采取相应的自动控制以保证微电网系统电压在允许范围内；在一些极端情况发生时，如出现主动孤岛过渡失败或微电网失稳而完全停电等情况，需要利用分布式电源的自启动和独立供电特点，对微电网进行黑启动，以保证重要负荷的供电［22，23］。

（四）能源管理技术

智能能量管理技术可以针对分布式能源所具有典型的非线性随机特征与多尺度动态特征，实现对分布式能源内部能量设备的“即插即用”管理以及多能源局域网之间的分布式协同控制。多能流能量管理技术涉及冷、热、电、气、交通等多学科跨领域联合攻关，需要在基础理论方面开展深入研究，建议尽快通过多渠道进行立项，重点突破多能流综合能源系统建模、多能流耦合状态估计、多能流联合潮流分析、多能流安全评估与预警、多能流优化调度与控制等关键技术难点。

固态变压器提供分布式能源和负载的有效管理，因其具有强烈的限流作用，能大幅度改善短路电流波形，提高电网的稳定性，传统的通过检测电流大小的故障检测设备和方法将失效，需要设计新型故障识别和定位方法。这就需要设计一种新的电路断路器，保证当系统发生故障时，断路器可以快速地隔离故障单元，使得固态变压器能快速的恢复系统电压。而用固态电力半导体器件代替机械式断路器而研制的固态短路器可以满足能源互联网的需求［24-29］。

（五）协同控制技术

分布式协同控制是分布式能源运行的重要特征。基于多智能体系统，利用信息通信技术，实现各分布式设备的协同合作、协同调度，保证分布式能源安全、稳定运行。

能源转换是多能协同的核心，主要包括电能与电能之间转换和电能与其他能源之间转换。能量枢纽集成风、光、电、气等多种能源输入、冷热电等多种产品输出，使不同形式能源在生产、传输、消费等多个环节进行协同优化，实现优势互补，有助于提升能源利用效率，降低能源供应成本。可分为两类：一类是能量枢纽的规划，研究如何因地制宜地建设能量枢纽，配置各规划时段能量枢纽内的能量转换及储存装置的容量和组合情况。另一类是能量枢纽的优化运行，研究在现有能量枢纽结构下的多能源系统协同运行优化，分为单个能量枢纽的优化运行、多个能量枢纽的优化运行［30，31］。

（六）信息物理社会系统的建模及安全性

分布式能源是典型的信息物理社会系统，其安全稳定运行是分布式能源运行的基础。因此，国内外相继展开了含分布式电源的能源系统自愈控制和故障诊断的研究，通过系统信息， 获得故障特征，发现故障元件，判定故障区域，进而为故障隔离、故障恢复和自愈控制。

德国研究者 Pasqualetti 等提出了一种基于几何最优原则的信息物理安全的跨层弹性控制理论方法，并对信息物理系统中的攻击探测和识别进行了探讨。随着分布式能源普及， 大量信息物理社会系统深度融合，使得分布式能源并网存在更多安全隐患问题，对分布式能源的系统安全性提出了挑战［32-34］。

根据对我国经济社会发展趋势、新能源资源分布、电力系统特性及发展规划、新能源发电技术水平、分布式能源关键技术现状及发展目标的分析来看，分布式能源并网的发展趋势可以归纳如下：

（1）针对微电网中分布式发电、储能、运行控制等部分关键技术进行研究，在国内试点建设了以光 / 储、风 / 光 / 储、风 / 光 / 储 / 柴、微燃机等为特征的并网型微电网，以及以风 / 光 / 储 / 柴为特征的离网型微电网，并初步实现微电网自启动、并离网切换、电压控制、频率控制、负荷控制等控制目标，实现并验证微电网的基础性技术。

（2）在完成上述研究之后，制定和完善了微电网相关技术标准，全面开展微电网各项关键技术研究，在微电网分布式发电、储能、规划设计、运行控制、电能质量、信息通信方面进行深入研究，特别需要进一步研究区块链技术在分布式能源交易中的应用、硬件在环技术在分布式能源集成和评估中的应用，以解决微电网与配电网之间的调控及实时运行问题，并针对多种供电需求广泛开展工程示范［35-38］。

（3）针对国家发展改革委和国家能源局发布《关于新能源微电网示范项目名单的通知》，28个新能源微电网示范项目获批建设，实现可再生能源电力渗透率不低于50%、清洁能源电量自给率不低于50% 的基本要求，体现出技术集成应用、运营管理模式及市场交易机制方面的全方位创新。

