APEC 研究报告
分布式电源及智能用电技术的
现状及发展
2012 年 6 月 13 日
研究团队：孙嘉平、张建华、刘文霞、刘念、曾博、张敏、吴林伟、
朱星阳、蒋程
编写： 张建华
审核： 孙嘉平
目 录
第一章 分布式电源及智能配用电技术的现状和趋势 ........................1
分布式电源和微电网的研究现状.....................................................................................1
智能配用电技术的应用现状及未来趋势.......................................................................10
微网及其构建的智能配用电系统中的关键技术及相关研究内容...............................14
第二章 分布式电源的工作原理 ..........................................................26
双馈风力发电机......................................................................................................26
燃气轮机..................................................................................................................36
燃料电池..................................................................................................................44
太阳能光伏发电......................................................................................................49
储能元件..................................................................................................................55
分布式电源逆变器控制模型..................................................................................66
第三章 智能配用电系统的功能和规划 ..............................................68
智能配用电系统的基本概念.........................................................................................68
智能配用电系统的基本构成及功能.............................................................................68
智能配用电系统的集成规划.........................................................................................71
第四章 日本分布式电源和智能配用电技术的发展 ............................77
有关政策和智能配用电技术..................................................................................78
可再生能源的影响及解决方法..............................................................................81
智能电表..................................................................................................................82
新一代能源..............................................................................................................83
小结..........................................................................................................................84
第五章 中国微电网示范园区的系统设计及仿真 ................................85
微电网示范园区简介..............................................................................................85
微电网示范园区系统设计......................................................................................86
微电网示范园区运行仿真分析..............................................................................87
第六章 结 论 ....................................................................................92
第一章 分布式电源及智能配用电技术的现
状和趋势
分布式电源和微电网的研究现状
欧洲、美国及日本等发达国家和地区目前都已经完成微电网及智
能配用电系统的基础理论研究，初步建立了分布式能源和微电网的模
型和仿真分析工具，完成了微电网及所构建的智能配用电系统的控制
和保护策略、通信协议等，并且通过实验室测试和智能配用电系统示
范小区进行了验证，解决了微电网及智能配用电系统的运行、保护和
经济性分析的基本理论问题。未来的研究目标是发展高级控制策略，
整合多个微电网同智能配电管理系统（DMS）的相互作用，进行标准
化设计，实现现场实验以进一步验证控制策略在实际微网构建的智能
配用电系统中的运行效果，以及微电网对电力系统运行和规划的影响
评估等。
目前各国一些典型微网构建的智能配用电系统试验工程调研情
况如下。
（1） 北美的微电网及其构建的智能配用电系统研究
首先，由美国可靠性技术解决方案协会（CERTS）最早提出的微
电网概念，是所有微电网概念中最具代表性的一个。美国CERTS在其
微电网概念报告中，对微电网的主要思想以及关键性技术问题进行了
详细的概述，说明CERTS微电网两个主要部件：静态开关和自治微型
电源，并系统阐述了微电网的结构，控制方式，继电保护以及经济性
评价等相关问题。目前，美国CERTS微电网的初步理论和方法已在美
国电力公司沃纳特／Walnut微电网测试基地得到了成功验证。有美国
北部电力系统承接的曼德瑞沃/Mad River微电网是美国的第一个微电
网的示范性工程，检验了微电网的建模和仿真方法、保护和控制策略
以及经济效益等，并初步探讨制定关于微电网的管理条例和法规，成
为美国微电网工程的成功范例。同时美国能源部（USA. Department of
Energy）在“Grid 2030”发展战略中，已经提出一个以微电网的形式安
放和利用微型分布式发电系统得阶段性计划，对今后的微电网的发展
规划进行较为详尽的阐述。此外，加拿大BC和Quebec两家水电公司
已经开始开展“微电网”示范性工程的建设，特别对于微电网的主动孤
网运行进行测试，项目的目标是通过合理地安置独立发电装置
IPP(Independent Power Producer)改善用户侧供电可靠性。
美国的微电网由美国能源部（DOE）和加州能源委员会（CEC）
共同资助，从2003年起开始正式研究。美国电力可靠性技术解决方案
协会（CERTS）是最著名的微电网研究机构，在2003年为美国能源部
和加州能源委员会编写的《微电网概念》白皮书中最早提出了微电网
的概念。这个概念已经在威斯康辛大学实验室的试验平台中成功得到
了检验。为了进一步验证概念的准备性与合理性，CERTS于2006年11
月份开始进行微电网的示范小区，在美国电力公司的多兰技术中心搭
建微电网构建的智能配用电系统试验平台，如图所示。
图 多兰技术中心微电网试验平台布局
（2） 日本分布式电源和微电网的研究
日本根据本国资源日益缺乏、负荷需求增长迅速的发展现状，开
展了微电网的研究。目前，日本已在国内建立了多个微电网工程。近
年来，可再生能源和新能源一直是日本电力行业关注的重点之一，为
此，新能源与工业技术发展组织（NEDO）大力支持一系列微电网示
范性工程，并鼓励可再生和分布式发电技术在微电网的应用。日本在
微电网的网架拓扑结构以及微电网集成控制、热电冷综合利用等方面
开展的一系列研究，为分布式发电系统及基于可再生电源的大规模独
立系统的应用提供了较为广阔的发展空间。
NEDO在2003年启动了含可再生能源的地区配电网项目，并分别
在青森县、爱知县和京都县建立了3个微电网示范小区。位于青森县
八户市的示范小区如图所示。这个工程全部采用可再生能源（风
能、太阳能和生物质能）供给电能和热能。该工程电源包括生物质燃
气发电机3×170kW，铅酸蓄电池组2×50 kW，光伏发电80 kW，风力
发电20 kW，共710 kW。负荷包括：市政厅360 kW，4所中小学205 kW，
八户供水管理局38 kW，共603 kW。整个微电网通过公共联结点（PCC）
与外部大电网连接。在9个月的运行期间，由于建立微电网使可再生
能源利用系数增加，系统从大电网的购电量减少，CO2排放也大幅度
降低。在为期1周的独立运行期间，系统频率基本维持在50±范
围内，较好地实现了系统的稳定运行。
图 青森县微电网构建的智能配用电系统示范小区
日本在京都县建立了京都经济能源工程，于2005年12月开始运行。
这个系统的电源包括：光伏发电50 kW，风力发电50 kW，生物发电5
×80 kW，一个250 kW的熔融碳酸盐燃料电池（MCFCs）和一个100 kW
的蓄电池组。能量控制中心通过电信网络与分布式电源进行通信，从
而控制能量平衡的供需要求。一旦出现能量的不平衡，可以在5分钟
内进行调节，而且计划未来要进一步缩短时间。
在仙台，新能源产业技术综合开发机构（NEDO）也建立了一个
电能质量可靠性服务的智能配用电系统示范小区，已在2006年完成。
这个工程旨在研究多个电能质量的可靠性可以同时满足一系列用户
的需求。除此之外，私人企业和部门也展开了微电网的研究。例如清
水公司与东京大学联合开发微电网的控制系统，已经在东京的研究中
心建立试验工程。在日本，微电网的技术体系主要集中在当维持传统
电网供电时如何利用新能源发电，以及如何提供多重的电能质量可靠
性。微电网的多领域研究正在检验微电网技术的可行性，但是清洁经
济和环境效益还没有被考虑进去。微电网的经济评价方面仍然面临许
多挑战。
（3） 欧盟的微电网研究
从电力市场自身需求、电能安全供给以及环境保护等方面综合考
虑，欧洲在2005年提出“智能电网”（Smart Grid）的目标，并在2006
年出台该计划的技术实现方案。作为欧洲2020年及后续的电力发展目
标，该计划指出未来欧洲电网具有灵活、可接入、可靠和经济等特点。
基于这些特点，欧洲提出要充分使用分布式发电系统、智能技术、先
进电力电子技术等实现集中式供电与分布式发电的高效整合，并积极
鼓励独立运营商和发电商参与电力市场交易，快速推进电网技术的发
展。微电网以其智能型、清洁高效、以及能量的多级多元化应用等特
点必将成为欧洲未来电网的发展得重要组成部分。
目前，欧盟主要资助和推进两个微电网项目“Microgrids”和“More
Microgrids”，旨在通过拓展和发展微电网的概念增加微型发电装置的
渗透率，已初步形成微电网构建的智能配用电系统的运行、控制、保
护、安全以及通信等基本理论，并相继在希腊、德国、西班牙建立了
不同规模的微电网实验平台。其中德国太阳能研究所（ISET）建成的
微电网实验室规模最大，容量达到200kVA，并在其实验平台上设计
安装了简单的能量管理系统。而未来欧盟研究主要集中于可再生微型
发电系统的控制策略和微电网的规划、多微电网管理运行优化工具的
研发，技术和商业化规范的制定，示范性微电网测试平台的推广，电
力系统运行性能的综合评估，这些为分布式发电系统和可再生能源系
统大规模并入微电网以及传统电网向智能电网的过渡做好铺垫。
欧盟科技框架（Framework Program, FP）计划是当今世界上最大
的官方科技计划之一，具有研究水平高、涉及领域广、投资力度大、
参与国家多等特点。欧盟第五框架计划（1998～2002）资助了微电网
的开拓性研究，形成了一个以雅典国立科技大学为首，来自7个欧盟
成员国的14个组织的庞大的研究团队。研究成果包括：（1）完成了
分布式能源建模和稳态、动态分析软件；（2）形成了微电网独立和
并网运行原则、控制算法、本地黑启动策略；（3）明确了分布式能
源接口响应及其智能化的必要条件以及可靠性量化的方法；（4）完
成了微电网接地和保护方案以及多种功能的实验室规模的微电网。随
后在欧盟第六框架计划（2002～2006）的资助下，研究团队进一步扩
大，包括Siemens、ABB在内的制造商以及部分欧盟成员国的电力企
业和研究团队。研究的对象也发展到多个微电网并列运行，目标是实
现多个微电网在电力市场环境下的技术和商业接入。与此同时，欧盟
也建立了多个微电网构建的智能配用电系统示范小区。希腊的CRES
