微網(wǎng)運行狀態(tài)控制研究綜述

薛詩語

（華中科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

微網(wǎng)運行狀態(tài)控制研究綜述

薛詩語

（華中科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

摘要：本文簡單地介紹了微網(wǎng)的形成背景以及基本概念，總結(jié)了國內(nèi)外微網(wǎng)運行控制策略和能量優(yōu)化方法。簡要講解了微網(wǎng)的運行控制狀態(tài)及切換過程，并對幾種典型的策略進行了簡要地概述并分析優(yōu)缺點。最后做了簡單的總結(jié)，提出了目前研究不足之處，也對未來的發(fā)展方向進行了展望。

微網(wǎng)運行狀態(tài)；研究現(xiàn)狀；控制

1.研究背景

微電網(wǎng)是一種由電源、負荷、儲能裝置和控制裝置組成的系統(tǒng)。微電網(wǎng)即微型電網(wǎng)，微電網(wǎng)中的電源多為分布式電源例如光伏發(fā)電組件，相對大電網(wǎng)較不穩(wěn)定，但已有相對穩(wěn)定的控制策略。然而，伴隨著光伏發(fā)電在電網(wǎng)中滲透率的提高，又出現(xiàn)了電網(wǎng)不穩(wěn)定性增加、高次諧波增加、無功功率不平衡、微網(wǎng)控制難度增加等問題。因此研究者們提出了多種微網(wǎng)控制來解決面臨的難題。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

在微網(wǎng)控制中，部分研究者將基本控制方法結(jié)合起來，取長補短，實現(xiàn)微網(wǎng)的自主控制。例如，對一個有3個分布式電源的系統(tǒng)，一個分布式電源在并網(wǎng)運行時使用PQ控制然后在孤島狀態(tài)使用下垂控制；另外兩個分布式電源在并網(wǎng)和孤島狀態(tài)均使用PQ控制。在simulink仿真中可實現(xiàn)并網(wǎng)運行和孤島運行的無縫切換。文獻[3]中，DER系統(tǒng)的引入實現(xiàn)了無功和有功的分別控制，動態(tài)地滿足需求，并可以自主地切換自身的狀態(tài)。另外，在PCC處引入能量電子轉(zhuǎn)換器（PET），限制微網(wǎng)中的能量流動，并利用分層控制用電網(wǎng)中頻率的變化來控制微網(wǎng)中活躍的能量產(chǎn)生和消耗來實現(xiàn)小擾動不影響微網(wǎng)頻率，微網(wǎng)中能量驟減時電源輸出及消耗和負載消耗的自主調(diào)控以及即使在頻率不同步的情況下的微網(wǎng)運行的無縫切換。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

對微電網(wǎng)運行狀態(tài)的控制研究，我國也有不少成果。例如部分研究者針對直流微電網(wǎng)中復(fù)雜狀況，在孤島運行和并網(wǎng)運行這兩種狀況下劃分出的4種工作模式；通過對各部分的狀態(tài)和開關(guān)的斷合進行劃分，使工程師能針對性地設(shè)計方案并解決問題，將問題簡單化。針對混合系統(tǒng)的微網(wǎng)控制，研究者提出混合系統(tǒng)控制是采集本地電壓和電流信號并進行PQ控制；而當(dāng)微網(wǎng)孤島運行時，微網(wǎng)控制重點為考察隨機性較強的分布式電源對混合系統(tǒng)控制效果的影響；故可通過微網(wǎng)控制層，將各電源狀態(tài)整合并通過采集公共母線狀態(tài)進行混合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。周念成教授給出了特定情境下控制微網(wǎng)運行狀態(tài)的解決方案。研究者還提出并網(wǎng)時需考慮盡可能降低沖擊電流，故應(yīng)盡量保證并網(wǎng)前微網(wǎng)電壓幅值低于電網(wǎng)電壓幅值，電網(wǎng)頻率稍高于微網(wǎng)頻率，微網(wǎng)相位滯后于電網(wǎng)。天津大學(xué)的綜合微電網(wǎng)實驗室也對聯(lián)網(wǎng)到孤島模式切換、孤島到聯(lián)網(wǎng)模式切換這兩種暫態(tài)情況做了詳細地研究。

3.微網(wǎng)的運行狀態(tài)控制

微電網(wǎng)存在多種運行狀態(tài)，主要有并網(wǎng)運行和孤島運行。當(dāng)微網(wǎng)處于并網(wǎng)運行狀態(tài)時，功率可以雙向流動，即可從大電網(wǎng)流向微電網(wǎng)，也可從微電網(wǎng)流向大電網(wǎng)；當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，通過保護動作和解列控制，可使微電網(wǎng)與大電網(wǎng)解列而使微電網(wǎng)變?yōu)楣聧u運行狀態(tài)，獨立向其所轄重要負荷供電；在大電網(wǎng)故障消除后，通過并網(wǎng)控制可再次將微電網(wǎng)并入大電網(wǎng)，重新進入并網(wǎng)運行狀態(tài)。

微電網(wǎng)并網(wǎng)時一般與中壓或低壓配電系統(tǒng)相并，微網(wǎng)的運行特性既與其內(nèi)部的分布式電源特性和負荷特性有關(guān)，也與其內(nèi)部的儲能系統(tǒng)的運行特性密切相關(guān)；同時還與大電網(wǎng)相互作用，尤其在微網(wǎng)滲透率比較高的情況下（微網(wǎng)中含大量的風(fēng)力發(fā)電和光伏電池），這種相互作用將直接影響到二者的穩(wěn)定性和可靠性。

