当前，智能电网的发展仍处于初期阶段。未来其核心将聚焦于智能配电网，而智能微网则是这一核心中不可或缺的关键组成部分。从技术实现路径来看，在现有微网技术基础上进一步拓展建设具备智能电网特征的“智能微网”，无疑是最具经济性、最易落地的智能电网项目。

智能电网的研究目标非常明确，主要集中于四个方向：

首先，必须确保电网安全稳定运行；其次，要让分布式电源真正发挥效能；第三，提升电网资产的利用效率；最后，也是用户最关注的——提高用电效率、供电可靠性以及电能质量。

要实现这些目标，离不开高级量测体系、高级配电运行、高级输电运行以及高级资产管理等多个环节的紧密协同，缺一不可。

国家电网公司对智能电网的发展规划也十分清晰：以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，覆盖发电、输电、变电、配电、用电和调度各环节，涵盖所有电压等级，最终实现“电力流、信息流、业务流”的高度融合，打造坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。

智能电网的核心

从长远视角来看，智能配电网的地位至关重要，它将是未来智能电网真正的核心。电力行业的定位决定了配电网未来的角色——在电力链条中，配电系统是与用户距离最近的环节。智能配电系统的建设，能够为用户带来实实在在的收益：

1) 目前用户遭遇的停电故障中，95%以上源于配电系统。智能配电系统具备的“自愈”功能，能将事故发生时用户的停电风险降至最低，这绝非小规模的改进。

2) 智能配电系统的双向特性——双向通信、双向计量，能够彻底改变电网公司与客户之间的互动模式，推动需求侧管理，让客户享受到更多电价优惠，从而显著提升电力服务的水平。

3) 如今，每家每户都配置了大量电脑、电子设备，这些设备对供电质量的要求越来越高。要治理谐波、无功电压等问题，就需要依靠新型电力电子装置。智能配电系统的建设，正是为了向用户提供更“优质”的电力供应。

4) 随着新能源产业扶持力度的持续加大，屋顶光伏、小型风电机组等微型并网项目正在快速推进。与此同时，智能化楼宇、智能化居民小区，以及以燃气轮机为自备电源的分布式电源，均具有并网需求。这些项目的落地，都需要新型智能配电网络的有力支撑。

5) 未来社会将是一个全面“电气化”的社会，作为城市电网的终端，各种新型电气设备对配电系统提出的要求将越来越高，这绝非空谈。

从智能微网到智能配电网

微网是分布式发电发展的必然产物

“微网”这一概念是伴随分布式发电的发展而逐步形成的。新能源产业崛起后，用户自备电源增多，光伏、微型燃气轮机、燃料电池、风力发电等分布式电源数量急剧上升。然而，如果大量分布式电源直接并入配电网，电网调度将面临一系列新挑战：

电网一旦发生故障，分布式电源必须立即退出运行；它们会间歇性地影响周边用户的用电质量；配电网的电压调整将变得复杂；同时还会产生大量谐波，影响区域电能质量；继电保护整定也变得更加棘手。

如何解决这些问题？将分布式电源与负荷组合成一个配电子系统——即微网，能够有效降低分布式发电带来的不利影响，同时充分发挥其积极作用。典型的微网结构可参考图1。

图1 典型微网结构示意图

微网是智能配电网的示范平台

微网技术从诞生之初就与先进的电力电子技术、计算机控制技术、通信技术紧密融合，其整体技术水平远高于传统输电网和配电网。

一个智能微网示范项目通常包含以下组成部分：

一个集控中心，负责整个系统的智能化、可视化管理，既是系统的运行平台，也是对外展示的窗口；多种分布式电源，例如光伏发电、微型风力发电机组、自备发电机组等；多个智能化用户，家中均安装交互式智能电表、一体化通讯网络以及可扩展的智能化电气接口，支持双向通信、智能读表、用户能源管理和家庭自动化；一个具备自愈能力的电力网络，由新型开关设备、测量设备和通讯设备构成，能够在集控中心调度下自动完成故障隔离、恢复供电以及故障定位诊断；此外，还配备定制电力或DFACTS设备，如动态无功补偿SVG、有源滤波器APF、固态断路器SSCB，用于改善电能质量，适应分布式新能源接入。