公司建立了基斯诺斯岛微电网工程，如图所示。
图 基斯诺斯岛微电网试验工程
该微电网位于爱琴海南部的基克拉泽斯群岛，为12户居民供电。
电源包括10 kW的光伏电池、53 kWh的蓄电池组和一个5 kW的柴油机
组。另外约2 kW的光伏电池安装在控制系统建筑的楼顶上，通过SMA
逆变器和32 kWh的蓄电池组为监测和通信提供电源。住宅区的电力
供应是通过3个并联的SMA电池逆变器组形成一个可靠的单向回路。
电池逆变器组能够工作在频率下垂模式：当蓄电池组处于低电能状态
下可以允许信息流向开关负荷控制器；当蓄电池组处于饱和情况下可
以限制光伏逆变器组的功率输出。
荷兰的Continuon公司在Bronsbergen的假日公园里建立了一个微
电网工程。这个地区有超过200户住处，光伏发电为315 kW。住户使
用4条约400米的馈线与中/低压变压器相连。当白天负荷较低时，光
伏发出的大部分功率注入中压网络中。在晚间从网络输出以供所需。
在光伏发电时，馈线末端的高电压和较大的电压畸变都已经被考虑进
去。另外在微电网运行在孤岛的模式下，电能质量的改善可通过电力
电子器件和储能来解决。
德 国 的 MVV Energie 公 司 在 一 个 大 约 1200 户 居 民 的 生 态 区
Mannheim—Wallstadt建立了多个微电网及智能配用电系统的长期试
验点。光伏发电为30 kW，计划未来投入更多的分布式电源。该试验
的第一个目标是进行用户侧负荷管理。在2006年夏季的2个月时间内，
超过20户居民和一个托儿中心加入一个名为“与阳光共浴”的工程中。
由于光伏发电的信息可以被用户们获取，所以当用户直接利用光伏电
池发电时，可以根据情况转移负荷。结果显示，用户都显著地转移了
负荷：从夜间的高峰时段转向白天的太阳强辐射时段，从阴天时段转
向晴天时段。
另外，丹麦的OESTKRAFT公司、意大利的CESI公司、葡萄牙的
EDP公司和西班牙的LABEIN公司都在各自国家建立了微电网及智能
配用电系统的试验点，进行微电网及智能配用电系统的研究。
这些研究成果已经成为欧盟“智能电网—欧洲未来电网的展望和
战略”的重要组成部分。智能电网计划在2005年启动，旨在完成对2020
年之后欧洲电网发展的展望和战略部署。作为欧洲未来电网发展的纲
领性目标，智能电网计划中未来电力系统的主要框架结构是集中式发
电和远距离输电骨干网、地区输配电网、以微电网为核心的分布式发
电系统相结合的统一体，能节省投资、降低能耗、提高能效，提高电
力系统的可靠性、灵活性和供电质量，能够使欧洲电网满足21世纪的
挑战和机遇，满足社会、环境及政治对能源的需求。
（4） 中国的微网研究现状
目前，我国在微网技术以及可再生能源发电系统方面的研究还处
于起步阶段，在国家科技部“863计划先进能源技术领域2007年度专题
课题”中已经包括了微电网技术。目前清华大学、华北电力大学、中
国科学院电工研究所、天津大学、河海大学、东南大学等单位相继开
始了对微电网的研究。清华大学与辽宁高科能源集团合作，在国内率
先将微电网应用到实际工程中，积累了丰富的实践经验和学术成果。
天津大学的研究课题“分布式发电供能系统相关基础研究”获得了国家
973计划项目的资助；河海大学与英国格拉斯哥卡里多尼亚大学有着
密切的学术合作交流，并共同开展微电网的研究。同时与日本广岛大
学合作，在微电网领域共同开展了许多研究。国家高技术研究发展计
划（863计划）在2007年设立了我国北方和南方两个分布式供能及智
能配用电系统示范项目：目前国内在建的微网示范系统为南方电网公
司在深圳建立的南方冷热电微网智能配用电示范性工程。该工程是基
于3台燃气轮机的冷热电三联供深圳科技园微网智能配用电系统示范
小区，另一项是中电投资公司在内蒙古呼和浩特市建立的北方冷热电
三联供示范性工程，“北方地区MW级分布式冷热电联供系统集现状
成技术与示范小区”；该工程基于2台燃气轮机的冷热电大盛魁三联
供微网智能配用电系统示范小区。由此可见，微网及所构建的智能配
用电系统的特点适合我国电力发展的整体需求与方向，在我国将会有
广阔的前景。因此，研究微网并网运行控制理论是真正使得微网及其
构建的智能配用电系统应用与推广关键技术难题。
智能配用电技术的应用现状及未来趋势
（1） 国外现状
世界上第一个全面应用“智能电网”的城市是美国 Xcel Energy 公
司于 2008 年在科罗拉多州建设的波尔得市。波尔得市的智能电网是
一个高速、实时的双向通信系统，包括智能变电站和用户能量控制系
统以及用于网络故障快速诊断和纠错的传感器；整个电网建立了新的
测量系统；城内全部家庭安装智能电能表。城市支持分布式清洁能源
的接入，用户可通过电表优先使用太阳能和风能等清洁能源；同时，
变电站经过升级后可采集到每家每户的用电情况，一旦出现问题可以
重新配备电力。此外，西班牙电力公司和当地政府在南部城市 Puerto
Rea 合作开展了智能城市的试点，启动于 2009 年 4 月启，计划四年
内完成。它涉及 9000 个用户，1 个变电站以及 5 条中压线路、65 个
传输线中心，在电网、家庭、计量体系等多个方面对现有电网进行改
造。
国外对于智能配用电系统技术的探讨非常丰富，如基于电力光纤
到户的“三网融合”技术的研究、通信网络平台的构造和运营模式的讨
论，配电自动化的数据采集、通信处理和控管一体化等；此外，国外
企业也非常注重对于智能配用电系统相关技术的研究开发，如德国的
西门子公司、法国施耐德公司、美国的 COOPER 公司、摩托罗拉公
司、英国 ABB 公司、日本东芝公司等，均不同程度地涉及配电自动
化、智能配用电系统通信技术等。总的来看，可以总结出国外智能配
用电系统发展有以下几个特点：一步到位的“智能配用电系统”试点与
部分技术逐一普及相结合，尤其是对智能电表的推广；推进微网工程
试点工作，并结合当地需求考虑分布式能源和微网的发展；通过智能
电表和相关电价政策引导用户参与需方响应，节约电能，缓解电网压
力；积极开展对于智能配用电系统前沿技术的研究和探讨等。
（2） 国内现状及未来趋势
目前，智能用电系统在我国正处于初级试点建设阶段。截止到
2011 年年底，我国已有数个正在建设中或即将建成投入运行的智能
配用电园区。本部分重点选取北京、天津、上海及江西等四个具有代
表性的示范工程以介绍智能配用电园区在我国的发展现状。
2009 年 5 月，国网信息通信有限公司分别在北京莲香园小区和
阜成路 95 号院设立了两个智能电网用户服务试点。莲香园项目智能
电网用户服务系统通过使用光纤复合低压电缆，在电力线入户的同时
达到了光纤入户，从而实现了实现电网与用户的双向实时交互。实现
的主要功能包括三表（水、电、气）信息抄收、双向实时通信、家电
管理、响应电网调峰要求、提供社区服务、安防服务、实现电力网、
信息网和通信网的“三网融合”。其楼顶还安装了 8 块太阳能电池板，
不仅可满足家中的用电需求，如发电量仍有富余，则可送入电网，赚
取发电上网费用。同时小区微电网还具备远程控制功能，可以进行远
程拉合闸控制，便于中断与分布式发电并网，确保检修安全。在电网
有电的情况下，可以跟踪电网的频率、幅值和相位，选择合适的时间
并网。
2011 年 9 月 19 日，国际上目前覆盖区域最广、功能最齐全的智
能电网示范区——中新天津生态城智能电网综合示范工程成功投运，
这也是我国首个智能电网综合示范工程。中新天津生态城智能配用电
园区位于天津滨海新区，毗邻天津经济技术开发区、天津港、海滨休
闲旅游区，地处塘沽区、汉沽区之间，总面积约 31 平方千米，规划
居住人口 35 万。该示范工程通过 6 千瓦的风电和 30 千瓦的光伏、以
及 60 千瓦时的储能装置构建成一个小型微网系统，涵盖发、输、变、
配、用、调度六大环节，包括分布式电源接入、储能系统、智能电网
设备综合状态监测系统、智能变电站、配电自动化、电能质量监测和
控制、用电信息采集系统、智能用电小区/楼宇、电动汽车充电设施、
通信信息网络、电网智能运行可视化平台及智能供电营业厅 12 个子
项工程。项目投运后能够满足区域内可再生能源利用比例不低于 20%；
智能电能表覆盖率 100%，供电可靠率 %的要求，达到国际领
先水平。此外，当前智能电网一些前沿技术在该项目中得到充分的体
现，如全国首个融合光伏发电、风力发电及先进储能技术的较为完整
的微网系统，填补了我国微网分布式电源接入技术和微网控制技术领
域的空白，因此具有重要的示范意义。到 2020 年，生态城将全部采
用清洁能源和绿色建筑，太阳能、海水发电、风能在内的各种可再生
能源的替代电量约占整个生态城用电量 %；并且，中新生态城
智能电网选择锂离子电池为主要储能装置，建设集中储能站，有效地
保证风力发电等新能源发电的输出，同时“削峰填谷”地提高利用能源
效率；为配合生态城绿色交通规划，至 2015 年生态城内将建设 3 座
大型充电站，3 座中型充电站和 300 座交流充电桩。按照生态城的规
划方案，智能用电小区将实现水、气、电“三表结合”和有线、电话、
互联网、电力网的“四网融合”模式；智能用电小区同时具备多样的智
能服务，实现家电灵敏负荷的用电信息采集和控制，同时建立紧急求
助、燃气泄漏、烟感、红外探测于一体的家庭安防系统；并且包括电
表查询、物业配送、网络增值、医疗等增值服务。
此外，上海世博园是另一个具有代表性的智能配用电园区示范工
程，也是我国首个真正意义上的智能电网示范园区。该工程包括新能
源接入、储能系统、智能变电站、配电自动化系统、故障抢修管理系
统、电能质量检测、用电信息采集系统、智能楼宇/小区以及电动汽
车充放电站等 9 个示范工程，此外还包括智能电网调度技术支持系统、
信息平台、智能输电以及可视化展示等 4 个演示工程。该工程的特色
之处在于：首先，建成了新能源接入综合系统，覆盖上海各风电场、
光伏电站、储能系统、电动汽车充放电站和部分资源综合利用（热电
冷三联供）机组，实现多种能源形式最优互补，提高了资源综合利用
效率；此外，全面实现了配电自动化，使配电网具备自愈功能；最后，
该工程还建成了具有双向有序电能转换模式（V2G）功能的原型系统，
实现与电网调度和营销系统的集成，以及车载电池组与电网的双向能
量交换，展示了电动汽车作为移动储能装置的广阔应用前景。
除上述已经建成投运的智能配用电园区外，国家电网公司的另一
具有重要意义的智能电网综合集成技术研究与示范项目---江西共青
城智能电网综合示范工程正在建设中。试点区域面积约 平方公里，
项目一期投资为 亿元，实施期限为 2012 年 1 月到 2014 年 12 月。
该工程项目的鲜明特点是将国家电网公司已经试点成功的智能电网
技术集成到同一平台展示和应用，向系统化、实用化迈进了一步。项
目的另一个特点是引入了国际合作。结合了中芬数字生态城和中日智
能社区，在微网、工厂及楼宇能效管理等方面开展国际合作。该项目
拟建设清洁能源接入与储能系统、配电自动化、电能质量监测、用电
信息采集、智能小区、电动汽车充电设施、互动化营业厅、应急指挥
中心、物联网应用及通信信息网络、智能电网可视化平台等 10 个子
项。建成后可集中展示智能电网信息化、自动化、互动化的先进特性。
通过将先进的智能电网技术嵌入城市，带给人们全新的低碳生活方式，
对其他城市和地区的复制、推广，具有显著的示范效应。
微网及其构建的智能配用电系统中的关键技术及相关研
究内容
（1） 微电网的运行
微电网系统有与外部电网并网运行和孤岛运行两种运行模式。
并网模式是指正常情况下，微电网与常规电网并网运行时向电网
供出多余的电能或是由电网补充自身发电量的不足。通过微电网的实
验平台验证：合理的控制策略下，微电网可以并网或孤网运行，并可
实现两种运行状态的平滑过渡和转换。
孤岛运行是指当检测到电网故障或是电能质量不满足要求时，微
电网可以与主网断开形成孤岛模式，由DGS向微电网内的负荷供电。
正由于微电网的孤网运行，才为系统提供了更高的可靠性和供电的不
可间断性。
通过PSCAD/EMDTD或是Matlab/Power Simulik等软件建立起微
电网的动态模型，针对电磁暂态特性以及主动（intentional）与被动
（unintentional）隔离情况下的孤网运行状况进行可行性研究，结果
表明基于电力电子接口的分布式发电系统以及储能元件可以确保微
电网运行模式转化的平滑性，减少孤网运行时暂态影响并保证功角稳
定性和电压质量。
（2） 微网及智能配用电系统的控制
微电网相对主网可作为一个模块化的可控单元，对内部可以提供
满足负荷用户需求的电能，实现这些功能必须具有良好的微电网控制
和管理，主要控制设备有分布式发电系统控制器，可控负荷管理器，
中央能量管理系统，继电保护装置。 微电网在运行控制应该做到能
够基于本地信息对电网中的事件做出快速独立的响应，当网内电压跌
落、故障、停电等，微型分布式发电系统应该利用本地信息自动有效
地转换到独立运行方式，不再接受传统方式的统一调度。
一般来说，微电网控制的主要目标是：
1）调节微电网内的馈线潮流，对无功和有功进行独立解耦控制
2）可以调节每个微型电源接口处的电压，保证电压的稳定性
3） 孤网运行时，确保每个微型电源能快速响应分担用户负荷
4） 根据故障情况或是系统需要，平滑自主地实现与主网分离、
并列或是两者的过渡转化运行。
目前，主要的微电网控制方法：
1） 基于电力电子技术的即插即用（Plug and Play）和点对点
（Point to Point）的控制：
该方法根据微电网控制目标，灵活选择与传统发电机相似的下垂
特性曲线（Droop Character）作为微型电源的控制方式，利用频率有
功下垂曲线将系统不平衡的功率动态分配给各机组来承担，保证孤网
下微电网内电力供需平衡和频率的统一，具有简单可靠的特点。但是
目前，该方法还没有考虑到系统电压与频率的恢复问题，即传统发电
机的二次调频问题。因此，当微电网遭受到严重的破坏或是干扰时，
系统很难保证频率质量。另外，该方法是针对电力电子技术的微型分
布式发电系统控制，没有考虑传统发电机如小型燃气轮机或柴油机与
微电网之间的协调控制。
2） 基于功率管理系统的控制：
该方法采用不同的控制模块对有功、无功分别进行控制，较好地
