淺析微電網控制策略的研究現狀

嵇　偉

(江蘇省電力公司淮安供電公司，江蘇淮安，223001)

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淺析微電網控制策略的研究現狀

嵇偉

(江蘇省電力公司淮安供電公司，江蘇淮安，223001)

摘要：首先，介紹了微電網的產生背景，并中中國微電網研究現狀進行了介紹。其次，介紹了一種典型的微電網結構，對微電源、負載、儲能裝置和并網逆變器進行了描述。根據微電網不同運行模式下的特性，對不同模式下微并網逆變器采取的控制方法進行了詳細分析。最后，對并網運行和孤島運行模式下各單元采取的控制策略進行了總結。

關鍵詞：微電網；分布式電源；主從控制；孤島運行

1引言

隨著電網規模的不斷擴大，大電網模式存在的建設、運行成本高以及局部故障易擴散等缺點日益凸現出來。越來越不能適應用戶對高供電質量和多樣化的供電需求。2003年的北美大停電、2006年的歐洲大停電、2008年的南方冰雪災害造成大停電、2009年的巴西大停電讓6700萬人陷入停電、2012年的印度兩次大停電分別造成3.7億和超過6億人墜入黑暗。隨著經濟的發展，越來越多的場所和行業需要較高的供電可靠性和電能質量，用戶開始安裝并擁有自己的分布式電源設備。分布式電源是將分布式發電和儲能裝置組合成一起的系統。分布式電源不僅可以作為集中式發電的一種重要補償方式，而且在對可再生能源的利用上具重要的作用。

發展分布式發電具有一定的經濟性、環保性和節能效益，并且能夠提高供電安全可靠性及解決邊遠地區用電問題等。雖然分布式電源具有很多優點，但是由于分布式電源在接入電網時容量小、控制困難、隨機波動性大、成本較高和高滲透率會對電力系統造成了很大負面影響。因此，目前的國際規范和標準都對分布式電源采用帶離和限制的方法，減小分布式電源對大電網的影響為了更大限度的發揮分布電電源在能源和環境中的作用，21世紀初微電網概念被提了出來[1]。

中國對微電網的研究尚處于初始階段，主要對微電源、儲能裝置、分布式控制進行研究。中國政府積極推動可再生能源的研究和應用，將改變能源結構作為未來電網發展的戰略之一。微電網將成為未來可再生能源利用的有效形式，能夠最大限度的發揮可再生能源的潛力。應用微電網技術不僅能夠利用當地的可再生能源進行發電，解決偏遠地區的供電問題，而且能夠提供可靠安全的電能服務。目前我國已經在西部偏遠地區和發達的大城市進行了新能源發電潛力和經濟性分析，并且在新疆吐魯番建立了微電網實驗工程[2]。

2微電網結構與組成

2.1　微電網基本結構

微電網概念最早由美國電力可靠技術解決方案協會提出，是眾多微電網概念中最權威的一種。其基本理念是：將分布式發電機、儲能裝置、負載及控制器組成一個有機整體，通過協調控制形成一個可控的獨立供電系統。為防止微電網與大電網斷開時，對微電網內的負荷造成沖擊，需要對傳統配電網進行重新設計[1,3]。

圖1是一種典型微電網結構。由圖中可以看出，微電網將不重要的負載接到饋線C上，將重要的或敏感負載接到饋線A和B上。饋線A和饋線B上接有微電源、儲能裝置和相應的控制器等。整個微電網結構呈現輻射狀，通過主分隔裝置將饋線與大電網相連接，實現微電網并網運行和孤島運行模式間平滑過度。分隔裝置點就是公共連接點(Point of Common Coupling, PCC)所在位置，PCC點一般作為微電網與大電網的分隔點或變壓器的原邊。

圖1　微電網結構

2.2　微電源

微電源作為微電網的能源供應組成，形式很多，一般可分柴油發電機和小水電等傳統發電技術；微型燃氣輪機、燃料電池以及儲能裝置等新興的供電技術；風力發電、潮汐發電、熱能發電和光伏發電等可再生能源。根據其輸出電壓為交流電還是直流電，可分為直流電源和交流電源[1]。