微網(wǎng)孤島運行控制需要優(yōu)先保證微網(wǎng)內(nèi)重要負荷（敏感負荷）的供電可靠性和供電質(zhì)量，即當(dāng)分布式電源所發(fā)出的功率不能滿足所有負荷供電需求時，優(yōu)先切除次要負荷，當(dāng)微網(wǎng)能量足夠時再重新投入。

在微電網(wǎng)運行狀態(tài)方面，主要要考慮并網(wǎng)運行與孤島運行狀態(tài)之間的平滑切換以及孤島運行時的微電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題。接下來要介紹微電網(wǎng)的運行控制。

下面簡單介紹兩個典型的微網(wǎng)運行狀態(tài)的實例。

3.1 實例1

第一個實例是混合系統(tǒng)的微網(wǎng)運行控制策略，其中的風(fēng)力發(fā)電可以與光伏發(fā)電進行類比，并獲得一定的啟示。

圖2　微網(wǎng)控制層次關(guān)系和策略示意圖

根據(jù)穩(wěn)定性，可以將控制劃分為負荷控制和本地控制，本地控制用于對多個混合系統(tǒng)進行控制，如圖2所示。

其中PQ控制實現(xiàn)恒有功功率輸出和恒無功功率調(diào)節(jié)；V/f控制主要應(yīng)用于獨立運行和孤島狀態(tài)下的電壓頻率調(diào)節(jié)；整流器和逆變器根據(jù)系統(tǒng)運行的需要采取PQ控制或V/f控制。

在此基礎(chǔ)上，混合系統(tǒng)根據(jù)聯(lián)網(wǎng)—孤島狀態(tài)和風(fēng)速等級劃分了6個狀態(tài)，如圖3所示。

圖3　混合系統(tǒng)運行狀態(tài)的劃分

并根據(jù)各個狀態(tài)不同的特性來制定對應(yīng)的控制策略，見表1。

表1　混合系統(tǒng)運行狀態(tài)及控制策略

3.2 實例2

首先確定不同運行狀態(tài)下微電網(wǎng)系統(tǒng)各元件的控制方式，采用排列組合的方法，列出間歇性電源、儲能裝置、連續(xù)型電源、大電網(wǎng)和可中斷負荷是否連接的排列組合，然后根據(jù)情況排除不可能的組合，最后留下了12種不同的運行狀態(tài)狀態(tài)，然后逐一設(shè)計策略，見表2。

微電網(wǎng)采用兩級分層的控制結(jié)構(gòu)，將微電網(wǎng)當(dāng)前的運行狀態(tài)和觸發(fā)事件作為MGCC的輸入變量，輸出變量則為各元件的控制方式，以實現(xiàn)微網(wǎng)運行狀態(tài)按預(yù)先制定的轉(zhuǎn)換方案進行實時調(diào)整。其中上層控制的MGCC主要實現(xiàn)功率管理和運行狀態(tài)管理的功能。微網(wǎng)狀態(tài)關(guān)系圖如圖4所示。

轉(zhuǎn)換觸發(fā)事件見表3。

3.3 分析與總結(jié)

以上兩個實例均是以PQ控制和頻率電壓控制為基本控制元素結(jié)合使用。對不同的運行狀態(tài)和環(huán)境，制定相應(yīng)的策略。這兩者的思想可以很好地應(yīng)用于光伏發(fā)電中。如實例1中的風(fēng)速可以替換為光照強度，實例2中的表3狀態(tài)轉(zhuǎn)換觸發(fā)事件。

間歇性電源替換為光伏組件，并根據(jù)光伏的特性，選擇合適的MPPT算法。兩者對解列和并網(wǎng)的判斷均是根據(jù)IEEE1547國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)微網(wǎng)存在干擾或者大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，密切觀察系統(tǒng)公共連接點PCC（point of common coupling）的電壓和頻率，在兩者超過規(guī)定幅值或未超過但異常時間較長時，斷開系統(tǒng)公共連接點PCC即解列，微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運行狀態(tài)。

圖4　微網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

表2　不同狀態(tài)下微網(wǎng)系統(tǒng)各元件的控制方式

表3　狀態(tài)轉(zhuǎn)換觸發(fā)事件

不同的是，實例2更加依賴于儲能的作用，且狀態(tài)的劃分不是簡單地根據(jù)微網(wǎng)的運行狀態(tài)和間歇性電源的出力程度來劃分狀態(tài)，而是根據(jù)每個元件的狀態(tài)進行劃分并簡化。此外實例2中對運行狀態(tài)的觸發(fā)事件做了詳細地分類，并逐一制定對策，不是單純地只關(guān)注解列和并網(wǎng)。

4.總結(jié)與展望

大電網(wǎng)和微電網(wǎng)有時會面臨不穩(wěn)定和故障狀態(tài)，因而發(fā)生解列，使微電網(wǎng)從并網(wǎng)運行狀態(tài)到孤島狀態(tài)，為使系統(tǒng)維持穩(wěn)定并盡量減小影響，希望此過程能平滑進行，因此也產(chǎn)生了相應(yīng)地研究。在孤島運行狀態(tài)相對穩(wěn)定后，要保證孤島時微電網(wǎng)能較好地運行下去，系統(tǒng)控制與能量管理顯得尤為重要。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定且大電網(wǎng)的故障解除后，在適當(dāng)條件下可以進行同期并網(wǎng)，讓微電網(wǎng)回到并網(wǎng)運行狀態(tài)。

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