同时，各主要部分均预留了可扩展接口，旨在建设一个开放式的智能电网示范研究平台，为未来新试验、新产品挂网测试提供充足空间。

智能微网是智能配电网的重要组成部分

智能微网并非仅仅用于研究示范的“样板间”，它本身将成为未来智能配电网的核心组成部分，其优势极为显著：

它几乎拥有智能电网的全部特征——双向交互性、网络自愈功能、灵活性，一应俱全；能够提高分布式电源的有效运行时间；在电网遭遇灾变时，能够保障重要负荷的持续供电；同时能在微网范围内有效解决电压、谐波问题，避免间歇式电源直接影响周围用户的电能质量；此外，它还能尽量就地平衡分布式发电电能，有利于可再生能源的优化利用以及电网的节能降损。

结论

未来智能电网的核心是智能配电网，而智能微网则是这一核心的关键组成部分。从技术实现路径来看，在现有微网技术基础上扩展建设“智能微网”，是最省投资、最易落地的智能电网项目。在智能电网刚刚起步的当下，智能微网的建设具有极高的研究与示范价值，且风险最低。

然而，微网作为智能电网的重要组成部分，在控制方面仍存在一些问题需要解决，特别是微网的解列与并网控制。针对并网过程对微网和主电网电能质量的影响，通过研究电网中的频率与功率特性关系，对微网并网过程中的功率流动进行了详细分析。最后，利用电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC对并网过程进行了仿真，通过对比最佳并网时刻前后的不同并网过程，分析了其频率与功率变化的差异。研究结果表明，微网与主电网电压相对相位的不同，对并网过程的电能质量影响很大。

随着我国对智能电网研究与规划的正式启动，分布式电源作为智能电网的基础部分，越来越受到重视。分布式电源主要包括微汽轮机、风能、太阳能、燃料电池、生物质能等，它们通常与负载共同组成微网，作为一个可控单元接入主电网。并网运行时，微网通过公共连接点与主电网连接；当主电网发生故障或电能质量问题时，微网迅速断开，独立向内部负载供电；故障解除、主电网恢复正常后，微网再次并网运行。为确保并网过程中微网和主电网的电压、频率等电能质量指标符合国家标准，并网过程必须采取合理有效的控制策略，确保安全与顺利。

本文仅考虑并网后电网向微网注入功率的情况，微网向电网注入功率的控制留待后续研究。通过PSCAD/EMTDC仿真，重点分析了并网过程的电压与频率波动，并提出安全有效的并网控制方法。

典型微网结构

典型微网结构如图1所示，主要由分布式电源、储能系统、负载和保护装置构成一个低压电网，通过变压器与主电网的中压电网相连。当主电网中发生重大电能质量问题时，微网控制中心会控制微网切换至孤岛模式运行，保护内部敏感及重要设备。微网的并网是一个复杂的控制过程，在闭合开关之前，需要检查多项电能质量指标，只有满足同步并网要求，才能合上开关接入主电网。

并网后的功率流动

在电力系统中，当功率出现不平衡或频率发生变化时，频率与功率的调整是由负荷与电源两者的调节效应共同完成的。系统频率与有功功率之间的关系为：

$f = - Ks$P = - Ks(P0-P1) (1)

式中，Ks为系统的频率调节特性；$P为系统有功功率的变化；P0、P1是不同频率下对应的功率；$f为系统频率的变化。

在孤岛模式下，分布式电源提供了微网内部负载所需的全部功率。并网后，分布式电源产生的功率由微网控制中心的指令决定，微网所需功率的缺额部分再由电网注入。

图2展示了两个孤岛系统的频率-功率特性。在连接之前，两个分布式电源各自以不同频率独立向负载供电，频率分别为fa和fb。连接后，它们形成一个含有两个分布式电源的孤岛，只能在同一个频率f0下运行。从图2可以看出，A因频率下降，增加了$Pa的功率输出；B因频率上升，减少了$Pb的功率输出。整个网络的负载未发生变化，因此$Pa等于$Pb，并网后功率从A流向B。反之，如果并网前A的频率低于B，连接后功率则从B流向A。这说明，并网后功率会从并网前频率较高的系统流向频率较低的系统。因此，要确保并网后功率从电网流向微网，并网前电网频率必须略高于微网频率。