（4）能源互联网是互联网信息技术与分布式可再生能源相结合的产物，涉及的学科领域非常广泛，如材料科学、生物科学、控制科学、信息科学、管理科学、经济学等，是典型的交叉学科问题。在互联网技术、计算机技术、通信技术和电力电子技术等不断革新、进步的背景下，能源互联网将激发能源生产、传输、存储、消费等能源全价值链的变革， 将形成集中式与分布式协调发展、相辅相成的能源供应模式；将对能量流赋予信息属性， 实现信息流对能量流的灵活管控［39-42］。

分布式能源的接入给电网带来深刻影响，使配电网的运行、控制、保护面临新的挑战，为了解决这些问题，国内外的电力公司、高校、科研院所对分布式发电、微电网和能源互联网技术进行了广泛、深入的研究。其中，美国、欧洲、日本在该技术领域内最为领先。

美国提出微电网最初是为了解决供电可靠性问题，美国对微网的研究重点在于利用微网提高重要负荷的供电可靠性，同时满足用户定制的多种电能质量需求、降低成本、实现智能化等。提出了建立具有智慧功能的电网构架，吸纳分布式能源，通过综合运用先进的电力电子技术，信息技术和智能管理技术，将大量由分布式能量采集装置，分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络节点互联起来，以实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络［43-45］。

欧洲能源政策的核心是发展可持续、具有竞争力和安全的能源，主要目标是解决大规模分布式可再生电源接入问题、实现可再生能源发电的规模化利用，同时也主要考虑满足能源用户对电能质量的多种要求、满足电力市场的需求以及欧洲电网的稳定和环保要求等。启动了未来智能能源互联网项目，构建未来能源互联网的 ICT 平台，支撑配电系统的智能化，通过分析智能能源场景，形成欧洲智能能源基础设施的未来能源互联网ICT 平台。

日本主要目标是解决能源供应多样化和扩大清洁能源利用规模的问题。日本的研究更注重控制与电储能，定位于解决能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力需求。提出建设“数字电网”，运用互联网技术把集中式的大电网分解成异步自立又相互连接的子电网，再由能源路由器统一分配地址，以分散控制方式实现电力系统的虚拟一体化［46］。

国内在微电网方面，中国电力科学研究院、清华大学、天津大学、合肥工业大学、中科院电工所等建成了一批微电网的实验系统，分析研究了电源电力电子接口模型、微电网的控制策略、并网和独立运行方式快速、无缝切换策略等。需要从以下几个方面解决：降低分布式发电、储能、运行控制、信息通信等设备的成本；在建模仿真、规划设计等领域加大投入，以实际工程积累经验，并逐步将微电网在国内进入商业化推广阶段；在大电网无法覆盖地区比如西藏、新疆偏远的高原山区，大力发展微电网，使微电网成为该地区重要的供电解决方案。在能源互联网方面，2015年4 月，由清华大学发起并组织，以“能源互联网：前沿科学问题与关键技术”为主题的香山科学会议。2016年2月，国家发展与改革委员会、能源局、工业和信息化部联合发布国家能源互联网纲领性文件《关于推进互联网 +”智慧能源发展的指导意见》，提出了能源互联网的路线图，明确了推进能源互联网发展的指导思想、基本原则、重点任务和组织实施。2016年4月，国家发展与改革委员会、能源局正式发布《能源技术革命创新行动计划（2016 — 2030年）》，为未来我国能源互联网技术的发展制定了行动计划。2015年6月和2017年4 月，中国自动化学会分别成立了分布式能源和能源互联网专委会，奠定了坚实的基础。

分布式能源采用微电网和能源互联网形式并入电网，形成典型的信息物理社会系统。该系统是一个全新的系统，本质上是一个物质、能量、人类社会与信息深度耦合的系统，是物理空间、能量空间、社会空间、信息空间耦合的多域、多层次关联，表现出混杂多尺度动态与复杂网络特性，具有更广阔的开放性和更大的系统复杂性。因此，需要对分布式能源并网的物理架构、体系结构、标准协议、协同控制方法等关键基础理论问题进行深入研究，揭示其控制、运行和演化机理，研究信息能源融合机制，提出面向可靠性、安全性、自愈性等目标的分布式能源并网体系结构设计与优化技术，形成相应的基础理论和关键技术创新。