2.3　負載和儲能裝置

微電網屬于小型低壓發配電網絡，其負載相對大電網較小、波動性大。儲能裝置主要有物理儲能(如抽水儲能、飛輪儲能等)、化學儲能(如鉛酸電池、鈉硫電池、鋰離子電池)和電磁儲能(如超導電磁儲能、超級電容器儲能等)三大類，微電網中儲能裝置的設置需要跟據其具體特性進行選取[3,4]。

2.4　電力電子接口

微電源是通過電力電子接口與負載或電網相連接，其中燃料電池、光伏陣列和蓄電池等直流電源，通過逆變器(DC/AC)或直-直-交(DC/DC/AC)變換器轉換成工頻交流電；風力發電機、燃氣輪機等產生交流電源，將發出的交流電通過交-直-交(AC/DC/AC)接入微電網[5]。

3逆變器控制方法

微電源作為微電網的電能供應單位，是微電網的重要組成部分。對策電網的控制其核心就是對微電源進行控制，常用的控制方法有：有功和無功功率(P/Q)控制、有功和電壓(P/V)控制、基于下垂特性的V/f控制等。

3.1　P/Q控制方法

P/Q控制方法通過控制并網逆變器輸出的有功和無功，對微電源進行定功率控制[6]。圖2所示為微電源采用P/Q控制示意圖。

圖2　P/Q控制

采用P/Q控制方法時，首先根據設定的微電源輸出的有功功率和無功功率，然后通過檢測逆變器輸出電壓和電流，通過功率計算后將有功和無功分量分別與參考值進行作差，然后將有功誤差△P和無功差△Q送入PI調節器進行調節，經過PI調節器調節后經調制解調器后控制脈沖發生器，控制逆變器的可控開關使逆變器輸出的有功和無功功率保持在給定值。

3.2　P/V控制方法

P/V控制方法是通過調節逆變器輸出的有功P，并且保持交流母線電壓幅值Um保持恒定的一種控制方法，其控制示意圖如圖3所示。

圖3　P/V控制示意圖

P/V控制方法和P/Q控制方法相似，都采用閉環控制，對并網逆變器輸出的有功分功率和電壓幅值進檢測，然后將檢測有功功率值與參考功率、電壓幅值與參考電壓幅值作差，將有功誤差△P和電壓偏差△U送入PI調節器，經過PI調節器調節控制沖發生器輸出脈沖，控制并網逆變器輸出的有功功率和電壓。逆變器輸出電壓幅值由最小值和最大值限制，兩者分別對應于系統有功功率和無功功率的最小值和最大值。

3.3　基于下垂特性的V/f控制方法

微電網是由微電源、控制裝置和負載組成的一個供電系統。微電源通過逆變器以并聯運行的方式，為微電網提供電能。根據功率的傳輸特性，可以將逆變電源看成傳統的發電機，通過模式發電機下垂特性，實現對逆變電源的控制。基于下垂特性的V/f控制就是各個微電源通過檢測自身的輸出功率，采用下垂特性得到逆變器的參考電壓[8](U)和頻率(f)。然后通過反相調節的方式，逆變電源實現有功和無功的自動調節。當輸出電抗為感抗時，控制策略基于P/V和Q-ω的下垂特性；當為阻性時，控制策略基于P/V和Q-ω下垂特性，阻性輸出阻抗的下垂特性曲線如圖4所示。

圖4　輸出阻抗為陰性時下垂特性

圖5　基于下垂特性的V/f控制框圖

運行時，不管逆變器輸出阻抗呈感性還是阻性，其輸出功率較小的逆變電源依據電壓和頻率下垂特性控制其輸出功率變大，輸出功率較大的逆變電源減小其輸出功率。在基于下垂特性的基礎上，通過采用雙閉環控制方法使逆變器輸出電壓和頻率滿足負載要求。

3微電網運行模式及其控制策略

微電網根據與大電網是否聯網運行，可分為并網運行模式和孤島運行二種工作模式。根據不同控制策略，通過協調控制微電源、負載和保護裝置，讓微電網相對于大電網是一個可控“負載”。孤島運行時，可采用主從控制策略，使系統作為一個自主運行的小型電網；并網運行時，采用對等控制策略，可將微電網多余電能輸送到大電網或及取大電網電能供負載使用[5,7,9]。