满足了微电网P/Q，V/f等多种控制方式的要求，尤其是在调节功率平
衡时，加入了频率恢复算法，可以很好地满足频率质量的要求。另外，
针对微电网中对无功的不同需求，功率管理系统采用了多种控制方法
并加入无功补偿器，进而提高控制的灵活性并提高了控制性能。但该
方法尚未考虑含有励磁系统和调速系统的常规发电机与含电力电子
接口的分布式发电系统间的协调控制。
3） 基于多代理技术的微电网控制：
该方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微电网控制系统。
代理的自治性、响应能力、自发行为等特点正好满足微电网分散控制
的需要，提供了一个能够嵌入各种控制且无需管理者经常参与的系统。
以典型的AEN（Autonomous Electricity Networks）的三级控制结构为
例，一级保证微电网可靠性运行，从而满足供需平衡，二级结构优化
电能质量并减少电压、频率波动，三级结构经济优化即边际成本等值
优化。但是，目前多代理技术在微电网中的应用多集中于对微电网中
频率、电压等进行控制的层面。要使多代理技术在微电网的控制中发
挥更大的作用，还需大量的工作研究工作。
美国通用电气公司（GE）在美国能源部的资助下建立了微电网
智能配用电系统示范小区。这项工程旨在开发和检验微电网的能量控
制管理系统框架，为微电网更广泛的应用提供统一的控制、保护和能
量管理标准，如图所示。目前这项工程已经进行到了第二阶段。
同时美国也积极对微电网在军事领域中的应用开展研究，在军事基地
内建立能量保证工程（Energy Surety Project），以提高国防工程的供
电可靠性。
图 GE微网智能配用电系统的能量控制管理框架
美国能源部将微电网视为未来电力系统的三大基础技术之一，并
列入美国“Grid 2030—电力下一个百年的国家展望”计划中。该计划于
2003年7月提出，是美国电力改革的纲领性文件，主要对美国未来电
力系统进行展望，并确定各项研究开发工作的阶段性目标。微电网将
是美国未来发展的目标。
未来微网及智能配用电控制系统的研究方向应集中于如下几个
方面：
1） 不同种微型分布式发电系统的运行和控制，包括间歇式和可
控式以及常规模式和基于变流器模式；
2） 微电网在独立运行模式与并网运行模式下，智能型频率、电
压控制策略的可行性研究。
3） 微电网的分散控制方法以及多分散控制器的协调优化算法，
要求每个分布式发电系统根据自己局部的相关信息进行独立的电压
调节和频率控制，并按照特定的目标函数优化多个分散控制器的性能，
使得系统的总体性能得到最优，并满足各种运行环境下对电压和频率
控制的要求。
（3） 微电网的继电保护
微电网的保护与传统保护方式有着根本上的不同：
1） 潮流的双向流通
2） 微电网在并网和孤网运行两种情况下，由于馈线分布着多个
分布式发电系统，短路电流大小有很大不同。
因此，如何在两种运行状态下，对微电网内部故障做出响应以及
在并网情况下快速感知主网的故障，同时保证保护的选择性、快速型、
可靠性与灵敏性，这是微电网保护技术的关键和难点。在孤网情况下，
微电网内分布式电源所能提供的故障电流大小仅为正常电流的两倍
或更小，传统的电流保护装置已不能做出正常响应或是需要几十秒才
能做出反应，这已经无法满足微电网保护的要求，因此需要采用更为
先进的故障诊断方式。目前，针对单相接地故障与线间故障，有专家
提出了对称电流分量检测的保护策略。该方法可以以超过一定阀值的
零序电流分量和负序电流分量作为主保护的启动值，将传统过电流保
护相结合取得良好的效果。对于微电网主动孤网的情况，文献提出了
利用三相电压源变流器进行主动式孤岛检测技术。通过电压源的电流
控制器的d轴，或是q轴对系统注入一个扰动信号，进行检测。通过对
d轴注入信号能调节电压的幅值，但是这种方法会对系统造成频率偏
移。
发电机和负荷类型容量对于保护的深刻影响、各种类型分布式发
电系统（传统小型发电机与基于换流器的微型电源）、储能元件对保
护的影响以及微电网在两种不同运行方式和不同拓扑网架结构下对
于保护的影响等问题均是未来微电网保护策略中值得研究的问题。
（4） 微电网的经济性
微电网的经济性是微电网技术的推广和发展的重要依据。在经济
性运行方面，微电网可以在调度原则、电能交易、资源优化配置方面
参考大电网运行的知识与经验，进行优化设计。更重要的是，微电网
本身具有很多独特的优势比如针对网内不同用户要求，提供不同水平
的电能质量和可靠性服务，向外馈送电能甚至提供黑启动能力等辅助
服务等。从目前的研究来看，微电网技术经济性主要体现在以下三个
方面：
1） 微电网本身的投资及运行的优化
微电网优化可以从微电网的能量管理系统完成。能量管理系统使
用当地信息来满足当地的热、电、冷的需求、电能质量的要求、主网
的特殊要求、需求侧管理要求等，从而决定微电网分布式发电系统的
配置运行以及配网所需提供的电能总量。
2） 微电网经济效益评估和量化
微电网的经济效益评估和量化是微电网投资及运行运化的直接
表现方式和衡量手段。目前，尚未有效方法将微电网对用户、电力部
门以及社会效益全面量化。随着微电网研究的不断深入发展，微电网
经济量化的不确定性将成为重要的研究课题；
3） 微电网新的经济特性
微电网的经济最优化问题和传统电网有着很大的不同，微电网中
的分布式发电单元，电力电子控制设备，储能元件改变了配电网的网
架结构以及潮流特性，致使微电网规划不仅要满足电网规划的要求，
还要考虑到微电网自身的一些新特性。
（5） 高级配电自动化技术
智能配电网系统是智能配用电园区的重要组成部分，它以灵活、
可靠、高效的配电网网架结构和高可靠性、高安全性的通信网络为基
础，支持灵活自适应的故障处理和自愈，可满足高渗透率的分布式电
源和储能元件接入的要求，及用户对电能质量的要求。高级配电自动
化则是实现上述目标的关键性支撑技术。
高级配电自动化包括运行自动化及管理自动化。前者包括配电运
行监视与控制、自动故障隔离与配电网自愈等内容，是本地自动化、
现场设备远程监控与成熟应用分析软件的有效结合；后者包括设备管
理、停电管理等。高级配电自动化需要主要依托于以下两个方面的技
术发展：
1）基于SOA的智能配电网体系架构建设
智能配电网集合了众多先进技术与先进设备。在运行过程中，不
同种类的操作系统、应用软件相互交织，使管理者不得不面临复杂的
操作环境。因此，十分必要建立具有公共属性的编程接口和互操作协
议。SOA凭借其松耦合特性，使电网企业可以按照模块化的方式添加
新服务或更新现有服务，以满足新的业务需要，进而为电网企业构建
智能配电网统一平台提供了更加灵活的方式，从而真正消除了信息孤
岛，实现了信息共享。
2）企业集成总线设计
针对上述复杂的多源信息集成，如果用传统的实现方法，必须开
发多个接口，这样不仅使系统变得十分复杂，而且系统维护也会相当
困难。因此，有必要提出一种全方位解决方案，即企业集成总线
（ESB）。ESB提供给用户集中的信息管理及获取能力，同时也使用户
可以从多数据源获取实时信息，为数据管理和内容发布提供全面的解
决方案，其核心功能包括：
从异构数据源集成多种格式的信息，包括数据库记录、分散的应
用系统、字处理文档等；
集中管理、加工信息，通过单个视图组织信息。使用XML定义
关联信息并发布信息给工作人员或应用程序；
充分利用现有信息基础，包括已有的数据库管理系统、实时数据
库、企业应用系统以及配电自动化系统。
（6） 电动汽车充放电技术
电动汽车作为智能配用电园区中的移动储能单元，一方面在电网
高峰负荷时段由车载电池向电网传输电能，而在电网低谷时段由电网
为电动汽车车载电池进行充电，能够有效降低电网峰谷差，降低传统
调峰备用容量，提高电网利用效率。同时，电动汽车还能完成需求响
应等电网辅助服务，进一步提高电网配电效率。另一方面，电动汽车
还能够有助于配电网吸纳波动性的可再生能源分布式电源的发电容
量。同时，通过低谷时段较低电价充电以及高峰时段较高电价放电获
取直接的经济效益。上述目标的实现需要借助于电动汽车充放电设备
及管理系统的开发与研制。
电动汽车充放电设备及管理系统的主要功能是为电能互动及信
息互动提供实时的信息交换平台，通过监控车辆能量状态、电网运行
状态、电网电价及辅助服务计费信息等，为电能根据电网或者电动汽
车的需要合理优化双向流动提供信息支持。由于电动汽车接入电网的
分散性，由智能电网双向互动服务系统直接与电动汽车通信并控制其
充放电的操作难以直接实现，因此需要在智能电网双向互动服务系统
与电动汽车之间建设电动汽车充放电管理系统作为纽带，实现电动汽
车与电网间的实时信息交换，根据双方需求合理控制电动汽车的充放
电操作。
从硬件角度来看，需要并行研究交流及直流充放电桩。前者主要
用于为智能配用电园区内带有车载充放电机的小型电动乘用车进行
充电服务，后者则主要针对环卫、公交等社会公共服务用车提供服务。
充放电桩需要具有智能充放电控制功能，能够与充放电管理系统及电
动汽车通信，实时掌握电网运行状态与电动汽车的储能状态，智能地
控制电动车的充放电操作。
从软件角度来看，需要开发先进的电动汽车充放电管理系统，一
方面能够通过充放电设备与电动汽车通信；另一方面与智能电网相关
系统通信，综合电动汽车与电网的实时状态，根据双方需求合理控制
电动汽车的充放电操作。该系统可以负责同一停车区域的交流充放电
桩的统一调度管理，也可以负责一个集中充放电站内的直流充放电机
的统一调度管理。
（7） 用电信息采集技术及高级量测体系
“互动性”是智能配用电园区的最大特征，因此用电信息采集及高
级量测系统的建设是实现配用电智能化的关键性技术。用电信息采集
系统是高级量测体系构建的基础，而高级量测体系又是用电信息采集
系统的拓展。两者联系紧密，相辅相成。
用电信息采集系统是指对电力用户的用电信息进行采集、处理和
实时监控的系统，实现用电信息的自动采集、计量异常监测、电能质
量监测、用电分析及管理等功能。用电信息采集系统主要面向电力用
户、电网关口等，实现购电、供电及售电3个环节信息的实时采集、
统计和分析，达到购、供、售电环节实时监控的目的，是智能用电管
理、服务的技术支持系统，为管理信息系统提供及时、完整、准确的
基础用电数据。用电信息采集系统从架构层面看主要包括数据采集、
数据管理、自动抄表管理、费控管理、有序用电管理、异常用电分析、
线/变孙分析、安全防护等功能，覆盖智能电能表、采集终端、主站
软件、安全加密、本地及远程通信等多项核心技术。
高级量测体系（AMI）是用来测量、收集、储存、分析用户用电
信息的完整网络和系统，主要包括智能电能表、通信网络以及量测数
据管理系统等。AMI是在双向计量、双向实时通信、需求响应以及用
户用电信息采集技术的基础上，利用智能电能表等，定时或即时取得
用户的多种量测信息（如电压、电流等），支持用户分布式电源与电
动汽车接入和监控，实现智能电网与电力用户的双向互动。高级量测
体系由智能装置、通信网络和数据管理应用软件及相关系统组成，在
智能电网和电力用户间建立通信网络，集成电网企业和第三方的各种
业务应用。智能电能表和智能交互终端是AMI的基础单元，发挥着不
可或缺的作用，其主要功能如下：
- 分时段双向计量电量、电流、电压、功率及其方向等信息；
- 实现灵活可靠地双向通信，支持与电网企业实时通信，支持智能
电器的接入与控制；
- 实现欠费、功率越限、紧急状态的远方断电等功能；
- 定时或召唤抄表功能，支持用于光伏发电、电动汽车充放电机分
布式电源设备等计量信息的抄收；
- 异常用电事件的记录和报告，包括数据篡改、异动及未授权访问
的预警及上报等；
- 监视控制机优化管理功能，实现用户分布式电源实时监视控制，
电动车用电管理以及微电网优化用电管理等。
第二章 分布式电源的工作原理
双馈风力发电机
（1） 双馈风力发电机的基本原理
双馈异步发电机可以看作是一个具有打开的绕线式转子接有外
加电压源的传统异步发电机，外加电压源通过变频器引入，变频器对
转子回路电流实现频率、幅值和相位的调节，起到励磁电源的作用。
双馈发电机除通过定子向电网馈入功率之外，还通过部分功率变频器
与电网之间交换转差功率，并可以通过变频器的控制对整个双馈电机
的有功功率和无功功率分别进行控制。
双馈异步发电机转子的旋转速度nr、转子外加励磁电源产生的旋
转磁场相对于转子的旋转速度ne与定子同步磁场的旋转速度ns之间
的关系为
（2-1）
当转子转速发生变化时，通过调节转子励磁电流的频率即可保证
发电机定子端输出工频电能，当双馈发电机次同步运行时，转子励磁
电流相序与定子电流相同；当发电机超同步运行时，转子励磁电流相
序则与定子电流相反；当发电机同步运行时，转子进行直流励磁。
采用这种交流励磁变速恒频的双馈异步发电机系统有如下优点：
（1） 允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减
ser nnn
少了调速时的机械应力。同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机
组的运行效率。
（2） 调节励磁电流幅值和相位，可调节发出的有功和无功功率。
应用矢量控制可实现有功和无功功率的独立调节。
正因为以上优点，使得交流励磁双馈发电机成为变速恒频风力发
电领域的主流发电机。
（2） 双馈风力发电机系统的结构
双馈风力发电机如图所示。在双馈风力发电机中，发电机的
定子侧直接与电网侧相连接，转子侧采用三相对称绕组，经过交—直
—交变频器与电网侧相连接，以提供发电机交流励磁，励磁电流的幅
值、相位、频率均可变，其中励磁频率为转差频率。其中交-直-交变
频器为双PWM换流器，可实现四象限运行。电网侧换流器的主要任
务是保证电流波形和功率因数满足要求以及保证直流母线电压的稳
定，转子侧换流器的主要任务是调节有功功率，实现最大风能捕获以
及为转子回路提供励磁，调节定子无功功率。风轮机采用变桨距控制，
当风速小于额定风速时，桨距角为0º，采用最大功率跟踪策略来实现
最大风能的捕捉；当风速增加到大于额定风速时，变桨距装置动作，
桨距角逐渐变大，将发电机的输出功率限制在额定功率附近。但由于
风轮机的转动惯量较大，因此，变桨距装置动作具有一定的时延。
图 双馈风力发电机系统
