直流微電網及其多變流裝置協調控制技術研究

汪志成，葛亞明（江蘇省電力公司調度控制中心，江蘇南京210024）

直流微電網及其多變流裝置協調控制技術研究

汪志成，葛亞明
（江蘇省電力公司調度控制中心，江蘇南京210024）

分布式發電技術和微電網技術是智能配電網技術的2個重要組成部分。微電網技術從局部解決了分布式電源大規模并網時的運行問題，同時在能源效率優化等方面與智能配電網的目標相一致。簡要介紹了微電網及其在配電網中的應用，分析了直流微電網技術的優勢，并給出了直流微電網的基本結構，分析了直流微電網中多變流裝置的協調控制技術，為直流輸電技術在微電網中的發展提供研究思路。

分布式發電；直流微電網；協調控制；智能配電網

現有研究和實踐表明，將分布式電源以微電網形式接入到電網中并網運行，與電網互為支撐，是發揮分布式電源效能的最有效方式，具有巨大的社會與經濟意義，體現在：（1）可大大提高分布式電源的利用率；（2）有助于電網災變時向重要負荷持續供電；（3）避免間歇式電源對周圍用戶電能質量的直接影響；（4）有助于可再生能源優化利用和電網的節能降損等［1］。當前，微電網實驗室和示范工程的建設格外令人關注，歐盟以及美國、加拿大、日本等國家都建成了具有各自特點的微電網項目，并開展了相關領域的研究工作。歐洲已初步形成了微電網的運行、控制、保護、安全及通信等理論，并在實驗室微電網平臺上對這些理論進行了驗證［2］。其后續任務將集中于研究更加先進的控制策略、制定相應的標準、建立示范工程等，為分布式電源與可再生能源的大規模接入以及傳統電網向智能電網的初步過渡做準備。故而現今許多對于分布式電源接入電網的研究都集中于微電網的研究。

與交流微電網相比，直流微電網擁有其獨特的優點。首先，直流微電源（如光伏發電和燃料電池）可以直接將發出的直流電能注入電網中，不需要考慮頻率和電壓相位的問題，而不同步的交流微電源則通過交流/直流（AC/DC）變流器連接在直流微電網中；其次，直流微電網減少了由無功功率引起的線路損耗且克服了自然功率的限制；再者，電網可以直接將功率輸送給變流裝置，而省去了傳統電網中由交流轉換成直流時引起的損耗［3］。

1　微電網的定義以及在配電網中的應用

1.1微電網的定義和基本結構

微電網是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、相關負荷和監控、保護裝置匯集而成的小型發配電系統，是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，既可以與外部電網并網運行，也可以孤立運行。從微觀看，微電網可以看作是小型的電力系統，具備完整的發輸配電功能，可以實現局部的功率平衡與能量優化，與帶有負荷的分布式發電系統的本質區別在于同時具有并網和獨立運行能力［1-3］。從宏觀看，微電網又可以認為是配電網中的一個“虛擬”的電源或負荷。

當前，影響分布式發電技術發展的關鍵問題并不是分布式發電本身的技術問題，而是其并網后帶來的電網運行問題。本質上，公用微電網已經具備了智能配電網的雛形，它能很好地兼容各種分布式電源，提供安全、可靠的電力供應，實現網絡層面的能量優化，起到承上啟下的作用，但與智能配電網的主要區別體現在多樣化商業產品的提供和與用戶的互動性方面［4］。

對于微電網的通用解釋是：微電網是集成多個分布式發電系統（DG）和負荷的獨立系統，提供電能和熱能，其中大多數DG都是基于電力電子設備提供所要求的靈活性，以確保作為一個單獨的集成系統運行。對于大電力系統來說這種控制的靈活性允許微電網是一個單獨的可控模塊，以滿足本地負荷的可靠性和安全性需要［5］。微電網的結構如圖1所示。

圖1　微電網結構示意

1.2微電網在配電網中的應用

微電網是一個獨立的運行單元，對大電網不會產生大的影響，而且不需要修改大電網的運行策略；利用微電網技術可非常靈活地把DG接入或撤離大電網；微電網可以孤立運行，從而大大提高了電網的可靠性。

微電網可獨立運行也可并網運行。在并網運行時，微電網和傳統配電網類似，服從系統調度，可同時利用微電網內DG發電和從大電網吸取電能，并能在自身電力充足時向大電網輸送多余電能。當外界大電網出現故障停電或有電力質量問題時，微電網可以通過能量管理單元控制主斷路器切斷與外界聯系，微電網孤立運行，此時微電網內負荷全部由DG供電［4，5］。當故障解除后，主斷路器重新合上，微電網重新恢復和主電網同步運行，以保證系平穩恢復到并網運行狀態。而這2種運行模式縫轉換的關鍵是微電網與電網之間的電力電子接口，這種接口可以使分布式電源實現即插即用，可使微電網作為一個獨立的模塊，以盡量減少布式電源對電網的不利影響。微電網在配電網中的應用主要體現在以下幾個方面：

