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电能由于其清洁环保、高效便利的优点，是能源最有效的利用方式之一。为了实现电能更好地生产、传输、分配和应用，需要构建高效的电力系统结构。近年来，电力系统呈现出用电负荷不断增加、输电容量逐渐增大的特点 [1] 。以大容量集中式发电和远距离高电压输电为基础的传统电网结构，其建设成本高、运维难度大、灵活性差等问题日渐凸显。
伴随着电力电子技术的快速发展，以风电、光伏为代表的可再生能源发电技术日渐成熟，然而将这些新型能源接入传统电力系统的过程中，供电稳定性、可靠性、经济性受到了巨大挑战，主要表现为：①源荷不平衡：天气、季节和日夜变化等因素都会影响新型能源的发电量，因此接入新型能源后的电力系统发电功率也会出现波动，造成发电功率与负载功率不匹配，严重时可能造成电网频率及电压波动；②故障后支撑恢复能力变弱，继电保护行为复杂；③能源利用效率较低：长距离输电与储能将造成较大电能损耗。
传统的集中式发电如图1-1a所示，发电侧能源通过集中的输电网和配电网后，将电能输送到用电侧，在这个过程中，电能从发电侧单向地向用电侧流动。由于多采用核能、水力、化石等能源，集中式发电往往有着规模大的优点。分布式发电如图1-1b所示，发电单元往往和用电单元位置比较接近，不再有集中的输电网和配电网，发电单元和用电单元都连接到同一母线上，母线和外部大电网相连。相较于集中式发电，分布式发电结构更适合新能源的利用：①分布式发电具有较强的灵活性，可以根据用电需求进行快速调整；②分布式发电通常位于用电负荷附近，能够减少电力传输损失，提高能源利用效率；此外分布式发电多采用清洁能源，有助于减少温室气体排放，实现节能减排目标；③分布式发电不再需要大功率、远距离的集中输电设备，能有效避免大型基础设施建设及相关投资；④分布式发电系统由多个独立的电源组成，这有助于提高电力系统的可靠性和稳定性。
分布式发电系统中，有着大量的新能源发电单元和负载，但这些新能源发电单元在直接并网时也存在一些缺陷：①新能源发电单元的容量往往较小，独立支撑负载的能力有限；②新能源发电单元有着很强的随机性和不可控性，难以保证供电质量；③为减小新能源发电对大电网的冲击，当大电网发生故障时，新能源发电系统需要脱网退出运行，从一定程度降低了新能源发电的利用率 [2] 。
图1-1 集中式电力系统与分布式系统比较
因此，为适应新能源发电并入电网的需求，提出了微电网这一概念。微电网是一个可控、自治、独立运行的小型电力系统，它可以整合多种分布式能源、储能设备和负荷管理系统，实现自主控制和运行。微电网在正常情况下可以与大电网协同工作；在大电网出现故障时，也可以脱离电网，实现孤岛运行，继续为连接在其内部的负载提供稳定的电力供应。因此，微电网有着以下几个主要特点：
1）多元化的能源组合。微电网可以包含如风电、光伏、地热等各种新能源资源。
2）可靠性。微电网可以通过对局部电网的自主控制为用户供电，降低大电网故障对负载的影响。
3）灵活性。微电网可以根据不同的需求快速优化能源分配，提高系统内电能调度的灵活性。
此外，微电网作为一个小型电力系统，可以实现与大电网灵活的功率交换，实现与电网的优化互动。
由此可以看到，微电网对于分布式发电的发展和应用有着至关重要的意义：首先，微电网接入多样的可再生能源，实现了太阳能、风能等清洁能源的高效利用，降低了对传统化石能源的消耗，推动了清洁能源的普及和发展；其次，微电网通过对局部电网的自主控制和调度，在不同的场景下实现了微电网发电单元的协调工作——一方面优化了能源的使用效率和系统性能，另一方面提高了用电单元的供电可靠性；最后，因为微电网既可以与大电网协同工作，也可以脱离电网单独运行，因此针对那些地理位置偏远、难以接入大电网的区域，微电网可以发挥独特的作用：利用当地丰富的可再生能源资源，如太阳能、风能等，微电网可以为这些区域提供稳定、可靠的能源供应，改善居民的生活质量。
微电网作为新型电力系统的重要组成部分，它同样具备完整的发电和配电功能。可谓麻雀虽小，五脏俱全，典型微电网的组成可以分为以下几个部分：
1）电源：电源最重要的功能是为微电网内的负荷供电，电源的容量大小是考虑的首要因素；常见的微电网电源包括：分布式光伏电池、分布式风能发电机组、潮汐发电机组、波浪发电机组、微型涡轮机组、小型水电机组、燃料电池和地热发电机组等。
2）储能：储能系统主要负责将电源产生的多余的电能储存起来，有助于微电网内部实现电力供需平衡，从而维持电压和频率的稳定；微电网系统中常见的储能设备有：抽水蓄能、电池储能、超级电容以及飞轮储能等。
3）用电设备：微电网中的用电设备通常指的是各级负荷，它们决定了用电负荷的大小以及在微电网中的位置分布，因此也会影响发电装机总容量以及对储能设备的要求。
4）对外连接：微电网的对外连接一般是指各种连接线路以及端口变流器。正常情况下微电网会与大电网相连，从而更好地实现系统间的电能传输以及维持系统的稳定。同时各个微电网之间也会加以互连。