（3） 双馈风力发电机及控制系统的数学模型
空气动力学模型
由风轮机的空气动力学知识可以得出风轮机的输出功率为
（2-2）
其中， 为空气密度， 为风轮机叶片的半径， 为叶片的
扫略面积， 为风速， 为风能利用系数。 为表征风轮机效率的
重要参数，是风轮机叶尖速比 和桨叶节距角 的函数，可表示为
。根据贝茨理论，风轮机最大的风能利用系数 为。
此外，叶尖速比 即叶片的叶尖线速度与风速之比，可表示为
（2-3）
其中 为叶片旋转的角速度。
对于给定的叶尖速比 和叶片桨距角 ，可用下式计算风能利用
系数：
（2-4）
P
CvR
w
P w
32
2
1
v
w
R
w
ieC
i
p
)
116
(),(
wR
2
wR
v PC PC
( , )PC maxPC
w
其中
由上式根据不同的 、 计算得到的 ，也即变桨距风轮机的
性能曲线如图所示。
图 变桨距风轮机性能曲线
由图可以知道，当桨距角 为恒定值时， 的大小与 有关，
且仅有一个使 最大的叶尖速比 ，称之为最佳叶尖速比 ，此时
的角速度 为最佳转速 。因此当 恒定时，可用任一条 曲
线描述定桨距风轮机的运行特性。
在某一固定的风速下，随着风轮机转速的变化，叶片旋转的角速
度发生大变化， 也会相应地变化，从而使风轮机的输出机械功率
发生变化。由式（2-2）和（2-3），可以得到风轮机输出功率和风轮机
角速度之间的表达式如下。
（2-5）
0 2 4 6 8 10 12 14 16
o0
o5
o10
o15o25
pC
333)(2
2
1
w
k
wP
Cw
R
R
w
P w
1
1
1
3
i
PC
PC
PC opt
w opt )(PC
PC
其中
要想使风轮机保持最大的功率转换效率，必须保证叶尖速比始终
为最佳叶尖速比，因此 将随着风速的变化而变化。将不同风速时
的最大功率点连接起来，即可得到风轮机的最佳功率曲线 ，其功
率表达式为
（2-6）
桨距角控制模型
桨距控制系统通过控制风轮机桨叶角度改变桨叶相对于风速的
攻角，从而改变风轮机从风中捕获的风能。变桨距控制在不同的情况
下采用不同的策略：
（a） 当风速低于额定风速时，变桨距角控制用于风电机组功率
的寻优，目的是在给定风速下使风电机组发出尽可能多的电能。对于
变速风电机组，其功率寻优可以通过风电机组的变速来实现，因此当
风速低于额定风速时，桨距角 通常保持在0º附近，由图可以看出，
当 为0时 最大。
（b） 当风速超过额定风速时，变桨距装置动作，桨距角增大，
将风轮机的机械功率限制在额定功率附近，同时能够保护风电机组机
械结构不会过载及避免风电机组机械损坏的危险。
双馈机的变桨距控制模型采用所使用的电力系统仿真软件
PSACD中的风轮机控制模型，其传递函数如图所示。
33
max
3)(2
2
1
wopt
k
wp
C
opt
w
R
R
opt
P w
P
Cw
R
Rk w
3)(2
2
1
w
optP
PC
图 变桨距控制的传递函数
其中， 为电机机械角速度，当发电机类型是异步机时，不需
要考虑此变量。 为速度参考值， 为功率参考值（）， 为
以电机容量为基准的输出功率标幺值， 为增益， 、 分别为
比例增益和积分增益， 为增益乘数， 为叶片控制器增益积分。
此外，MOD2适用于水平轴旋转的3叶片风轮，而MOD5适用于水平轴
旋转的2叶片风轮。
输入信号为风电机组发出有功功率的测量值，与最大功率参考值
相比较后得出误差信号，输入PI控制器，产生桨距角参考值 ，再
与实际的桨距角比较，桨距角误差信号输入到桨距角控制系统的伺服
机构。
双馈风力发电机的动态数学模型
为简化分析和应用于矢量控制变化，通过坐标变换的方法对双馈
发电机的数学模型进行简化。其坐标变换如图所示。
mW
refW refP gP
sK pK 1K
MG 4K
REF
（a）三相静止坐标系到两相静止坐标系 （b）两相静止坐标系到两相旋转坐标系
图 坐标变换
在同步旋转 坐标系下，双馈异步发电机的方程如下所示。
电压方程：
（2-7）
其中下标为 的表示定子量，下标为 的表示转子量， 表示同
步角速度。
磁链方程：
（2-8）
其中 ， 为定、转子间互感峰值。
转矩方程：
rqrrdsrqrq
rdrrqsrdrd
sqssdssqsq
sdssqssdsd
iRspu
iRspu
iRpu
iRpu
sqmrqrrq
sdmrdrrd
rqmsqssq
rdmsdssd
iLiL
iLiL
iLiL
iLiL
dq
s r s
3
2m aA
L L
aAL
（2-9）
转子运动方程：
（2-10）
其中 表示双馈发电机的惯性时间常数， 表示阻尼系数。
通过以上9个方程的联立求解可精确描述双馈发电机的全部动态
行为。
双馈风力发电机的矢量控制策略：
由于双馈机的定子接在频率恒定的大电网上，定子电阻比电抗小
的多，定子电阻上的压降远远小于定子的端电压，通常可以忽略定子
绕组电阻。在同步旋转坐标系下，忽略定子绕组电阻后，发电机的定
子磁链与定子端电压矢量之间的相位差正好是90º。若以定子磁链定
向，取定子磁链矢量方向为同步坐标系 轴，则定子电压矢量将落在
超前 轴90º的 轴上，这样可以进一步简化双馈机的数学模型，从而
得到矢量控制所需的控制方程。
（2-14）
式（2-14）构成了双馈异步发电机转子侧换流器矢量控制的数学
模型。由上式可见，当定子磁链或定子电压保持恒定时，定子有功功
率与转子电流的转矩分量irq成正比，而定子无功功率则完全由转子电
流的励磁分量ird决定。转子换流器矢量控制实现了定子有功功率和无
功功率控制的解耦，或者说实现了电磁转矩与转子励磁控制的解耦，
)(
2
3
sqsdsdsqe iiT
rJ DTeTmdt
ds
T
rdms
s
s
sdsqS
rq
s
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ssqsqS
iL
L
u
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i
L
L
uiuP
2
3
2
3
2
3
2
3
JT D
d
d q
这就是转子变流器矢量控制的目的。控制量为转子电流时矢量控制结
构如图所示。
图 转子侧换流器矢量控制结构图
一般控制策略中，为实现双馈发电机组的单位功率因数控制，设
定定子侧无功功率的参考值为0。在最大风能跟踪策略实现中，将发
电机转速和参考转速ωr_ref的偏差通过PI控制得到转子电流的转矩分
量，其中ωr_ref是根据风速与机组运行情况确定的对应最大捕获风能
的转速。
电网侧换流器的控制采用基于电网电压定向的矢量控制方案，此
矢量控制方案用于电网与电网侧换流器之间传输的有功功率和无功
功率的解耦控制。图即为网侧换流器的结构图。
图 网侧换流器电路结构示意图
网侧换流器的矢量控制结构如图所示。
网侧换流器矢量控制用于维持直流母线电压在一个恒定值，而与
转子功率的方向与大小无关，并根据整个风电机组对无功功率的要求
对 参考值进行控制。一般控制策略中，为充分利用变频器的控制能
力并发尽可能多的有功功率，通常设定电网与网侧换流器之间没有无
功功率的交换，即网侧换流器保持单位功率因数运行。
图 网侧换流器矢量控制结构
qi1
燃气轮机
（1） 微型燃气轮机发电技术
先进微型燃气轮机（Micro turbine Generator）是一种新发展起来
的小型热力发动机，由燃气轮机、压气机、燃烧室、回热器、发电机
及电力控制部分组成，以天然气、甲烷、汽油、柴油等为燃料。其基
本结构特点是采用径流式叶轮机械向心式涡轮机和离心式压气机，在
转子上两者叶轮为背靠背结构，采用高效板式回热器，采用空气轴承
不需要润滑油系统，结构更加简单，燃气轮机和发电机一体设计，使
整台燃气轮机发电机组的尺寸显著减小，重量减轻，优点显著。
微型燃气轮机主要包括以下四个部分：
1）微型燃气轮机：这种非常小的高速燃气轮机是采用了简单的
径向设计原理和循环回热技术，更加简单可靠，维修成本更低，振动
更小，排放更低，结构更紧凑。它的主要组成部分为单级径向压缩机、
低排放环型燃烧器、单级径向透平、压比和空气轴承或双润滑油系统
轴承。
2）高速交流发电机：高速发电机和微型透平燃机处于同一根轴
上，由于它非常小可以装进燃机机械装置中，从而组成一个结构紧凑
的高转速的透平交流发电机组。
3）高效回流换热器：高效低成本耐用的热交换器用来增加燃气
轮机的效率，使其达到可以和往复发电机组系统竞争的程度，其功能
是先预热燃烧室需使用的空气，减少燃料消耗。
4）电力变换控制器：发电机输出的高频频率为电能，必须转换
成或交流电能。由微型处理机控制的电力电子变换装置可进行输出频
率和电压的转换，以便提供不同质量和特性的电能。电力电子变换装
置可根据负荷的变化调节转速，也可根据外部电网负荷变化运行，或
可做为独立电源系统运行微型控制器还可以进行远程管理、控制和监
测。由于微型燃气轮机有以上显著特点，微型燃气轮机的应用很广，
可用于分布式发电及冷热电联供系统和微型燃气轮机—燃料电池联
合系统等。因而，先进微型燃气轮机技术的得到了国内外的普遍重视。
（2） 微型燃气轮机发电系统的工作原理和数学模型
高速单轴结构微型燃气轮机是微型燃气轮机的主流产品，是目前
最为常用的小型热电联产的动力机组。当微电网中采用单轴高速结构
的微型燃气轮机时，机组运行状态、控制方法等因素对其动态特性产
生一定的影响，即可以按照给定的有功和无功进行控制，又可以方便
地实现V/f控制保证微电网孤网运行时频率和电压的稳定性。本章将
对高速单轴结构的微型燃气轮机发电系统的工作原理、数学模型、各
种运行特点以及控制策略进行了详细的分析。
单轴结构微型燃气轮机发电系统具有系统效率高，结构紧凑，可
靠性高的特点。典型的单轴MT的系统结构如图所示。系统包括微
型燃气轮机、永磁同步发电机、电力电子转换装置、供热和制冷机组。
燃料控制系统将燃气输送至燃烧室，并与压缩机送至的高压气体充分
燃烧，形成驱动压缩机和发电机的高品质燃气。通常燃气涡轮旋转速
度高达50000转/分钟~120000转/分钟，需要采用高能永磁材料（如钕
铁硼材料或钐钴材料）的永磁同步发电机，其产生的高频交流电通过
电力电子变流装置转化为工频交流电输送到配网中供用户使用。微型
燃气轮机系统中发电部分排出的高温尾气可以用来预热进入燃烧室
的压缩空气，从而减少燃烧过程中的燃料消耗，提高系统能源的综合
利用效率。回热器排出的尾气可以通过溴化锂制冷机或热交换器满足
冷、热负荷的需求。
图 微型燃气轮机发电系统
微型燃气轮机采用径流式叶轮机械或空气轴承，结构简单、机组
尺寸小，可产生大量品质极佳的余热烟气，其温度在500℃左右，利
用价值较高，是目前微型分布式发电系统特别是小型冷热电联供系统
的主要动力设备。
目前，微型燃气轮机系统主要有两种结构类型，一种为单轴
（single-shaft）结构，另一种为分轴（split-shaft）结构。单轴结构微
型燃气轮机中燃气涡轮与发电机同轴，因此发电机转速很高，需采用
电力电子器件进行整流逆变；分轴结构微型燃气轮机动力涡轮与燃气
涡轮采用不同转轴，通过变速齿轮与发电机相连，由于降低了发电机
转速，因此可以直接并网运行。
压缩机 透平
回热器
燃烧室
余热回收系统
空气
燃料预热空气
排气
废热
热能 用户
永磁同步
发电机
整流器 逆变器
DC
燃料控制
w
微网
LC滤波器
acI
控制环
acVdcV
配电网
负荷
控制环
三相交流电
50Hz 380V
dcI
本课题以Rowen所提出的单轴单循环重负荷的燃气轮机为基本
模型，从图中可以看出该单轴MT模型主要由温度控制系统、速度
控制系统、加速度控制以及燃料供给系统组成。该模型已接近完善，
本文将采用该模型来表示单轴高速微型径向透平发电机的模型，需要
指出的是此模型是基于以下条件建立：
1）本模型适用于暂态、稳态运行条件下，忽略微型燃气轮机快
速的动态变化，比如启动，停机，内部故障等过程）
2）考虑到微型燃气轮机的机电特性是本文研究的主要内容。而
能量回收器仅用于提高热电效率而对整体模型的动态响应时间没有
很大的影响，所以不考虑对其进行建模。
另外，除温度控制采用有名值，微型燃气轮机的模型及其它控制
模块均采用是标幺值。
图 微型燃气轮机动态仿真模型
1）转速与加速度控制系统：
速度控制
燃料供给和燃烧室
加速度控制
温度控制
参考转速
D +
F
+ G
1 + sT
I
P
Min
C
D
E
D-
F
+ G
1 + sT
* *
D +
F
+
G
1 + sT
G
1 + sT e
-sT
D+
F
-
1
sTD-
F
+
a
1
sT
G1 + sT11 + sT2
sT
数字给定点
排气温度函数
950-700*(1-Wf)+550*(1-w)
转矩函数
*()+*(1-w)
D +
F
-
(+1)/450s
25/(+1)
100/s s
1/(+1) 1/(+1)
1/(+1) (12s+1)/(15s+1)
1/
e-sT
G
1 + sT
1/(+1)
负荷转矩
加速度控制按照转速调整变化率调整燃料基准，以减少燃气轮机
高温燃气通道零件的热冲击。将转速的变化率与给定的转速加速度基
准相比较，如果转速变化率大于给定值，则降低加速度控制值，反之
增加加速度控制值。即加速度控制系统的功能是限制转速的变化率过
大，在燃气轮机甩负荷以及启动过程中，加速度控制系统都将参与控
制。
微型燃气轮机的转速控制系统分为有差和无差两种方式。这两种
方式分别为了适应不同的负荷特性而设计的。在微电网孤网运行的情
况下，微型燃气轮机并入微电网时，控制系统应采用有差调节方式，
以便满足跟踪负荷变化的需要，保证微电网频率和电压的稳定性。
有差调节系统是1个比例调节器，在部分负荷的情况下，微型燃
气轮机主要速度控制方式为斜率控制即有差调节，是以转子速度与预
先设定参考值间的差值作为输入信号，以速度偏差比例值作为输出信
号。在实际的设备中，由于存在一些时间常数，因此调节器实际是一
个比例—惯性环节，如图所示：
图 速度控制模型
在实际的并网运行中，转速控制系统是调节燃气轮机输出功率的
最基本的方式。通过调整转速基准（图），调整转速基准与实际
转速之间的偏差，从而改变输出燃料基准值，进而达到调整负荷的目
速度控制
速度基准.