（1）微電網是發展可再生能源的有效形式。“十一五”規劃己將積極推動和鼓勵可再生能源的發展作為中國的重點發展戰略之一。一方面，充分利用可再生能源發電對于中國調整能源結構、保護環境、開發西部、解決農村用能及邊遠地區用電、進行生態建設等均具有重要意義；另一方面，中國可再生能源的發展潛力十分巨大。中國制定的2020年可再生能源發展目標也已將可再生能源發電的裝機容量定位為10萬MW。然而，可再生能源容量小、功率不穩定、獨立向負荷提供可靠供電的能力不強以及對電網造成波動、影響系統安全穩定的缺點將是其發展中的極大障礙。如前所述，若能將負荷點附近的分布式能源發電技術、儲能及電力電子控制技術等很好地結合起來構成微電網，則可再生能源將充分發揮其重要潛力［6］。例如，對于中國未通電的偏遠地區，充分利用當地風能、太陽能等新能源，設計合理的微電網結構，實現微電網供電，將是發揮中國資源優勢、加快電力建設的重要舉措。

（2）微電網在提高配電網的供電可靠性、改善電能質量方面具有重要作用。中國的經濟已進入數字化時代，優質、可靠的電力供應是經濟高速發展的重要保障。在大電網的脆弱性日益凸顯的情況下，將地理位置接近的重要負荷組成微電網，設計合適的電路結構和控制，為這些負荷提供優質、可靠的電力，不僅可以省去提高整體可靠性與電能質量所帶來的不必要成本，還可減少這些重要負荷的停電經濟損失，吸引更多的高新技術在中國發展。

（3）微電網與大電網間靈活的并列運行方式可使微電網起到削峰填谷的作用，從而使整個電網的發電設備得以充分利用，實現經濟運行。在系統中加入基于電力電子技術的新能源并配智能靈活的控制方式，一方面可提高系統的智能化與自動化水平，另一方面也可為電網企業帶來可觀的經濟效益。

2　直流微電網及其協調控制技術

2.1直流微電網基本結構

直流微電網的基本結構如圖2所示。這種結構假設直流母線沒有損耗，直流微電網通過主斷路器并經DC/AC逆變器與交流大電網相連。微電網中的微電源大致可分為2類：一種是直流微電源，如光伏電池、燃料電池和蓄電池；另一種是交流微電源，如風力發電機和微型燃汽輪機。在直流微電網中，這2種電源分別需要通過DC/DC和AC/DC變流裝置進行轉換后才可以共同接入直流母線。另外，對于微電網中交流負荷，還需要將直流電經DC/AC逆變之后供給負荷［4，7-9］。

圖2　直流微電網的基本結構

直流微電網的電壓穩定可定義為：當系統受到干擾時，將直流母線電壓保持在一定范圍內（電壓波動不超過額定值的±5%）的能力。直流微電網中，系統中不考慮無功功率的流動，電壓成為反映系統功率平衡的唯一指標，控制直流微電網中的電壓穩定，就可以控制微電網穩定運行。如果發生電壓失穩，很可能引起保護動作或甩負荷，甚至還會危及大電網的正常運行［3-7］。因此，必須對微電網中的變流裝置進行有效的控制，尤其是分布式電源側的DC/DC和AC/DC變流器，使直流母線電壓保持在穩定運行的水平，從而減少微電網對大電網的擾動作用，更好地支撐交流配電網。

2.2直流微電網中多變流裝置協調控制技術

采用狀態空間法可分別建立DC/DC、AC/DC和DC/AC變流器的平均模型。以單相AC/DC變換器平均模型為例，圖3為單相AC/DC變換器原理圖，圖中各變量均標注在相應位置，表示對應元件名稱，該變流器的狀態空間平均模型如式1所示。

圖3　單相AC/DC變換器原理

其中：Ls，Rs分別為單向AC/DC變換器并聯電感和電阻，s=1，2；is為流經2條支路的電流；es為2條支路串聯交流電源；S1，S2，S1'，S2'分別為控制開關位置，1為接通，0為斷開；ud為并聯電壓值；CU為并聯電容值；Rpv和epv分別為變換后的直流電阻值和電源值。