这种情况在实际应用中很可能出现——当发生重大事故后，所有分布式电源都会与微网分离，在微网重新启动时，它们会依次接入微网。

同步并网控制策略

一般而言，并网前两个独立运行的系统，运行频率很难调整到完全相同。并网前电网电压和微网电压分别为$U_g$和$U_m$，电压幅值$U_g=U_m$，频率$f_g \neq f_m$。假设并网后功率从电网注入微网，根据前述分析，$f_m$需略低于$f_g$，可得开关两侧的电压差$U_s$为：

$U_s=U_g \sin(\omega_g t + \theta_g) - U_m \sin(\omega_m t + \theta_m)$ (2)

其中，$\omega_g=2\pi f_g$，$\omega_m=2\pi f_m$。

式(2)可变换为：

$U_s = 2U \cos\left(\frac{\Delta \omega t + \Delta \theta}{2}\right) \sin\left(\frac{\omega_g + \omega_m}{2}t + \frac{\theta_g + \theta_m}{2}\right)$ (3)

式中，$\Delta \omega$为滑差角频率，$\Delta \omega = \omega_g - \omega_m$；$\Delta \theta$为初相位差，$\Delta \theta = \theta_g - \theta_m$。

微网仿真模型图如图3所示，微网含有一个分布式电源和负载，用直流电源经逆变器产生交流电来模拟分布式电源，微网通过并网开关与主电网连接。假设并网前电网电压为$E_g$，微网电压为$E_m$，根据功率流动分析，要使并网后功率从电网流向微网，并网前电网频率需略高于微网频率，即$E_g$的频率稍高于$E_m$的频率。同时，根据对电压差的分析，可知并网开关两侧的电压差是脉动电压，仿真结果如图4(a)所示。在5.0s时刻的局部放大图如图4(b)所示，可以看出，5.0s是最适合闭合开关的时刻——这种时刻会周期性出现，此时开关两侧的电压差最小，闭合过程产生的瞬间电流也很小，安全性能较高。

电压$E_g$和$E_m$的对比图如图5所示（点划线为电网电压$E_g$，实线为微网电压$E_m$）。综合图4和图5可以发现，5.0s是并网的最佳时刻。但在实际应用中，恰好在5.0s这个时刻合上开关的可能性很小，往往是在这个时间点前后闭合。仔细观察图5可以发现，5.0s前后是两种不同情况：5.0s之前，$E_m$超前于$E_g$，即$E_m$的相位超前$E_g$；5.0s之后则相反，$E_g$超前于$E_m$。下面重点分析这一差异对并网过程的影响。

微网的总负载为2.0pu，在孤岛模式下由分布式电源提供全部功率，而并网后要求分布式电源的输出功率为1.0pu。首先，在5.0s之前闭合开关，此时$E_m$超前于$E_g$，即频率低的电压相位超前于频率高的电压，同时保证开关两侧的电压差尽量小。并网过程中分布式电源的输出功率和频率变化如图6所示。

从图6(a)可以看到，并网过程中有一段向上的功率输出波动，随后又迅速回归正常水平。由于并网前后整个系统的总负载未发生变化，对微网而言，那些额外产生的功率流向了并网后的主电网。从图6(b)中可见，并网过程中有一段频率突然下降，短时间内产生了激烈波动。

5.0s之后闭合开关的情况如图7所示。在电压差较小时并网，频率高的$E_g$超前于频率低的$E_m$。从图7(a)可以明显看出，功率从2.0pu平滑过渡到1.0pu，没有较大波动。在图7(b)中，频率的过渡同样平滑稳定。因此，图7所示的情况才是最佳的并网过程，频率和功率波动都非常小，而且由于在电压差较小的时刻闭合了并网开关，开关中产生的瞬时电流也较小，整个过程中电能质量得到了有效保证。