实际转速
+
-
至小值选择器K(T1 s+1)
T2 s+Z
的。
另外，加速度控制系统是为了限制高速运行的微型燃气轮机在某
些特殊情况下，如启动环节或突然甩负荷时，转子的角加速度不超过
其给定值，减少热部件的热冲击时起作用，以保证机组的安全。
2）温度控制系统
燃气轮机的透平叶轮和叶片在高温、高速下工作，材料的强度随
着温度的上升显著下降，必须使透平进气温度限制在一定范围内。从
各国燃气轮机运行的事故来看，有很多是由于超温引起的，所以温度
控制是燃气轮机调节的主要特点之一。
温度控制是通过控制燃料流量来反映燃气轮机透平进口温度，由
于温度的变化剧烈，透平进口燃气温度难于测量与控制。但燃气轮机
的排气温度则相对来说测量比较容易，并且与透平进口燃气温度成比
例，所以一般应用燃气轮机的排气温度来间接反映透平进口燃气温度。
由于透平排气温度较低、温度场均匀，一般在透平出口布置一定数量
的热电偶，取平均值测得透平排气温度，通过透平排气温度来控制透
平进气温度。
温度控制的主要功能是：
1）在燃气温度超过允许值时，发出信号去减少燃料量，使燃气
温度不超过允许值。
2）在启动时把温度限制在一定温度以下，暖机结束时以一定的
温度改变量升温。
3）在尖峰运行或超载运行时可以提高温度的限制值。
4）和超温保护一起，在各通道所测温度值的差额超过某一定值
时发出警报。
温度控制系统的主要作用是限制透平进口温度，使之保持在一定
的温度之下，以免对透平的进口叶片产生损害。由于进口温度Tin过
高，测量难度大，因此选用排气温度Tx进行测量，因此，温度控制系
统并不是直接对Tin进行控制，而是对Tx进行控制，从而实现对Tin进
行调节。如图所示，温度调节系统是一个比例积分调节器（PI）。
输入信号是热电偶测量到的排气温度信号Tx，然后与额定的排气温度
Tref进行比较，输出温度控制信号到小值选择器。只要Tx和Tref之间
存在偏差，温度控制器就会不断地积分，使燃料基准值降低，直到Tx
低于Tref为止。在正常运行时，微型燃气轮机也是通过改变燃料量来
控制透平入口温度不超过其最大设计值Tmax。
图 温度控制模型
5）燃烧供给系统和燃烧室
由上面的转速控制系统，温度控制系统，以及加速度控制系统均
产生一个燃料基准，这三个燃料基准命令经过最小值选择器进行选择
后，最小的燃料基准命令进入燃料供给系统。由于燃料泵的转速、燃
料压力均与转自转速成正比关系，所以限幅后的值乘以实际转子转速，
就得到实际燃料量信号。
-
+
温度基准
I
P
至小值选择器
T2s+1
1
热电偶
温度控制
T1s+1
T4s+1
与汽轮机不同，微型燃气轮机需要较大比例的燃料流量来维持自
持、空载工况下的正常运行，这里取K6=。另外，微型燃气轮机
是通过改变燃料量来控制转速的，通过速比阀，燃料控制阀的串联控
制，达到准确控制燃料质量流量的目的。对于燃料量来说，燃烧室只
是一个延迟环节，如图所示：
图 燃料控制模型
6）压缩机—透平系统
压缩机—透平机是微型燃气轮机的重要组成，本质是线性非动态
系统（转子时间常数除外）。
图 压缩机—透平机控制模型
如图所示，单轴燃气轮机的转矩和排气温度是与燃料流量，
* * +
+小值选择器信号
实际转速
sTeK3
vK
Tv s+c
fK
Tf s+c
6K 速比阀 燃料阀
传输延迟
排气温度函数
950-700*(1-Wf)+550*(1-w)
转矩函数
*()+*(1-w)
燃料
透平转矩
排气温度
实际转速
TDsTe
CRsTe
1
TCDs+c
延迟
传输延迟
滞后
透平机的转速线性相关，其关系表达式分别为：
转矩= KHHV·（）+·（1-N） （Nm）
排 气 温 度 = TR-700· （ 1-Wf ） +550· （ 1-N ） （ ℃ ）
（2-26）
式中，KHHV与燃烧室中气流热焓值或是热力值相关的系数，取
值为，TR是排气温度基准，取值为950℃， 为燃机转速，Wf为燃
料量信号。需要明确的是：转矩方程在100﹪负荷的情况下基本上是
精确的，在其它情况下会存在小于5﹪的误差，排气温度方程相对不
是很精确，但由于温度控制只在温度参考值附近有作用，因此可忽略
其影响。
燃料电池
化学电源俗称电池，是将化学能直接转变为电能的一种能量转换
装置，是通过连续供给燃料能连续获得电力的发电装置。燃料电池的
工作原理与普通电池相同，也有电解质、电极和正负极连接端子等结
构，也是一种将燃料的化学能直接转化为电能的装置。普通电池中，
用来提供化学能的物质在使用一段时间后，需再次充电才能继续使用，
否则需换新；而在燃料电池中只要向电极供给“燃料”和氧化剂，就可
连续不断地将化学能转化为电能。它像一个发电机，一面不断加入燃
料，一面不停发电。燃料电池发电是清洁的发电方式之一。人们把它
称之为继水电、火电和核电之后的第4种持续发电方式。燃料电池发
电由于热效率比其它火力发电方式高、无任何污染、燃料来源广泛等
特点，在未来的几十年中将会得到较大的发展。
（1） 燃料电池工作原理
燃料电池是一种将燃料化学能直接转换为电能的发电设备，其化
学反应物由外部随时供给（燃料和氧化物），可连续输出电能。
燃料电池发电时，电池的电解质（酸、碱、固体氧化物等）将电
极隔开，由电池外部将反应物（燃料、氧化剂）分别供给电池的阳极
和阴极，发生电化学反应（燃料的氧化过程），通过电解质传送带电
离子，产生电位差，引起电子在外电路流动，形成低压直流电，同时
还产生水和二氧化碳。若连续供给燃料，电池就可连续发电。燃料电
池工作原理示于图。
图 燃料电池工作原理图
燃料经电化学反应使化学能转换成电能的过程与电解水产生氢
和氧的反应过程相反。以磷酸型电池为例，其反应式为:
燃料极（阴极） （3-27）
eHH 222
空气级（阳极） （3-28）
综合反应 （3-29）
由上面反应式可看出，其反应与燃烧的反应式相同，只是燃烧时
放出热量。
（2） 燃料电池的优点与缺点
燃料电池的优点有：
1）能量转换效率高
由于燃料电池将燃料的化学能直接转变为电能，因此它没有像通
常的火力发电机组那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，
可避免转换过程中的能量损失，从而达到较高的发电效率。其理论效
率可达90%以上，供电可靠，噪音小，电能质量高，自动化程度高。
容量在250 kW~5MW的燃料电池发电效率与先进火电机组的300~500
MW的效率相当。因此燃料电池是分布式电源的极佳选择。
2）无污染
燃料电池在发电过程中产生的物质是水，采取严格的脱硫和分离
二氧化碳（ ）措施，几乎没有硫氧化合物 和氮氧化合物 排
放，二氧化碳排放量也极低，且没有噪声污染。
3）用水少、占地小、建设周期短
燃料电池本体结构简单、紧凑，是模块化组装，占地很少（如
碳酸盐电池占地仅420 ），且安装、调试、运行、操作都简
便，建设工期短，易于检修，维护和扩建增容方便。
OHeHO 22 222
1
OHOH 222 2
1
2CO xSO xNO
2m
4）燃料多样化
燃料电池所用燃料很广泛，它的燃料主要是氢。除氢之外，凡是
含氢量高又易分解的物质都可使用，如天然气、煤化气、石油、甲醇、
乙醇、甲烷等均可。而氧可直接取自空气。
5）承受负荷变化能力强
燃料电池有极强的适应负荷变化能力，其变化范围在25％到100
％，且电池效率不受影响。
燃料电池的缺点在于造价较高。
（3） 燃料电池发电系统
燃料电池发电装置是综合能量转换装置，反应过程产生的直流电
也可用换流器转换成交流电，产生的热量可回收外供。燃料电池发电
系统由以下几部分组成：l）燃料供给转换装置，即给煤机和煤气发
生器；2）空气供给装置，即空气压缩机和过滤器；3）电池本体，即
电极、电解质和外电路；4）余热回收装置，即余热锅炉。燃料电池
发电系统如图所示。
图 燃料电池发电系统构成
燃料电池可独立运行，也可与燃气轮机、汽轮机联合运行;可建
在负荷中心或用户附近，实行热电联产，也可设在偏远地区或与电网
相连。实行燃料电池、燃气轮机和汽轮机联合发电，可提高燃料利用
率和电厂综合效率（达60%—80%），增加电厂可靠性，降低电能成本。
燃料电池发电系统的输出电压方程式如下：
（3-30）
式中：N——串联燃料电池个数；
——单个电池标准电势；
T——温度；
——相应气体的摩尔浓度,最后一项为由于系统原因的电势损
失。
燃料电池输出的电能为直流,与配电网连接时需要通过逆变器控
制并转化为交流。由图可以得到燃料电池输入电网的有功及无功
功率：
（3-31）
其中X是连接燃料电池与电网的线路阻抗， 是配网侧电压。通
过逆变器控制参量m， 来控制有功无功的输出，这与常规发电机调
节功率的原理类似，因此在潮流计算中燃料电池可以当作PV节点来
处理。但逆变器的无功输出是有上限的，当处理过程中出现无功越限，
则转化为PQ节点来处理。
losses
OH
OH
cell Ex
xx
F
RT
ENU ]ln
2
[ 2
2
0
2
22
0E
x
X
V
X
VmV
Q
X
VmU
P
scells
scell
2
sin
sV
图 燃料电池接入电网等效图
太阳能光伏发电
（1） 概述
从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略
的理想绿色能源。全球能源专家们认定，太阳能将成为本世纪最重要
的能源之一。
太阳能光伏发电有离网和并网两种工作方式，而并网光伏发电技
术是当今世界光伏发电的趋势，是光伏技术步入大规模发电阶段，成
为电力工业组成部分之一的重大技术步骤。并网光伏发电系统一般由
光伏阵列模块、逆变器和控制器三部分组成。逆变器将光伏电池所产
生的电能逆变成正弦电流并入电网中，控制器控制光伏电池最大功率
点跟踪、控制逆变器并网的功率和电流的波形，从而使向电网输送的
功率与光伏阵列模块所发的最大电能功率相平衡。
（2） 光伏电池的工作原理
光伏电池是以半导体P-N结上接受太阳光照产生光生伏特效应为
基础，直接将光能转换成电能的能量转换器。其工作原理是当太阳光
照射到半导体表面，半导体内部N区和P区中原子的价电子受到太阳
光子的冲击，通过光辐射获取到超过禁带宽Eg的能量，脱离共价健的
约束从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平
衡状态的电子一空穴对。这些被光激发的电子和空穴，或自由碰撞，
或在半导体中复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作
用，属于光伏电池能量自动损耗部分。一般希望有更多的光激发载流
子中的少数载流子能运动到P-N结区，通过P-N结对少数载流子的牵
引作用而漂移到对方区域，对外形成与P-N结势垒电场方向相反的光
生电场。一旦接通外电路，即可有电能输出。当把众多这样小的太阳
能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，
便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。图显示当太阳光
子冲击P-N结时，光生电能形成过程。
图 光伏电池受光照形成电能示意图
如上所述，正是由于靠近P-N结的光生少数载流子，在P-N结的
漂移作用下，N区的电子留在N区，空穴流向P区；P区的空穴留在P区，
电子流向N区，构成光生电场。光生电场电压为
（3-32）
其中 、 分别电子和空穴密度， 为光生少数载流子密度，
为玻尔兹曼常数（ ）， 为电子电荷（ ），T
2
ln
i
da
i n
NN
q
T
aN dN in
KJ / 23 q
为绝对温度。
从价带最上层到导带最下层间的能量差为禁带宽度，其幅值用Eg
表示，单位为eV。不同材料的禁带宽度各不相同（ ）。
它决定了物质的导电性能，也是衡量光伏电池的一个重要的物理量。
禁带宽度受材料、温度、半导体掺杂量和P-N结结构影响，其经验公
式如下：
（3-33）
表 各半导体材料的禁带宽度参数
其中 为绝对温度0K时的禁带宽度，常数 如表所示。
太阳光子的入射能量为：
（3-34）
锗
（Ge）
硅
（Si）
镓砷
（GaAs）
硒铟铜
（CIS）
碲化镉
（CdTe）
- -
- -
235 636 204 - -
eVEg ~
T
T
EE gg
2
)0(
)0(gE 和
ch
fh
])[0( eVEg
]/[ KmeV
][K
][250 eVEC g时
其 中 为 普 朗 克 常 数
（ ，f 为入射光子频
率，c为光速（ ， 为波长（80％的太阳辐射波长范围大
约在400nm到1500nm之间）。因此一般太阳光子能带宽度在~
之间。
只有当入射光子能量大于电子脱离P-N共价键束缚的能量时，才
能激发电子从价带到导带。而当光子能量小于电子脱离P-N共价键束
缚的能量是，则不能激出电子一空穴对，只能使光伏电池自身加热。
（3） 太阳能光伏电池的数学模型
当光照恒定时，由于光生电流 不随光伏电池的工作状态而变
化，因此在等效电路中可以看作是一个恒流源。光伏电池的两端接入
负载R后，光生电流流过负载，从而在负载的两端建立起端电压V。
负载端电压反作用于光伏电池的P-N结上，产生一股与光生电流方向
相反的电流 。此外，由于太阳能光伏电池板前后表面的电极以及材
料本身所带有的电阻率，当工作电流流过板子时必然会引起电池板内
部的串联损耗，故引入串联电阻 。串联电阻越大，线路损失越大，
光伏电池输出效率越低。在实际的太阳能光伏电池中，一般串联电阻
都比较小，大都在 欧至几欧之间。另外，由于制造工艺的因素，
光伏电池的边缘和金属电极在制作时可能会产生微小的裂痕、划痕，
从而会形成漏电而导致本来要流过负载的光生电流短路掉，因此引入
一个并联电阻 来等效。相对于串联电阻来说，并联电阻比较大，
一般在1 以上。太阳能光伏电池的等效电路如图所示。
h
),, 191532 JeVseVsJh
)/103 8 smc
phI
dI
sR
310
shR
图 太阳能光伏电池等效电路
由太阳能光伏电池等效电路可得出:
（3-35）
其中
——流过负载的电流；
——与日照强度成正比例的光生电流
——太阳能光伏电池的漏电流
而
（3-36）
上式中，
——反向饱和电流（一般而言，其数量级为 A）;
——电子负荷（ ）
K——玻尔兹曼常数（
T——绝对温度（t+273K）;
A——PN结理想因子；
——光伏电池并联电阻
——光伏电池串联电阻
I
shdph IIII
phI
shI
1
)(
exp0 AKT
IRVq
II sd
0I 410
q
)/ 23 KJ
shR
sR
此外 （3-37）
所以，综合式（3-35）、（3-36）、（3-37）可得：
（3-38）
（4） 太阳能光伏电池的输出特性
太阳能电池由于受外界因素（温度、日照强度等）影响很多，因
此其输出具有明显的非线性，图及图分别给出了太阳能电池
的伏安特性曲线和伏瓦特性曲线。
（a） 常温不同日照 （b）相同日照不同温度
图 太阳能光伏阵列的伏安特性
（a） 常温不同日照 （b）相同日照不同温度