5）能量管理系统：微电网的能量管理系统主要用于确保微电网安全、可靠、高效地运行，是微电网的关键技术。主要包括以下几个方面：①对接入微电网的分布式能源和储能进行监控、管理和控制；②根据微电网内各种分布式能源、储能设备和用户需求之间的关系，实现能源的合理调度和优化配置；③通过对负荷需求的预测，确保微电网供电稳定，同时合理应对负荷波动，降低能源浪费；④确保微电网在正常、故障等不同状态下的安全运行，包括故障检测、隔离、恢复等功能；⑤实现微电网内部与外部的有效信息交互。
按照微电网中母线电压类型来划分，微电网可分为三种基本形式 [3] ：交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网，每种微电网各具特点。
如图1-2所示，不同电压类型的分布式电源、储能装置、负荷等均通过电力电子装置连接至交流母线，其中直流设备通过DC-DC变流器和DC-AC变流器并入微电网母线，交流设备通过AC-AC变流器并入微电网母线。目前，交流微电网是微电网的常见形式。
图1-2 交流微电网结构
随着光伏、电池储能等直流源的广泛利用，如图1-3所示的直流微电网开始受到关注。和交流微电网相似，分布式电源、储能装置、交直流负荷通过电力电子装置连接至直流母线。但因为直流微电网的母线为直流电压，直流源可以仅通过DC-DC变流器连接到母线。因此，在有着大量直流源的情况下，直流微电网与交流微电网相比有着更加简单的结构。此外，直流微电网中只需要控制直流母线的电压幅值，相对于交流微电网母线的电压幅值和频率，直流微电网的母线控制更加简单。
如图1-4所示，交直流混合微电网既有交流母线又有直流母线，因此既可以直接向交流负荷供电又可以直接向直流负荷供电。两种母线还可以通过电力电子交直流变换装置连接起来，实现功率的双向流动。
图1-3 直流微电网结构
图1-4 交直流混合型微电网结构
与单一电压母线的微电网相比，交直流混合微电网结合了交流微电网与直流微电网的特点，直流与交流母线的同时存在，可以在交直流负载接入时有效地减少AC-DC或DC-AC变流装置数量，从而降低了系统成本，并提高了效率。
但交直流混合微电网也引入了一些问题有待解决：
1）交流母线和直流母线之间的协调。为保证交直流混合微电网正常工作，需要确保交流母线和直流母线能够稳定可靠地工作。因为交流母线和直流母线实现了连接，如何实现交流母线和直流母线之间的功率协调控制，成了交直流混合微电网的一个重要课题。
2）交直流微电网接口变流器的设计和控制。作为交流母线和直流母线的连接环节，接口变流器对微电网的正常运行有着至关重要的作用。交流母线和直流母线的功率流动完全通过接口变流器实现，因此接口变流器的容量及电压等级等是接口变流器设计的关键。此外接口变流器的控制直接影响了交流母线和直流母线之间的协调，故如何控制接口变流器也是一个重要研究内容。
为了充分利用分布式电源的优势，并缓和大电网与分布式电源之间的冲突，微电网应运而生。近年来，随着技术水平的提高以及环境压力的推动，微电网试点工程不断涌现。
欧美对于微电网的关注是较早的。创立于1999年的美国电力可靠性技术解决方案协会（Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS）率先对现代微电网进行了系统性的研究，并构想了借助微电网协调利用分布式电源的技术前景 [13] 。欧盟的MICROGRIDS项目也在早期对微电网的技术挑战进行了讨论，例如孤岛安全运行策略、保护措施等。随后，微电网概念被欧美等国家广泛应用，并建立了一系列的试点工程。例如，美国加利福尼亚州的博雷戈泉微电网，这是加州第一例基于可再生能源的社区微电网工程。博雷戈泉微电网的主要供能来自于本地部署的26MW光伏发电系统，为大约2500位居民和300位工商业用户提供电能。其他国家也有许多微电网络试点工程，例如丹麦的博恩霍尔姆岛微电网，能够提供63MW的负载功率；再比如澳大利亚的袋鼠岛微电网，目标做到100%可再生能源供电。以上的工程实例均体现了微电网的一个重要特性，即就地消纳能源。
我国的微电网起步稍晚发展较快，政府给予了高度重视和支持。为了促进微电网的健康有序发展，国家发展改革委和国家能源局于2017年印发了《推进并网型微电网建设试行办法》，引导分布式电源和可再生能源的就地消纳。目前，许多微电网试点工程正在快速推进和落成，其中河南财政金融学院分布式光伏发电及微网运行控制工程是一个典型案例。该工程以屋顶380kW光伏项目为依托，日发电功率达到300kW，是河南省首个并网光伏发电项目。与普通光伏项目不同的是，该工程构建了光伏、储能和用电负荷组成的微电网，通过技术控制，实现了并离网的平滑过渡。此外，我国还建设了包括浙江舟山东福山岛300kW级离网型微电网、浙江温州南麂岛MW级海岛微电网、广东东莞巷尾多站合一直流微电网，以及广东珠海唐家湾直流微电网等在内的多个示范项目。