4.1　微電網并網運行

正常工作時微電網與大電網相連接，進行并網運行。此時，從大電網的角度看，微電網是具有一定特性的虛擬發電機，能夠向大電網提供電能或吸取大電網電能。與一般并網發電機相同的是，微電網并網運行時需要滿足一定的電壓和頻率要求；同一般發電機的不同之處是，微電網中微電源的種類和特征差異很大，需要采用一定的協調控制方法才能夠滿足并網要求。此時，微電網內部的各個分布式電源只需控制功率輸出以保證微電網內部的功率平衡，而電壓和頻率由大電網來支持和調節。此時，逆變器可以采用P/Q控制方法，按照設定值提供固定的有功--功率和無功功率。MGCC根據大電網的需要、本地負荷情況和分布式電源的發電能力來決定各分布式電源的PQ控制有功功率和無功功率運行點及各負荷的運行狀態。

4.2　微電網孤島運行

孤島運行根據大電網狀態可分為有計劃孤島運行和無計劃孤島二種。當大電網有計劃進行檢修時，微電網獨立運行，這種運行方式稱之為有計劃孤島；當大電網發生故障時微電網被迫進行孤島運行，叫有無計劃孤島運行。一般情況下，無計劃孤島是不允許發生的。微電網孤島運行時，需要滿足二個基本條件：微電網中的微電源能夠為微電網內的負荷提供足夠的電能；微電網能夠對微電源進行合理、有效的控制使系統穩定運行。當微電源輸出的功率大于孤島負荷需求時，系統可以通過增加負荷或進行蓄能維持系統功率平衡；當微電源提供電能小于負荷要求時，蓄電池放電或適當減小負載使系統正常運行，當能量嚴重不足時系統停止運行。此時，微電網通過檢測設備時刻對大電網狀態進行檢測，當大電網恢復正常運行時，微電網進行模式切換重新并網運行[4,7]。

當微電網孤島運行時，與大電網的連接斷開。此時，一般采取主從控制策略，就是通過協調微電網中微電源，采用不同的控制方法，保證微電網能夠正常運行。這種控制策略是將一個或幾個微電源作為主控單元，其它微電源作為從屬單元的一種控制策略。主控單元通過檢測微電網中的電壓、電流、有功和無功功率以及負荷變化情況，通過綜合分析后，調節從屬單元的輸出功率，使微電網保持穩定運行。這種控制方法一般只應用于微電網孤島運行模式下，通過對主控單元的控制，微電網的電壓和頻率達到負載要求，并為處于從屬單元供電壓和頻率支撐。運行時，微電源由中央控制器(MGCC)進行協調控制，主控單元一般采用V/f控制方法，從屬單元根據需要可采用P/Q控制或P/V控制方法。MGCC作為一個決策者，通過協調微電網中微電源的出力，對電網進行優化調整，并根據微電網的運行狀態，對微電網中的負荷進行預測，圖6為主從控制結構。

圖6　主從控制結構示意圖

4結語

微電網作為分布式發電優化集成的一種方式，已經成為各國研究的重點，未來微電網將占有重要的地位。微電網雖然具有很多優點，但在大規模應用之前，還有許多問題需要解決。微電網并網運行時，微電網電能質量由大電網提供支持，此時微電網通過控制各分布式電源的輸出功率，使輸入到電網的功率最大，最大化利用可再生能源發電；微電網孤島運行時，通過選擇主調頻電源對微電網頻率進行二次調節，提高了電能質量，避免了穩定的頻率偏差對儲能裝置充放電的影響。通過對微電網控制策略的研究，使微電網能夠在并網和孤島二種運行模式下平穩運行、平穩轉換具有鹽分重要的意義。

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A Study on the Research Status of

Micro-grid Control Strategy

JI Wei

(Huaian Power Supply Company of Jiangsu Power Company, Huaian, Jiangsu 223001)

Abstract：Firstly, introduces the background of the micro-grid and micro-grid in the current situation of Chinese were introduced. Secondly, describes a typical micro-grid structure, and described the micro- power, load, energy storage and grid inverters. According to the different characteristics of the micro-grid operation mode, the control method in different modes micro-grid inverter taken is analyzed in detail. Finally, the control strategies of network operation and island operation mode of each unit taken are summarized.

Keywords：Micro-grid; distributed power; master-slave control; islanding operation

中圖分類號：TN784

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6133(2015)02-0055-05

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.02.012

收稿日期：2015-03-01