图 太阳能光伏阵列的伏瓦特性
由以上两图可知，温度相同时，随着日照强度的增加，太阳能光
sh
s
sh R
IRV
I
sh
ss
ph R
IRV
AKT
IRVq
III
1
)(
exp0
伏电池的开路电压几乎不变，短路电流有所增加，最大输出功率增加
日照强度相同时，随着温度的升高，太阳能光伏电池的开路电压下降，
短路电流有所增加，最大输出功率增加；日照强度相同时，随着温度
的升高，太阳能光伏电池的开路电压下降，短路电流有所增加，最大
输出功率减小。此外，无论在任何温度和日照强度下，太阳能光伏电
池板总有一个最大功率点，温度（或日照强度）不同，最大功率点位
置也不同。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个
重要的途径就是实时调整光伏阵列模块的工作点，使之始终工作在最
大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪MPPT（Maximum
Power Point Tracking）
储能元件
电力系统储能元件主要有抽水蓄能、压缩空气储能（CAES）、飞
轮储能、超导线圈储能（SMES）、超级电容器储能和铅酸蓄电池储能
（BESS）等。
（1） 储能技术的种类及比较
1）抽水蓄能
抽水储能是世界上最古老的储能方法。它需要高低两个水库，在
电网低谷负荷时，电动机将水抽到上游水库，电能以势能方式储存，
而当电网高峰负荷时，上游水库向下游水库放水带动发电机旋转，势
能转化为电能发电。目前世界上共有抽水蓄能电站近300座，我国目
前已经建成和在建的有15座。抽水蓄能电站关键问题是需要有合适的
高低两个水库，而符合这样地理条件的区域是不多的。此外，抽水蓄
能电站破坏生态环境，建设时间长，投资量大，因此并不适宜在微电
网中应用。
2）压缩空气储能
压缩空气储能方式的工作原理是在电网低谷时利用剩余电力驱
动压缩机将空气储存于储气装置，当用电高峰时，储气装置排出高压
空气与天然气或油等燃料混合燃烧后推动燃气轮机发电。世界上第一
座CAES电站1978年始建于德国，容量为290 MW，目前仍在运行中。
1991年，美国投运了一座CAES电站，容量为110 MW。建造压缩空气
蓄能电站的关键问题是压缩空气的贮存，最好利用现成的地下岩盐洞、
现存矿洞或挖掘成的岩石洞来贮存压缩空气。
3）飞轮储能
飞轮储能将能量储存在高速旋转的飞轮中，所储存的能量和它的
质量、旋转的速度平方成正比。20世纪90年代以来，高强度纤维材料、
高温超导磁悬浮轴承、电力电子技术的快速发展，使飞轮储能技术逐
渐走向成熟。飞轮储能具有能量密度高、工作效率高、循环使用寿命
长、无环境污染的特点。目前，美国飞轮公司已经研制出了电动汽车
用飞轮电池，AFS Trinity Power公司可以提供容量100kW和300 kW的
UPS以及容量750 kW用于运输机车的飞轮系统。
4）超导线圈储能
SMES将能量存储在由流过超导线圈的直流电流产生的磁场中，
储存的能量E=×L×I2，L为超导线圈电感，I为超导线圈中流过的电
流。SMES具有快速的电磁响应特性和很高的储能效率，而且使用寿
命长。目前，在世界范围内有许多SMES工程正在进行或者处在研制
阶段，美国是最早进行超导线圈储能研究开发的国家，美国超导公司
和美国国际磁体通用公司的中小型SMES已经商用化。SMES的应用
有赖于在两个方面取得突破：一是制备低成本、低损耗、机械性能良
好的高温超导线材；二是提高低温系统和制冷系统的长期运行可靠性，
降低其成本和维护运行费用。
5）超级电容器储能
超级电容器利用双电层原理直接储存电能，其容量可达数万法拉，
是介于蓄电池和传统电容器之间的一种新型储能装置。超级电容器储
存的能量E =×C×V2，与容量C和工作电压V的平方成正比。超级电
容器体积小，重量轻，具有动态响应快、功率密度高、循环使用寿命
长、环境友好、工作温度范围宽等优点，是一种非常有前途的储能器
件。超级电容器储能技术实用化的关键问题是降低超级电容器的生产
成本和提高超级电容器的能量密度。
6）铅酸蓄电池储能（BESS）
铅酸蓄电池是最成熟的一种二次电池，是一种通用的低成本的储
能器件，作为辅助电源或者动力电源广泛应用于各种消费电子、
UPS、电力系统、汽车启动、机车牵引、电动汽车等。但是铅酸蓄电
池有很多缺点：循环寿命短、污染环境、充电时间长、受温度影响大、
维护工作量大等等，在各种二次电池技术发展日新月异的条件下，这
些缺点极大地限制了BESS的发展。
7）储能技术综合比较
表是超级电容器与蓄电池、超导储能以及飞轮储能的性能比
较。蓄电池技术成熟、价格低，但其循化寿命低、污染环境，即将被
新型环保的储能元件取代。飞轮储能、超导储能和超级电容器均为优
秀的储能元件，是未来的发展方向，它们具有类似的特性，都可以应
用于微电网中。超导储能、飞轮储能可以用于快速补偿，但其功率密
度比超级电容器低得多，效果要差一些。和其他储能方式相比，超导
储能价格昂贵，除了超导本身的费用外，维持低温所需要的费用也相
当可观。而飞轮储能受到转速及机械强度的限制。
在微电网中，由负荷或者微型电源导致的电能质量问题往往具有
持续时间短、出现频繁的特点。相比较而言，作为短期储能装置，超
级电容器更为理想。虽然目前超级电容器价格依然偏高，但随着价格
的逐渐下降，超级电容器作为一种高效、实用、环保的能量存储装置，
必然会成为理想的选择。
表 各储能系统的性能比较
元件名称 蓄电池 超级电容器 超导储能 飞轮储能
能量密度（Wh/kg） 20～100 1～10 < 1 5～50
功率密度（W/kg） 50～200 7000～18000 1 000 180～1800
循环寿命 103次 >106 次 106次 106次
效率η 80～85% > 95% 90% 90～95%
安全性 高 高 低 不高
维护量 小 很小 大 较大
对环境影响 污染 无污染 无污染 无污染
成本（） 1 8 20 4
（2） 储能在微电网中的应用
储能在微电网中的应用可概括提供短时供电、用于能量缓冲、改
善电能质量、优化微型电源的运行，以及提高微电网的经济效益等方
面。
1）提供短时供电
微电网存在两种典型的运行模式：正常情况下微电网与常规配电
网并网运行，称为并网运行模式；当检测到电网故障或电能质量不满
足要求时，微电网将及时与电网断开从而独立运行，称为孤网运行模
式。微电网往往需要从常规配电网中吸收部分有功功率，因而微电网
在从并网模式向孤网模式转换时，会有功率缺额，安装储能设备有助
于两种模式的平稳过渡。蓄电池、飞轮储能能量密度大，适宜为微电
网提供短时供电。
2）用作能量缓冲装置
由于微电网规模较小，系统惯性不大，网络及负荷经常发生的波
动就显得十分严重，对整个微电网的稳定运行造成影响。我们总是期
望微电网中高效发电机（如燃料电池）始终工作在它的额定容量下。
但是微电网的负荷量并非整日保持不变，相反，它会随着天气变化等
情况发生波动。为了满足峰值负荷供电，必须使用燃油、燃气的调峰
电厂进行高峰负荷调整，由于燃料价格很高，这种方式的运行费用太
昂贵。
有效地解决这个问题，通常使用超级电容器储能，它可以在负荷
低落时储存电源的多余电能，而在负荷高峰时回馈给微电网以调整功
率需求。储能系统作为微电网必要的能量缓冲环节，其作用越来越重
要。它不仅避免了为满足峰值负荷而安装的发电机组，同时充分利用
了负荷低谷时机组的发电，避免了浪费。
超级电容器功率密度大、能量密度高的特性使它成为处理尖峰负
荷的最佳选择，而且采用超级电容器只需存储与尖峰负荷相当的能量。
若采用蓄电池储能，需要存储几倍于尖峰负荷的能量。蓄电池曾经广
泛用作储能单元，但是在微电网中需要频繁地进行充、放电控制，这
样势必会大大缩短蓄电池的使用寿命。
在含有如电梯、提升机、地铁电站等恶性负荷的微电网中，配置
超级电容器储能单元可以减少电力驱动系统对微电网的负面冲击影
响。在负载侧有电动机或传动装置等强负载系统中，当大负载突然起
动时，一般都需要一个很大的瞬间电流，这时，如果电源能量不足，
电源电压将瞬间下降，从而使控制电路产生误操作，如果增大电源容
量，对于平常不需大电流的工作场合来说，这显然是一种浪费。而在
系统中增加大功率超级电容器就可用较小容量的电源驱动较大的负
载。
3）改善微电网的电能质量
人们对电能质量问题日益关注。一方面，微电网作为电网要满足
负荷对供电质量的要求，保证供电频率以及电压幅值变化、波形畸变
率以及年停电次数等在一个很小的范围内；另一方面大电网对微电网
作为整体的并入电网也提出了严格的要求，如负荷功率因数、电流谐
波畸变率和最大功率等都有严格限制。
储能系统对微电网电能质量的提高起到十分重要的作用。通过逆
变器控制单元，可以调节超级电容器储能系统向用户及网络提供的无
功及有功，从而达到提高电能质量的目的。由于超级电容器可快速吸
收、释放大功率电能，非常适宜将其应用到微电网的电能质量调节装
置中，用来解决系统中的一些暂态问题，如针对系统故障引发的瞬时
停电、电压骤升、电压骤降等问题，此时利用超级电容器提供快速功
率缓冲，吸收或补充电能，提供有功功率支撑进行有功或无功补偿，
以稳定、平滑电网电压的波动。
对于风力发电、光伏发电等不可控的微型电源，发电机输出功率
产生的波动会使电能质量下降。该类电源与储能装置的结合是解决诸
如电压跌落、涌流和瞬时供电中断等动态电能质量问题的有效手段之
一。
4）优化微型电源的运行
绿色能源如太阳能、风能，其能量来源本身的特性，决定了这些
发电方式往往具有不均匀性，电能输出容易发生变化。随着风力和太
阳光强度的变化，这些能源产生的电能输出也会发生相应的变化。这
就需要使用一种缓冲器来存储能量。由于这些能源产生的电能输出可
能无法满足微电网峰值电能的需求，因此可以采用储能装置在短时间
内提供所需的峰值电能，直到发电量增大，需求量减少。
适量的储能可以在DG单元不能正常运行的情况下起过渡作用。
如利用太阳能发电的夜间，风力发电在无风的情况下，或者其他类型
的DG单元正处维修期间，这时系统中的储能就能起过渡的作用，其
储能的多少主要取决于负荷需求。
另外，在能源产生的过程是稳定的而需求是不断变化的情况下，
也需要使用储能装置。燃料电池与风能或太阳能不同，只要有燃料，
它就能够持续输出稳定的电能。然而，负荷需求随着时间的变化有很
大不同。如果没有储能装置，燃料电池就要做得很大以满足峰值能量
需求，成本显得过高。通过将过剩的能量存储在储能装置中，就可以
在短时间内通过储能装置提供所需的峰值能量。与燃料电池等高能量
密度的物质相结合，超级电容器能提供快速的能量释放，满足高功率
需求，从而使燃料电池可以仅作为能量源使用。将超级电容器的强大
性能和燃料电池结合起来，可以得到尺寸更小、重量更轻、价格更低
廉的燃料电池系统。
5）提高微电网的经济效益
储能系统的应用，对微电网经济效益的提供有重要意义：
1）大幅增加可再生能源的发电比例，缓解投资新的输电、配电
线路、以及新建发电厂的压力，降低系统成本；
2）提供有效的备用容量，改善电力品质（比发电机有更快的启
动速度），改善系统的可靠度、稳定度；
3）提供有效的负载管理机制，降低尖峰时的供电成本，进而降
低电价，提供经济效益；
4）在电力市场中，储能系统能够大幅避免中断能源交易，以及
预测错误带来的损失，进而提供稳定的电价；
5）不可调度的DG发电单元如太阳能、风能等，受天气等自然因
素的影响比较大，DG单元拥有者不能制订一定的发电规划，但是有
了能量储存，就可以在特定的时间提供所需的电能，而不必考虑此时
DG单元能够发出多少电能，只需按照预先制定的发电规划进行发电。
在电力市场的环境下，微电网与电网并网运行，有了足够的储存电力，
微电网成为可调度的单元，微电网拥有者可以根据不同情况向电力公
司卖电，提供调峰和紧急功率支持等服务，获取最大的经济效益。
（3） 超级电容器储能的原理及数学模型
1）超级电容器储能系统的结构
超级电容器储能系统的基本结构如图所示。超级电容器多为
双电层结构，其活性炭电极和电解质之间是空间分布式结构，可用多
个电容器的串并联描述超级电容器的特性。
在超级电容器组充放电过程中，端电压范围变化大，通常必须采
用DC/DC变换器作为接口电路来调节超级电容器的储能和释能。
DC/AC变换器可采用双向DC/AC逆变器，或者采用AC/DC 整流器及
DC/AC逆变器。超级电容器储能系统并联在微电网中母线或者馈线上。
图 超级电容器储能系统结构示意
超级电容器储能系统利用多组超级电容器将能量以电场能的形
式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，再将存储的能量通过控制单
超级电容器组
双向
DC/DC
变换器
逆变器
接微电网
母线或馈线
+
Uc
-
+
Udc
-
Ic
元释放出来，准确快速补偿系统所需的有功和无功，从而实现电能的
平衡与稳定控制。超级电容器本身的优点使得它在应用于分布式发电
时，在与其它储能方式的互相竞争中胜出。
2）超级电容器在微电网中的运行策略
当并网运行时，微电网内的功率波动由大电网进行平衡，此时储
能处于充电备用状态。当微电网由并网运行切换到孤网运行时，中央
储能立即启动，弥补功率缺额。微电网孤网运行时负荷的波动或者微
型电源的波动则可以由中央储能或者分布式储能平衡。其中，微型电
源的功率波动有两种平衡方式，即将分布式储能和需要储能的微型电
源并联接在某馈线上，或者将储能直接接入该微型电源的直流母线上。
3）超级电容器的控制原理
对超级电容器的控制主要体现在DC/DC变换器、DC/AC变换器的
控制上。近年来，变换器控制技术发展迅速，由最早的开环控制发展
到输出电压瞬时反馈控制，由模拟控制逐渐发展到全数字控制。当前
的数字控制方法有数字PID控制、状态反馈控制、模糊控制以及神经
网络控制等。其中，数字PID控制方法是工程实践中应用最广泛的控
制方法。
双向DC/DC变换器实现直流低压侧超级电容器组与直流高压侧
之间的能量转换。DC/DC变换器的控制目标不能简单设定为维持储能
电容器直流高压侧电压恒定，同时还须满足超级电容器的功率限制，
其控制框图如图所示。
图 DC/DC变换器的控制
DC/AC变换器目前存在多种控制方式。例如采用dq0坐标的稳态
模型，在此基础上设计PI控制器，实现有功功率和无功功率的同时独
立调节；采用基于同步旋转坐标系的前馈补偿闭环控制，能有效地抑
制电压暂降问题；基于模糊-规则的智能控制系统，利用预测的风电
功率，储能装置的效果及交流电压的测量，用来调节、整定功率水平，
实现对微型电源运行的优化。图为采用DC/AC变换器的控制模型。
图 DC/AC变换器的控制
PMW
PI
PI
Chopper
Udc
Udc*
Ic*
Uc
Ic*
Ic
+
-
+
-
分布式电源逆变器控制模型
基于电力电子变换器接入的分布式电源，无论是经AC-DC-AC接
入，还是经DC-DC-AC接入，都需要经过逆变器环节，在以研究逆变
器控制技术也就具有了普遍意义。