這種平均模型展示了變流器的直流或者低頻行為，而不必考慮開關快速關斷過程中引起的紋波及其他影響因素，具有簡單易用的特點，便于穩定性分析及控制器的設計。

為了維持直流微電網中的直流母線電壓穩定，需要對分布式電源側的變流器采取適當的控制策略。

（1）DC/DC變流器的電壓控制器。對于直流電源側的增強型DC/DC變流器，如圖4所示，Udc，ref為參考電壓值，Udc為實際電壓值，Uin為輸入電壓值，Cdc為直流母線并聯電容只，采用比例積分（PI）環節對變流器的輸出端電壓Udc進行控制。

圖4　DC/DC變流器的電壓控制器

（2）AC/DC整流器的控制器。對AC/DC整流器的控制采用了內環電流控制與外環電壓控制相結合的方法，如圖5所示。

圖5　AC/DC整流器的控制策略

圖中，ea，eb，ec分別為三相交流電源。外環電壓采用PI控制環節，參考電壓值Udc，ref與實際電壓值Udc之間的差值通過電壓PI環節后產生電流參考值Iref，并與實際電流值i進行比較，再通過電流PI環產生整流器平均模型的變比值dr，將abc坐標系下的電壓、電流以及變化均轉換為dq坐標系下的量，對整流器進行d，q軸解耦控制，如圖6所示。圖中，Kpa為前置控制比例系數；Kia為前置電流控制比例系數；Kpb為后置控制比例系數；Kib為后置電流控制比例系數；Id，ref，Iq，ref分別為d，q軸參考電流；ed，eq分別為d，q軸電源分量；Id，Iq分別為d，q軸電流分量；ω為角頻率；drd，drq分別為d，q軸變比值。

圖6　AC/DC整流器控制策略

包含風力發電、光伏發電和儲能蓄電池、交流和直流負荷的直流微電網系統如圖7所示，圖中，Ppv為光伏發電功率；PWT為風電發電功率；Pgrid為交流大電網功率；PBT為蓄電池輸入功率。可以采用狀態空間法建立算例系統中多種變流裝置的平均模型，并對該直流微電網進行小擾動穩定性分析，變流器的控制策略如上所述。可以發現，對多種變流裝置進行適當的協調控制，可以有效地維持直流微電網的電壓穩定。

圖7　直流微電網穩定分析與協調控制

3　結束語

分布式電源對于優化配電網的運行方式、改善其電能質量是一個不可多得的極佳選擇，但是同時分布式電源接入配電網也會帶來諸多問題，目前這些問題正是研究的熱點，已經解決或者正在研究解決方案的過程中。而在目前的環境下，發展分布式電源的經濟性、能源政策導向性、聯網技術性以及體制等問題都在一定程度上制約了其發展，隨著分布式電源技術水平的不斷提高、各種分布式電源設備性能的不斷改進和效率以及并網技術的不斷提高，分布式電源將存在巨大潛力，其發電成本會不斷降低，應用范圍不斷擴大，可延伸到生活的各種場所，不僅可作為傳統供電模式的一種重要補充，還將在能源綜合利用上占有十分重要的地位，將成為未來能源領域的一個重要發展方向。可以預見，分布式電源作為集中供電方式技術不可缺少的重要補充手段，將在電力系統中發揮作用，大規模發展分布式發電技術以及接入配電網已成必然趨勢。

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［3］肖宏飛，劉士榮，鄭凌蔚，等.微型電網技術研究初探［J］.電力系統保護與控制，2009，37（8）：114-119.

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Research on DC Micro-grids and its Multiple Convert Set Coordinated Control Technologies

WANG Zhicheng，GE Yaming
（Jiangsu Electric Power Dispatching and Control Center，Nanjing 210024，China）

Distribution generation（DG）and Micro-grids（MG）are two important aspects of intelligent distribution network（IDN）.MG provides solution of integration of large-scale distribution sources into power grids.Meanwhile，MG shares the same goal of energy optimization with IDN.Also，it has the advantage of low loss.In this paper，first，MG and its application in distribution network is introduced.Then，the superiority of DC MG and its basic structure are presented.At last，coordinated control technologies of multi-converters in DC MG are analyzed.The discussion in this paper might be useful for the research on DC transmission technologies in MG.

distribution generation；DC micro-grids；coordinated control；intelligent distribution network

TM727

B

1009-0665（2015）03-0054-04

2014-12-09；

2015-03-07

汪志成（1979），男，安徽黃山人，高級工程師，從事電力調度運行管理工作；

葛亞明（1984），男，安徽宣城人，工程師，從事電力調度運行管理工作。