微电源在微网并网和孤岛两种运行状态下的控制策略是不同的。
微电源的控制方式与所采用的发电装置的类型有关，通常有三种控制
方式：微网并网状态下的恒功率控制（P/Q控制），微网孤网状态时的
下垂控制（droop控制）以及电压频率控制（V/f控制）。本课题对这三
种控制方式进行了研究，各种控制方法的模型如图所示。
图 P/Q 控制的微电源仿真系统图
图 V/f 控制的微电源仿真系统图
针对于多微网结构，探讨了基于多代理技术的控制方法MAS
（multi－Agent system），建立了基于MAS的高渗透率下微电网控制
体系，如图所示。将MAS技术应用于微电网电压控制实现了Agent
技术与微电网“即插即用”理念的结合。
结合内蒙古863示范小区项目，提出了研究微电网电压/无功优化
控制的方案；对该微电网动态监测、灵活跟踪和协调控制的进行可行
性研究；研究了微网安全经济调度理论，制定含微网的配电系统运行
规程；制定了微网控制装置的研发方案；对含微网的配电系统检测、
控制与保护进行了一体化系统设计。
图 基于多 Agent 的微电网电压控制模型
Ic
c
Vcc
[H]
Va [H]
[H]
Timed
Fault
Logic
FAULTSC
B
A
ABC->G
D D
D D
D
D
0
.6
5
e
+
6
[
u
F
]
2
6
[
u
F
]
2
6
[
u
F
]
2
6
[
u
F
]
Vla
Ia
Vlb
Vlc
Ic
Ib
p1
p2
p3
p4
p5
p6
T2T2T2
T2 T2 T2
CBA
B
R
K
3
C B A
B
R
K
2
C
B
A
BRK1
0
.1
3
[
m
H
]
0
.1
3
[
m
H
]
0
.1
3
[
m
H
]
Vb
Vc
此处可以设置单相
故障、两相故障和
三相故障，观察超
Isa
Isb
Isc
[MW] [MVAR] [MVAR]
BRK4 BRK5
A
B
C
R=0
第三章 智能配用电系统的功能和规划
智能配用电系统的基本概念
智能配用电系统是指综合运用现代信息、通信、计算机、高级量
测自动控制等先进技术，通过用电信息采集、双向互动服务、配电自
动化、电动汽车有序充电、先进的分布式电源运行控制等技术提供多
样化的优质用电服务需求，提高能源终端利用率，满足电动汽车、分
布式电源和分布式储能装置等新能源的接入与推广应用的现代工业
配用电系统或居民的配用电示范园区。
智能配用电系统的基本构成及功能
智能配用电系统的构成较为复杂，通常部署多套自动化系统和设
备。例如：在配电环节，建有配电自动化系统、电能质量监测系统、
智能配电网自愈控制系统及电能质量监测终端、配电监控终端、自愈
控制终端等；在用电环节，建有用电信息采集系统、用能管理系统、
95598 互动系统、电动汽车充电设施监控系统及用电信息采集终端、
智能交互终端、能效管理终端等；另外，智能配用电系统园区通常还
建有楼宇自动化系统和园区监控等系统。但是，从整体上，智能配用
电系统可归纳为主要由智能化配用电统一信息支撑平台系统和相应
的服务对象构成。
智能化配用电统一信息支撑平台系统是整个智能配用电系统的
核心，其主要构成及相应功能如下：
1. 终端设备
终端设备主要包括用电信息采集终端、分布式电源及储能装置、
自助用电服务终端等。用电信息采集终端包括集中器、采集器、配电
监测终端、负荷管理终端等；分布式电源及储能装置、电动汽车充电
站监控装置包括分布式电源监控终端、充放电控制终端、控制与管理
系统等；自助用电服务终端负责与银行主站（公共支付平台）建立连
接，具体与其他系统的接口分别通过银行主站和电网企业缴费主站系
统实现。
2. 通信信道
包括远程信道与本地信道，用于智能配用电系统内各类信号的实
时传输。前者可采用光纤、公网、230MHz 无线专网、电力线载波通
信信道等；后者可采用光纤、电力线载波通信、微功率无线通信信道
等。
3. 用电信息采集系统
用电信息采集系统主要由主站、通信信道、集中器、采集终端、
智能电能表等部分构成。它的主要功能是对用户的用电信息进行实时
采集、处理和监控，并为其他系统提供基础的用电信息服务。
4. 双向互动服务系统
双向互动服务系统通过智能交互终端、95598 互动网站等多种途
径给用户提供灵活、多样的互动服务，为用户提供用电策略、用电辅
助服务等。
5. 电动汽车充电控制系统
通过在智能配用电系统内部署充电桩计量、控制装置及监控软件，
利用系统内的通信网络，实现充电信息采集、监控、统计分析功能，
实现用户充电时段和充电容量管理与控制，达到电动汽车有序充电的
目的。
6. 分布式电源管理系统
通过在系统内安装光伏发电、地热发电、风力发电、储能装置等
分布式电源，部署控制装置及监控软件，实现分布式电源双向计量，
用户侧分布式电源运行状态监测与并网控制；综合能源需求、电价、
燃料消耗、电能质量要求等，结合储能装置，实现园区内分布式电源
就地消纳与优化协调控制，分布式电源参与电网错峰。
7. 配电自动化及自愈控制系统
通过部署高级配电自动化设备及装置，利用园区内光纤通信网络，
实现园区供用电运行状况安全监控、电能质量实时监控。研制、部署
园区配电线路及设备故障智能检测与隔离设备，并对故障迅速响应，
实现自愈供电。依托配电 SCADA 主站系统，实现供电设备状况远程
监视与控制；支持与园区管理中心主站的信息集成，提高故障响应及
处理速度。
智能配用电园区具体构成见图 所示。
图 典型智能配用电园区的整体构成
智能配用电系统的集成规划
不同于传统配电网，智能配用电系统是一个交叉整合了多种技术
及其应用的复杂系统。面对分布式电源、分布式储能装置、电动汽车
的规模化接入以及用户需求侧响应等边界条件，配用电系统的功能和
业务在深层次上交叉整合。因此，为实现上述目标，智能配用电系统
规划的最主要工作即是需要立足于各项独立技术的合理集成。
智能配用电系统技术集成的总体思路按照分层集成的原则，可将
众多系统和设备的集成分为设备与设备集成、设备与系统集成及系统
与系统集成。设备与设备集成主要分为配电侧的设备与设备集成和用
电侧的设备与设备集成。目标是通过功能模块的融合完成多种采集控
制设备的综合集成，实现数据的一体化采集，降低一、二次设备的建
设投资。设备与系统的集成分为配电侧设备与系统的集成和用电侧设
备与系统的集成。目标是通过标准化建模、接日互操作等实现设备与
系统的互联，减少设备与系统交互过程中的转换环节，实现扁平化交
互，提高设备与系统之间的交互效率。系统与系统的集成目标是通过
智能配用电统一信息支撑平台，采用松耦合或紧耦合的方式实现配电
侧系统、用电侧系统及园区楼宇自动化系统、社区监控系统数据信息
之间的互联、互通，支撑园区综合能量管理系统等的开发。
智能配用电系统技术集成研究和实施中需要充分考虑已有业务
系统的现状及末来业务系统的建设部署，应采用标准统一的数据信息
模型，提供标准化、开放性接口。因此，具体的集成方法应遵循相对
标准、开放的原则，实现设备与设备、设备与系统、系统与系统 3 个
层面的高效集成。
（1）设备与设备的集成
智能配用电系统配电侧设备与设备的集成方法同用电侧设备与
设备的集成方法基本相同。根据设备与设备之间集成程度，设备与设
备的集成规划方法大致可分为 3 种，如图 所示。
图 设备与设备集成规划方法
集成方法 l：智能配电终端与配电一次设备的外部集成。集成的要点
是首先实现配电侧原有多个二次终端功能的融合，即将原有配电监测
终端、无功补偿装置、谐波监测终端等的功能在统一的硬件平台上实
现，形成整合多种功能的智能配电终端，再与配电一次设备连接。这
种集成方法可以减少配电侧监控终端的配置数量，简化了原有配电一
次设备与多个二次终端之间的连接电缆，易于实现数据信息的一体化
建模和统一采集。
集成方法 1 在实现智能配电终端集成原有多个终端的功能中，需
要关注的是智能配电终端的互操作问题及配电一次设备和智能配电
终端的口 1 靠连接问题。对于互操作问题，可基于 IEC 61850 等标准
进行建模；对于可靠连接问题，需要在智能配电终端中增加设备连接
诊断功能，实现设备与设备连接故障的辨识。
集成方法 2：智能配电终端与配电一次设备的内嵌式集成。目前在变
电站、开闭所等场合的开关柜上已经有了这种集成方式的雏形，但集
成紧密度还不够，特别是集成后的高级应用功能没有得到深入挖掘。
该集成方法在智能配电终端与配电一次设备的内嵌式集成的基础上，
开发配电一次设备故障诊断功能和设备在线监测功能等。
集成方法 2 减少了配电一次设备与智能配电终端的连线信号、控
制电缆，适用于不便长距离传输的弱电压信号的采集。
集成方式 3：基于智能传感器、智能组件的深度集成，即通过各类先
进的光纤传感器、无线传感器等智能传感器实现采集信息与控制信息
的无电缆传输，并通过智能组件实现采集数据的分析、决策和控制。
集成方式 3 通过采用无线或光纤传感通信的方式实现配电一次
设备内部信号的采集与传输，彻底去掉各类连接电缆，解决电缆触头
氧化、发热、燃烧等不可靠问题。
（2）设备与系统的集成
为了实现配用电智能设备与配用电系统之间的快速接入，需要开
发相应的模型协议转换设备以实现设备与系统的集成。以用户侧工业
用户、智能家居和智能楼宇接入能效管理系统为例，介绍设备与系统
集成方法，如图 所示。
图 用户侧设备与系统集成方法
为了实现非电力标准化设备接入能效管理系统，需要研发相关的
接口协议转换设备，实现设备与系统的有效集成。对此，首先需要制
定能效管理系统与智能家居、工业用户设备和楼宇自动化设备之间的
接口功能规范和通信协议，然后研制相关的接口协议转换设备。其中，
工业用户能效终端是工业用户设备与能效管理系统集成的桥梁；居民
用户能效管理终端是居民智能家居与能效管理系统集成的桥梁；楼宇
建筑能效终端是楼宇自动化设备与能效管理系统集成的桥梁。通过对
非电力标准化设备的高效集成，为能效管理系统高级应用功能的开发
奠定了基础，为用户需求侧响应及有序用电的开展提供了良好条件。
（3）系统与系统的集成
对于系统与系统的集成，以往的集成方法是 2 个系统之间直接点
对点集成，集成过程中只需考虑被集成 2 个系统之间的接口规范和通
信协议。这种集成方法非常适用于系统数量少的场合。
随着电力系统数字化、信息化程度的不断提高，多系统集成的需
求越来越多。对于智能配用电系统，由于存在着配电自动化、用电信
息采集、电能质量监测、能效管理、电动汽车充电设施监控等 70 多
套自动化系统，传统的点对点集成方法由于其集成方案的不可通用性，
已经逐渐被基于信息交互总线或统一信息集成平台等方式取代。目前
系统与系统的集成方法大致分为 3 种，如图 所示。
图 系统与系统集成方法
集成方法 1：对于异构系统，通过系统接口适配器进行数据模型与协
议的转换（目前主要基于 IEC 61968/IEC 61970 标准建模)，然后接入
信息交互总线。信息交互总线是通过在异构系统之间建立映射通道，
实现系统与系统之间的信息数据交换。该集成方法主要适用于配电园
区现已建设、但没有按照统一标准建模和通信的自动化系统。
集成方法 2：对于按照统一标准建模和通信的自动化系统，可直接接
入信息交互总线。此时系统与系统之间数据和信息的交换不再经过系
统接口适配器的转换，交互效率显著提高。该集成方法主要适用于配
电园区未来建设部署并且按照统一标准建模和通信的自动化系统。
集成方法 3：对于将来全新建设的配用电园区，为了提高系统之间的
集成度和降低投资成本，可以考虑基于配用电统一信息平台的集成方
式，在一体化的软硬件平台上实现数据信息的一体化采集，便于开发
出各种交叉的业务功能，例如配用电一体化能效管理、配用电一体化
停电管理、配用电一体化调度等高级应用功能。
第四章 日本分布式电源和智能配用电技术
的发展
日本电力系统除了智能电表外，已经在输配电系统中基本上实现
了自动化。目前进行的电网智能化建设其目的是为了解决分布式可再
生能源的接入问题，特别是光伏发电大规模接入电网时产生的各种问
题，以此提高供电可靠性。同时开放远距离抄表（智能电表）等新技
术，以提高业务效率、提供更多内容的客户服务。目前，通信技术的
运用局限于电表、配电线路等电力设备的控制上，运用智能电网的新
一代都市（神奈川县、京都府等地区）在政府财政补助下，从 2010
年起进行了有关实证试验。
日本发展智能电网是为了在大量使用分布式电源时，保证供给电
力的质量和通过引进新技术来实现生活的舒适度等附加价值为目的。
日本所消费的能源大部分依靠进口。2007 年的能源自给率只有
4%，即使把核电作为本国能源，自给率也只有 18%。因此，一直致
力于加强核电开发来提高能源自给率和实现低碳。随着环境意识的提
高，在发展核电的同时积极引进可再生能源。2002 年公布了 RPS 法
（Renewables Portrfolio Standard 可再生能源的利用比率标准），制定
了目标，按照电力的供给量决定各电力公司必须引进可再生能源的量。
可是，引进大量的可再生能源使得电力剩余、电力系统电压上升、调
频能力不足等一系列问题发生，解决这些问题需要运用 IT 技术来最
有效地控制蓄电池、调整出力等来实现社会成本最低的智能电网。
目前日本的电力统计数据看，输配电线损率低、停电时间短，配
电自动化率达到了 100%。日本的智能电网是以研究和开发新型电源
（可再生能源发电，电力储存设备和插电式混合动力车（Plug-in
Hybrid Vehicle）等），负荷和现有电力系统的协调运用为中心，期待
能在增加收益的同时促进环境的良性发展。此外，近来利用微电网来
管理某一地区的分散型电力系统受到各方面的关注。
有关政策和智能配用电技术
日本风力资源不是很丰富，而光伏机电设备公司相对较多，因此
在可再生能源中，特别侧重于光伏发电。2008 年 7 月，内阁决定的
“低碳社会行动计划”中（见图 ），2020 年的光伏发电目标为 2005
年末（140 万 kW）的 10 倍（1 400 万 kW），2030 年同比为 40 倍。2009
年 4 月，又作为经济对策的一环，将 2020 年末的光伏发电目标提高
到是 2005 年末的 20 倍（2 800 万 kW），一般家庭光伏发电普及到 530
万户。而预测到 2010 年末只有 200 万 kW，从 2005 年开始的 5 a 间
只达到 60 万 kW。要完成上述新目标，必须依靠政府的补贴和固定
价格收购制度等政策上的支援。风力发电开发目标是到 2020 年末为
2005 年末的 5 倍（500 万 kW）。
图4.１ 光伏发电的引进目标
2010 年 6 月政府发布了作为国家能源战略方针的“能源基本计
划”。提出了到 2030 年 12 月为止将现在的能源自给率和化石燃料的
自主开发比率翻一番的目标，可再生能源和智能配电网被作为达成这
一目标的手段之一（见图 ）。
管辖能源政策的经济产业省组织了各种委员会和研讨会，在大量
引进利用可再生能源客户的前提下，以电力系统的对应措施为中心，
构筑“日本型智能电网”，为实现“新一代能源・社会系统”，发表了以
下的构想和技术方案。
（1）新一代输配电网。通过新一代智能输配电系统的实证事业，
进行系统控制技术，光伏发电出力数据的储存、分析、孤岛型微电网
的试点试验等。
（2）热能：未利用能源的有效利用。构筑热电融合的控制系统，
200年末
momo
mo
2020年末
根据实证试验取得的数据进行系统改良，确立最佳的运营技术和方法。
（3）区域能源管理。建立在由实证试验数据基础上的区域能源
管理系統（EMS，Energy Management System），并对其效果进行验证。
（4）智能电表。消费电力量的可视化，与电费价目联动的实证
试验。
（5）蓄电复合系统。通过实证试验，开发可设置在用户蓄电池
和积累实验数据。
（6）智能住宅・智能家电。对应智能化运用的连接设备及数据
的标准化研究。
（7）ZEB（零能耗建筑）。节能法规中强化建筑物的节能标准。
（8）新一代汽车。到 2020 年末，新车销售中约一半为新一代节
能汽车。
（9）国际标准化。设立专门委员会推进国际标准化。
（10）海外展开。和美国合作构筑新墨西哥州能源管理系統（日
美智能电网共同实证试验项目）。
注：EV（Electric Vehicles）：以电力为动力源的汽车
图 智能配电网和智能配电园区的概念
可再生能源的影响及解决方法
光伏发电设备的增加对电力系统带来很多问题。电压上升、频率
调整能力不足、剩余电力发生等。大量的光伏电力连接在配电线末端
产生逆向电流，导致配电系统末端电压升高，其对策是考虑设置 SVR
（ Static Voltage Regulator ）， 可 补 偿 无 功 电 力 （ SVC ， Static Var
Compensator）。SVC 的反映速度快，可有效地对应由光照量变化引起
的瞬间电压变动。这些设备已在部分电力系统中得到运用。
一般情况下，电力公司能确保总需求的 1%～2%作为快速备用调
整能力，不能对应出力变动大、难以预测的可再生能源。系统大量接
入可再生能源时，瞬间变动量增加，导致调整能力不足；作为对应手
段，除了设置备用电源外，抽水发电站和蓄电池等都有建设场地和成
火
力
发
电
厂
核
电
站
水
力
发
电
站
风
力
发
电
场
光
伏
发
电
站
光
伏
发
电
带
蓄
电
池
电
杆
智
能
电
表
蓄
电
池
电
动
汽
车
光
伏
组
件
商
业
楼
住
宅
商
业
设
施
蓄
电
池
控
制
信
息
技
术
控
制
工
厂
变
电
站
输
配
电
网
电
力
流
向
信
息
技
术
控
制
E
V
充
电
设
备
1
）
带
光
伏
／
燃
气
轮
机
／
蓄
电
池
的
楼
宇
本问题，没有根本的解决办法。
在用电需求相对比较少的春季和秋季，作为基础电源的火力发电
出力调整受到限制，光伏设备发电时就会产生剩余电力。只能在用电
需求较少时对光伏发电出力进行控制。目前比较有效的方法是在光伏
设备中植入日历程序，在特定日控制其发电量。
智能电表
政府对于引进智能电表的意义综述为以下几点：
（1）到 2030 年末实现家庭内 CO2 排放减排 50%的目标
（2）掌握能源的供求状况，促进用户对耗能设备的控制，提高
节能行动的意识。
（3）提供用户选择最合理的能源服务环境。
（ 4 ） 引 进 可 再 生 能 源 实 现 零 能 耗 建 筑 物 （ Zero-Energy
Building）。
（5）创出利用消费量等信息情报的新型服务业。
到 2015 年反复进行实证试验和性能分析，在 2020 年的尽早时间
内, 实现原则上全部用户引进智能电表的目标。目前，各电力公司正
在努力尽可能实现政府的这一目标。
对于电力公司来说，智能电表可以改善和提高电力计量的数字化
和机能高度化，加上具有双向通信功能，可改善业务效率、提供用户
多样化的服务等。表 为各电力公司引进智能电表的实证试验现状。
表 各电力公司引进智能电表的实证试验
电力公司 内 容
北海道电力
目的是提高用户服务质量和改善业务效率——引进具
有通信功能的新型数字式电能表，预定从 2011 年开始以
600 户用户为对象进行实证试验
东北电力
目的是获得远距离抄表技术——预定从 2010 年 10 月
开始进行新型数字表的远距离抄表试验
东京电力
目的是检验新型数字式电表的新性能——在 2010 年
10 月以后，预定在东京的一部分区域进行试点，根据
试点结果，考证在全供给区域引进的可能性
中部电力
目的是获得远距离抄表技术——预定 2011 年度开始进
行新型数字表的远距离抄表试验
关西电力
1999 年开始研究，2001 年开始进行新型表的开发研究，
2008 年度开始具有通信功能的新型电表（新计量系统）
的实证试验，2010 年 6 月底约达 43 万户
九州电力
2009 年度开始使用具有通信功能的低压新型数字电表，
2010 年 6 月底约达 万户运用情况的确认，检证后逐
步扩大
新一代能源
为了使民生、运输部门的 CO2 减排成为“可视化”，新一代能源
社会系统的实证试验由产业、居民和地方政府于本年度内共同在横滨
市（神奈川县）、丰田市（爱知县）、关西文化学术研究都市（京都府）
和九州市（福冈县）4 个市实施直到 2014 年（实施时间为 5 年）。实
证试验有普通家庭 5500 户、电力公司和汽车制造商等约 80 家参加，
实证试验费用总额为 1226 亿日元，将由国家和地方政府及企业分摊。
根据 4 个地方政府的基本计划，此次试验的 CO2 减排目标将达到
2005 年排出量的 20%～50%（见图 ）。
注：横滨未来港 21：把横滨市西区和中区之间的跨海地带建设成为符合 21 世纪形象的再开发工程
图 分布式电源和智能电网的试点试验
小结
分布式电源和智能配用电技术已受到各行业的广泛关注，主要的
关注点和研究方向是当大量的分布式光伏发电接入时，配电网怎样维
持目前较高水平的供电能力和电力品质。当然“引进”是在一个可接受、
合理的成本范围内来实现。目前日本电力公司参与的新一代能源社会
系统将要实施，其中心课题的智能电网、智能电表、分布式发电等接
入技术将带来一定的产业方向，其研究结果得到各方面的关注。
关
西
文
化
学
术
都
市
（
总
事
业
费
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5
7
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田
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市
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都
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・
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接
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：
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电
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术
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电
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电
控
制
第五章 中国微电网示范园区的系统设计及
仿真
中国微电网示范园区主要考虑对区内分布式电源的控制、微电网
结构及接入配电网的模式等。
微电网示范园区简介
“呼和浩特市大盛魁文化创意产业园”区域作为示范小区点。“大
盛魁”占地约 万平米，分为大盛魁、古风民苑、大观园等功能区
域，主要建设包括高档会所、长约 700 米餐饮娱乐步行街、四星级酒
店、会议中心、文艺汇演中心、办公楼和其他配套服务设施。“大盛魁”
分布式供能系统将为约 万平方米住宅和 10 万平方米商业建筑提
供所需的全部采暖和生活热水，并供应部分电力。
基于内蒙古供电局提供的明泽雅居居住小区 32 户 2008 年 1 月
~2008 年 12 月、大召久久街商业 12 户商业 2008 年 4 月~2009 年 3 月
用电数据，并结合大盛魁边总准格尔旗薛家湾准能公司的 1、3、7、
11 月每月 3 日用电调研资料，得出整个园区的模拟最高电负荷为 8
月出现的 1820 kW，这是当地气温较高的月份，可能与空调等电器的
使用增大有关。最小电负荷出现在 11 月和 7 月，约为 260 kW。
图 3 月 15 日电负荷（过渡期）
图 8 月 15 日电负荷（夏季空调期）
图 11 月 25 日电负荷（冬季采暖期）
微电网示范园区系统设计
“大盛魁”分布式供能系统的电气一次接线图见图 所示。
0
200
400
600
800
1000
1200
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
小时数
电
负
荷
千
瓦
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
小时数
电
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0
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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
小时数
电
负
荷
千
瓦
图 大胜魁微网示范小区接线图
两台燃气轮机的容量分别为 1900 kW 和 1350 kW。系统接线方式
为单母线结构，10 kV 母线连接燃气轮机和负荷。系统接受配电网一
回 110 kV 进线接入 10 kV 母线。
正常运行时，PCC 点开关为闭合状态，对应以下三种情况：
1）当负荷小于燃气轮机发电机总的发电出力时，PCC 点流过的
负荷方向为：微电网流向配电网。当负荷在燃气轮机总的发电出力以
内变化时，燃气轮机进行调节，满足负荷需求；
2）当负荷大于燃气轮机发电机总的发电出力时，PCC 点流过的
负荷方向为：配电网流向微电网。系统给微电网供电，满足供电需求；
3）当燃气轮机检修时，停相应的机组，打开对应的开关。调整
其它机组出力，对负荷跟发电量情况进行比较分析，做出相应的动作。
微电网示范园区运行仿真分析
微电网在 PCC 点并入内蒙古呼和浩特电网 110kV 母线。2009 年
末，并入内蒙古电网的最高供电负荷为 11698MW。呼和浩特市地区
MG
10 kV 母线
PCC
MG
进线
110/10kV
1900 kW 1350 kW
机组 1 机组 2
负荷
电网有 4 座公用火电厂，总装机容量 2000MW，500kV 变电站 1 座，
220kV 变电站 10 座，变电总容量 2040MVA，2009 年底呼和浩特地
区最大负荷 1414MW。
在内蒙古电网和呼和浩特市地区电网等值的基础上建立了公用
电网系统的仿真模型，大盛魁微电网系统以 10kV 单回电缆接入呼和
浩特市距微电网示范小区最近的变电站友谊 110kV 变电站。该变电
站现有 40MVA 主变 2 台，110kV 出线 2 回，分别来自呼和浩特热电
厂和昭君 220kV 变电站，友谊站 10kV 侧出线间隔可以满足微电网接
入的要求。
（1）微电网由并网运行向孤网运行转换
假设 0～5 秒时，微电网并网运行；5～10 秒时，微电网孤网运
行。并网运行时，有功负荷为 。5 秒时，微电网由并网运行
方式向孤网运行方式转换，5 秒～10 秒时孤网运行。
当系统由并网运行向孤网运行转换时，系统电压变化仿真结果见
图 。由图可见，在微电网由并网向孤网转换的暂态过程中，母线
电压的幅值有短暂的波动，最大 ，最小 ，电压幅值在
允许的范围内（即额定电压的＋7％～－7％）。
图 并网向孤网切换时母线电压
当系统由并网运行向孤网运行转换时，系统频率的变化情况见
图 。由图可见，在微电网由并网向孤网转换的暂态过程中，系统
频率变化很小，在 5 秒时迅速上升到 Hz，然后很快下降并稳定
在 50 Hz。
图 并网向孤网切换时系统频率
（2）电压稳定性仿真分析
电压稳定性是指电力系统各母线电压在正常和受扰动后的动态
过程中被控制在额定电压的允许偏差范围内的能力。
模拟 200kVar 的无功负荷波动，测试微电网在并网以及孤网运行
时电压的变化情况。设定微电网在 ～ 秒并网运行，在 ～
秒，负荷从 300kVar 增长至 500 kVar，并于 ～ 秒从 500kVar 降
至 300kVar。微电网从 5 秒开始孤网运行，在 ～ 秒，负荷从
300kVar 增长至 500kVar，并于 ～ 秒从 500kVar 降至 300kVar。
图 是系统母线电压幅值变化的仿真结果。由图可见，在微电
网并网运行时母线电压的幅值保持基本不变，而在孤网运行时，孤网
的瞬间电压幅值发生比较大的变化，约为 ，在 ～ 秒
时发生较为缓慢的波动，先下降至 ，接着上升至 ，
然后恢复正常。由图可见并网和孤网运行时在无功负荷波动的情况下
频率
t/s ...
...
...
频
率
(
H
z)
微网频率
微电网母线电压幅值在允许的范围内（即额定电压的＋7％～－7％）。
图 变动负荷条件下的电压
（3）频率稳定性仿真分析
对于微电网来说，其规模相对大电网非常小。在并网运行时，微
电网内部的有功功率由大电网平衡，此时有功功率的波动对于大电网
可以忽略不计，因此，微电网在并网时的频率与大电网保持一致。而
在微电网孤网运行时，微电网内部的频率稳定依赖于进行 V/f 控制的
机组对系统有功功率的平衡。
模拟 200 kW 的有功负荷波动，测试微电网在并网以及孤网运行
时频率的变化情况。设定微电网在 ～ 秒并网运行，在 ～
秒，负荷从 kW 增长至 kW，并于 ～ 秒从
kW 降至 kW。微电网从 5 秒开始孤网运行，在 ～
秒，负荷从 kW 增长至 kW，并于 ～ 秒从
kW 降至 kW。
图 显示了系统频率的变化情况。可见，在微电网并网运行时
频率保持不变，而在孤网运行时，孤网的瞬间频率发生冲击性的变化，
最大变化区间为 到 之间，在 ～ 秒时发生较
为缓慢的波动。采用 V/f 控制机组的输出有效地跟踪了负荷的变化，
从而维持了孤网运行时微电网系统的频率远小于允许变化范围（±
）。
图 变动负荷条件下的频率
频率
t/s
频
率
(
H
z)
微网频率
第六章 结 论
本研究报告综述了分布式电源和智能配用电园区的发展现状，分
析了典型分布式电源，如风力发电、太阳能发电、燃气轮机、燃料电
池、储能系统等的工作原理和控制模型，介绍了智能配用电园区的功
能和规划，最后介绍了日本分布式电源和智能配电网的发展及中国微
电网示范园区的规划和运行经验，希望能对 APEC 发展中国家建设分
布式电源和智能配用电园区有所借鉴。
